Глава
Исследование малогабаритного развязывающего СВЧ-фильтра на метаматериале
Проведено исследование малогабаритного развязывающего СВЧ-фильтра на метаматериале. Показаны результаты численного моделирования фильтра с использованием программы AWR Design Environment (Microwave Office v.9.0), и экспериментального исследования макета фильтра на основе векторного анализатора ZVB - 4 (Rodhe@Schwarz).
В книге
В статье представлен анализ исследования физических и конструктивных особенностей, а также технической реализации новых конструкций микроволновых частотно-селективных устройств на основе периодических замедляющих систем и грибовидных метаматериалов.
Одним из перспективных путей развития современной электродинамики и электроники СВЧ является исследование метаматериалов, представляющих собой композитные соединения, свойства которых обусловлены искусственно созданной периодической системой из макроскопических элементов. Однако, эти структуры обладают общим недостатком – узкой рабочей полосой, что объясняется их резонансными свойствами. В статье проведен анализ физических особенностей метаматериалов и конструкций частотно-селективных СВЧ устройств, выполненных на основе грибовидных полосно-заграждающих структур. Предложены способы расширения рабочей полосы указанных устройств, заключающиеся в формировании двухслойных или многослойных топологических структур, в которых слои образованы импедансными частотно-селективными поверхностями. Первый предложенный способ получения такой поверхности заключается в создании дополнительного слоя проводящих пластин, имеющих омический контакт с металлизированными переходными отверстиями, которые в свою очередь также имеют омический контакт с пластинами верхней импедансной поверхности и с плоскостью заземления. Второй предложенный способ заключается в формировании промежуточной импедансной поверхности из периодически расположенных на плоскости вложенных резонаторных колец. Причем резонаторные кольца располагаются в промежуточном слое структуры непосредственно под верхними пластинами концентрически вокруг металлизированного переходного отверстия, не имея омического контакта с ним, диаметр внешнего кольца не превышает длины верхней пластины. Показано, что использование в конструкциях грибовидных полосно-заграждающих структур промежуточных импедансных поверхностей позволяет создавать СВЧ устройства на основе объемных метаматериалов с расширенной полосой пропускания и возможностью ее перестройки, а также многодиапазонные частотно-селективные устройства. С использованием программных средств AWR Design Environment (Microwave Office v.9.0) выполнено численное моделирование таких СВЧ устройств, демонстрирующее эффект расширения рабочей полосы, и приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие их соответствие с результатами моделирования. Показано, что интерес к исследованию грибовидных полосно-заграждающих структур обусловлен перспективностью их использования для создания частотно-селективных СВЧ устройств с улучшенными характеристиками, в частности, специальных экранов отсечки многолучевости прецизионных антенн для систем геодезии и навигации, а также пространственных фильтров для развязки элементов в антенных решетках.
Полезная модель относится к радиотехнике и технике СВЧ, и может быть использована в радиоэлектронной аппаратуре. Сущность полезной модели заключается в том, что волноводный режекторный фильтр содержит четвертьволновый отрезок прямоугольного волновода, одна из широких стенок которого выполнена из метаматериала. Согласно предлагаемой полезной модели метаматериал представляет собой периодическую структуру грибовидного типа, состоящую из идентичных металлических элементов в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами и имеющих геометрические размеры много меньшие рабочей длины волны. Одной из отличительных особенностей волноводного режекторного фильтра может являться помещение метаматериала, представляющего собой периодическую структуру грибовидного типа, в диэлектрическую среду. Другой отличительной особенностью развязывающего фильтра может являться помещение метаматериала, представляющего собой периодическую структуру грибовидного типа, в магнитную среду. Достоинством полезной модели является возможность монтажа фильтра непосредственно на широкой стенке волновода, что доступно технологически и не требует дополнительных крепежных конструкций. Также преимуществом полезной модели является достижение высокой собственной добротности грибовидной структуры метаматериала при геометрических размерах распределенных контуров значительно меньших рабочей длины волны, что позволяет создать волноводный режекторный фильтр СВЧ диапазона.
Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре. Достигаемый технический результат - расширение полосы пропускания при повышении добротности и геометрических размерах, меньших рабочей длины волны. Развязывающий фильтр на метаматериале содержит экранированную с одной стороны однослойную или многослойную диэлектрическую плату с периодически расположенными рядами сквозных отверстий, в каждом из которых закреплены идентичные металлические элементы в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами и имеющих геометрические размеры, много меньшие рабочей длины волны, каждый колебательный контур представляет собой импедансный проводник, выполненный в виде квадрата, разорванного по углам, противоположные стороны которого соединены в центре крестообразным импедансным проводником, закрепленным в отверстии диэлектрической платы на полой металлической ножке, соединенной с экраном.
Данное издание является сборником статей, изданных ранее в различных научно-технических журналах, объединенных общей тематикой практического использования метаматериалов в конструкциях различных устройств СВЧ. В сборнике приведены работы, результаты которых позволяют решить проблему измерения электрическох параметров этих структур в процессе их проектирования и изготовления, расширить их рабочую полосу и обеспечить электронную перестройку по частоте. Даны рекомендации по проектированию и изготовлению устройств СВЧ на основе метаматериалов. Издание будет полезно разработчикам и конструкторам электронных устройств и устройств СВЧ.
