CC BY
31
УДК 621.3.029.6
МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ФИЛЬТР 8 ПОРЯДКА НА ОСНОВЕ 2D-ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КРИСТАЛЛА С ДВУХМОДОВЫМИ
РЕЗОНАТОРАМИ*
Б. А. Беляев1' 2, С. А. Ходенков1
1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 Е-mail: [email protected]
Предложена конструкция полосно-пропускающего фильтра 8 порядка на основе двумерного электромагнитного кристалла. Полосковые проводники во всех двухмодовых резонаторах свернуты в форме «нерегулярной» прямоугольной рамки со щелью и в определенных точках соединены с экраном. При оптимальном расположении таких резонаторов на подложке, на амплитудно-частотной характеристике фильтра, вблизи низкочастотного и высокочастотного склона полосы пропускания наблюдаются полюса затухания, что существенно улучшает его частотно-селективные свойства. Раздвижка входного и выходного резонаторов позволяет управлять частотой этих полюсов.
Ключевые слова: полосно-пропускающий фильтр, электромагнитный кристалл, резонатор.
8-ORDER MICROSTRIP FILTER BASED ON 2-D ELECTROMAGNETIC CRYSTAL
WITH DUAL-MODE RESONATORS
B. A. Belyaev1, 2, S. А. Khodenkov1
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Kirensky Institute of Physics 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation Е-mail: [email protected]
The design of 8-order band-pass filter based on 2-D electromagnetic crystal is suggested. Strip conductors in all dual-mode resonators are in the form of "irregular" rectangular frame with a gap and are connected at certain points with the ground. At optimal placement of such resonators on a substrate attenuation pole is observed on the amplitude-frequency characteristic of the filter, near low and high bandwidth slope that significantly improves its frequency-selective properties. The change of gap between input and output resonators allows to control the frequency of these poles.
Keywords: band-pass filter, electromagnetic crystal, resonator.
Электромагнитными кристаллами принято называть периодические структуры, обладающие способностью подавлять распространение через них электромагнитных излучений в определенных частотных диапазонах, называемых запрещенными зонами [1]. Устройства на основе таких структур уже хорошо зарекомендовали себя [2-4] и в настоящее время представляют
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук. МК-9119.2016.8.
Секция «Электронная техника и технологии»
большой интерес для разработчиков сверхвысокочастотной техники. Они миниатюрны, технологичны в изготовлении, обладают высокими частотно-селективными свойствами и востребованы в узлах связи специальной радиоаппаратуры, используемой, в том числе и в ракетно-космической технике.
В настоящей работе приведены результаты исследования новой конструкции микрополос-кового полосно-пропускающего фильтра, построенного на основе двумерного (2D) электромагнитного кристалла. Его амплитудно-частотные характеристики, рассчитанные с помощью электродинамического численного анализа 3D-моделей, хорошо согласуются с экспериментом [5; 6], поэтому теоретические исследования таких 2D-структур можно считать достоверными. Настройка фильтра осуществлялась «ручным» параметрическим синтезом, при этом использовалась подложка с высокой диэлектрической проницаемостью в = 80, толщиной к = 1 мм (материал - керамика ТБНС).
Топология полосковых проводников предложенного микрополоскового фильтра представлена на рисунке а. При этом четыре двухмодовых резонатора I - IV в конструкции представляют собой двухмерную (неоднородности вдоль оси х и вдоль оси у) электромагнитную структуру. Полосковый проводник каждого резонатора свернут в форме «нерегулярной» прямоугольной рамки со щелью и имеет соединение с экраном близи центра, как это показано на рисунке а. Такое заземление можно реализовать через сквозное отверстие в диэлектрической подложке размером 0,2^0,2 мм2, заполненного проводящим материалом. Поэтому, по сути, каждый такой двухмодовый резонатор полосно-пропускающего фильтра представляет собой пару связанных четвертьволновых резонаторов, что позволяет существенно миниатюризировать частотно-селективное устройство.
L, R, дБ 0
1.0 1.5 2.0 2.5
f ГГц
Топология полосковых проводников фильтра 8 порядка (а) и его амплитудно-частотная характеристика (б). 1 - точки соединения полосковых проводников с экраном
Как уже было показано, на примере двумерной конструкции с одномодовыми нерегулярными микрополосковыми резонаторами [7], существует несколько вариантов расположения резонаторов в пространстве, при этом, как и следовало ожидать, полосно-пропускающие фильтры существенно отличаются частотно-селективными свойствами. Поэтому, при оптимальных зазорах между полосковыми проводниками, сигнал передается последовательно: от входного I резонатора ко II, III и наконец, к выходному IVрезонатору.
Как видно по рисунку б, на амплитудно-частотно характеристике фильтра вблизи низкочастотного и высокочастотного склонов полосы пропускания наблюдаются полюса затухания, что существенно увеличивает крутизну этих склонов. Минимальные потери мощности в полосе пропускания не превышают величину -1,1 дБ при относительной ширине полосы пропускания Af /f, ~ 34 %.
Стоит отметить, что увеличение зазоров между проводниками резонаторов I и IV позволяет одновременно увеличить подавление мощности и в низкочастотной и в расширенной высокочастотной полосах заграждения, но сопровождается уменьшением крутизны обоих склонов полосы пропускания.
Таким образом, предложенный микрополосковый полосно-пропускающий фильтр 8 порядка на основе 2В-фотонного кристалла обладает высокими частотно-селективными свойствами.
Библиографические ссылки
1. Ветлужский А. Ю. Эффективные электрофизические свойства металлических электромагнитных кристаллов // Журнал радиоэлектроники. 2015. № 1. С. 18-19.
2. СВЧ-фильтры на основе 2Б-фотонного кристалла / С. А. Ходенков, Д. В. Борисенков, А. О. Афонин и др. // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч.-практ. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. С. 260-262.
3. Беляев Б. А., Волошин А. С., Шабанов В. Ф. Исследование микрополосковых аналогов полосно-пропускающих фильтров на одномерных фотонных кристаллах // Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51, № 6. С. 694-701.
4. Беляев Б. А., Волошин А. С., Шабанов В. Ф. Исследование микрополосковых моделей полосно-пропускающих фильтров на одномерных фотонных кристаллах // ДАН. 2005. Т. 400, № 2. С. 181-185.
5. Serzhantov A. M., Tyurnev V. V. Dual-mode split microstrip resonator for compact narrowband bandpass filters // Progress in Electromagnetics Research С. 2011. № 23. P. 151-160.
6. Hong J. S., Lancaster M. J. Microstrip Bandpass Filter Using Degenerate Modes of a Novel Meander Loop Resonator // IEEE Microwave Guided Wave Letters. 1995. Vol. 5, № 11. P. 371-372.
7. Belyaev B. A., Khodenkov S. A. The Investigation of Filters with Wide Stop Band, Based on Electromagnetic Crystals of Microstrip Resonators 2D Disposition // 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE) - 39281. Vol. 1, Part 2. 3-6 October 2016. P. 146-152.
© Беляев Б. А., Ходенков С. А., 2017