Одним из перспективных путей развития современной электродинамики и электроники СВЧ является исследование метаматериалов, представляющих собой композитные соединения, свойства которых обусловлены искусственно созданной периодической системой из макроскопических элементов. Проведен анализ физических особенностей таких метаматериалов и конструкций частотно-селективных СВЧ устройств, выполненных на основе грибовидных полосно-заграждающих структур. Предложены способы расширения рабочей полосы указанных устройств, заключающиеся в формировании двухслойных или многослойных топологических структур, в которых слои образованы импедансными частотно-селективными поверхностями. Показано, что использование в конструкциях грибовидных полосно-заграждающих структур промежуточных импедансных поверхностей позволяет создавать СВЧ устройства на основе объемных метаматериалов с расширенной полосой пропускания и возможностью ее перестройки, а также многодиапазонные частотно-селективные устройства. С использованием программных средств AWR Design Environment (Microwave Office v.9.0) выполнено численное моделирование таких СВЧ устройств, демонстрирующее эффект расширения рабочей полосы, и приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие их соответствие с результатами моделирования. Показано, что интерес к исследованию грибовидных полосно-заграждающих структур обусловлен перспективностью их использования для создания частотно-селективных СВЧ устройств с улучшенными характеристиками, в частности, специальных экранов отсечки многолучевости прецизионных антенн для систем геодезии и навигации, а также пространственных фильтров для развязки элементов в антенных решетках.
В настоящее время в СВЧ-технике все большее значение приобретают частотно-селективные поверхности, выполненные на основе метаматериалов. Эти структуры позволяют решать такие задачи, как развязка элементов антенных решеток, подавление многолучевости в навигационных системах, уменьшение влияния края экрана на диаграммы направленности антенных элементов и т.д. Применение в конструкциях СВЧ- устройств поверхностей на основе грибовидных метаматериалов позволяет существенно улучшить их свойства и рабочие характеристики. Конструктивно грибовидные метаматериалы являются периодическими микрополосковыми структурами и их свойства существенно зависят от параметров подложки и точности изготовления проводящего рисунка. А поскольку эти структуры обладают узкой полосой запирания, это вынуждает использовать дорогие материалы и высокоточное производство для их изготовления. В данной работе предложен способ смещения полосы запирания частотно-селективной структуры, выполненной на основе грибовидного метаматериала, заключающийся в том, что между двумя связанными шляпками грибков устанавливается варикап, один вывод которого заземлен по постоянному току через металлизированное переходное отверстие структуры метаматериала, а другой подключен к управляемому источнику постоянного напряжения. При этом соседние шляпки грибов связаны между собой не менее чем двумя емкостными зазорами, параллельно одному из которых и установлен варикап, эквивалентная емкость которого определяется величиной постоянного напряжения управляемого источника. Разработана конструкция полосно-запирающей частотно-селективной поверхности на основе метаматериала с электронной перестройкой полосы запирания, а также представлены результаты численного моделирования ограниченного участка метаматериала с установленными сосредоточенными емкостями, демонстрирующие смещение полосы задержки структуры одновременно с изменением емкости сосредоточенных элементов. Получена зависимость резонансной частоты структуры от величины сосредоточенной индуктивности. Приведены зависимости диэлектрических параметров конструкции от частоты, подтверждающие, что предложенная структура является метаматериалом.
III Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы СВЧ электроники" им. В.А. Солнцева 2017 проводится Московским институтом электроники и математики им. А.Н.Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» совместно с компанией KEYSIGHT Technologies при участии Издательского дома «Медиа-Паблишер».
Конференция посвящена фундаментальным и прикладным проблемам вакуумной и плазменной, твердотельной и полупроводниковой электроники СВЧ, рассматривавшимся в разных аспектах на заседаниях Всероссийского научного семинара «Проблемы электроники по методам СВЧ электроники» и Всероссийского научного семинара «Электродинамика периодических и нерегулярных структур», начиная с 1973 года. На конференции заслушаны приглашенные обзорные доклады, оригинальные сообщения о новых результатах исследований и разработок в виде устных и стендовых докладов, а также обсуждены актуальные вопросы теории и технических аспектов разработки и применения вакуумных и плазменных, твердотельных и полупроводниковых приборов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.
Программа работы Всероссийской научно-технической конференции распределена по следующим направлениям: вакуумные и плазменные электронные СВЧ генераторы и усилители твердотельные и полупроводниковые приборы СВЧ специализированные электродинамические структуры (замедляющие системы, метаматериалы, трансформаторы мод) пассивные СВЧ-устройства, антенны и фазированные антенные решетки технологии и материалы СВЧ электроники метрология и измерения на СВЧ применение приборов и устройств СВЧ электроники В рамках конференции заслушаны выступления ведущих специалистов в области СВЧ электроники, представляющих высшие учебные заведения, научно-исследовательские институты и предприятия, государственные и частные фирмы и компании.