Материал: Расчет и моделирование работы волнового режекторного фильтра

Название материала

Обозначение

Диэлектрическая проницаемость (ε)

Оксид кремния

SiO2

4

Стеклотекстолит

FR-4

4.4

Корунд

Al2O3

9.8

.1 Результаты расчета волноводного режекторного фильтра без диэлектрической прослойки и с диэлектрической прослойкой в основании грибов толщиной 1 мм

После проведения компьютерных расчетов построенных моделей были получены зависимости комплексных коэффициентов передачи S21 (рис. 11), отражения S11 (рис. 12) и коэффициента стоячей волны по напряжению КСВН (рис. 13) от частоты. Для удобства представления и сравнения характеристик между собой графики показателей для волновода с диэлектриком и без сведены вместе.

Рисунок 11. Расчетные зависимости комплексного коэффициента передачи S21 для волновода без диэлектрического заполнения и с диэлектрическим заполнением в основании метаматериала толщиной 1 мм

Рисунок 12. Расчетные зависимости комплексного коэффициента отражения S11 для волновода без диэлектрического заполнения и с диэлектрическим заполнением в основании метаматериала толщиной 1 мм

Рисунок 13. Расчетные зависимости КСВН для волновода без диэлектрического заполнения и с диэлектрическим заполнением в основании метаматериала толщиной 1 мм

Из графиков можно определить, что влияние метаматериала в волноводе без диэлектрической прослойки наблюдается в районе 4,5 - 5,5 ГГц. В этом частотном диапазоне волновод проявляет свойства режекторного фильтра с полосой заграждения не менее 300 МГц. Надо отметить, что полученная частота среза выше предыдущего значения 4 ГГц, рассчитанного для грибовидной структуры с 7 «грибами» в ряду в работе. Это объясняется изменением эквивалентных погонных параметров индуктивности и емкости фильтра за счет уменьшения количества элементов и увеличения расстояния между ними.

Сравнение полосы заграждения волноводного фильтра с грибовидным метаматериалом и фильтра, дополненного диэлектрической прослойкой, позволяет сделать вывод, что применение диэлектрика в волноводе с широкой стенкой из метаматериала сдвигает резонансную частоту в сторону меньших значений. Наблюдается расширение полосы режекции примерно на 100 МГц в случае волновода с диэлектриком. Это объясняется тем, что добротность каждого LC-контура, представленного в метаматериале ножкой и шляпкой отдельно взятого гриба, при внесении диэлектрика ухудшается.

Также введение слоя диэлектрика в основании метаматериала позволяет обеспечить лучшее затухание. Так для структуры без диэлектрика затухание находится на уровне 17 дБ, а с диэлектриком оно достигает 20 дБ (для Al2O3). Это говорит о возможности варьирования параметров фильтра путем применения диэлектрических материалов в основании грибовидных конструкций, то есть осуществлять подстройку режекторного фильтра.

.2 Результаты расчета волноводного режекторного фильтра с диэлектрической прослойкой толщиной 6 мм в основании селективной поверхности

Ниже представлены зависимости комплексных коэффициентов передачи S21 (рис. 14), отражения S11 (рис. 15) и коэффициента стоячей волны по напряжению КСВН (рис. 16) от частоты, рассчитанные в результате компьютерного моделирования для волноводного режекторного фильтра с магнитной стенкой на метаматериале для случая с увеличенной толщиной диэлектрика в основании «грибов» до 6 мм.

Рисунок 14. Расчетные зависимости комплексного коэффициента передачи S21 для волновода без диэлектрика и с диэлектрическим заполнением в основании метаматериала толщиной 6 мм

Рисунок 15. Расчетные зависимости комплексного коэффициента отражения S11 для волновода без диэлектрического заполнения и с диэлектрическим заполнением в основании метаматериала толщиной 6 мм

Рисунок 16. Расчетные зависимости КСВН для волновода без диэлектрика и с диэлектрическим заполнением в основании метаматериала толщиной 6 мм

Из полученных результатов видно, что увеличение толщины диэлектрической прослойки в основании грибовидного метаматериала дает более изрезанную характеристику. Резонансная частота сместилась в область более низких частот. В частности, для FR-4 и SiO2 она располагается в области частот 3,5-4 ГГц, а для случая с заполнением Al2O3 резонансная частота уменьшилась почти вдвое и составляет около 2,7 ГГц.

Стоит отметить, что для исследуемого устройства с диэлектриком, в частности, со стеклотекстолитом или кремнием подавление распространения волны происходит на частотах от 3,2 до 6,4 ГГц с затуханием более 20 дБ, то есть полоса режекции существенно расширяется по сравнению с волноводом, частично заполненным только метаматериалом. При внесении в волноводный режекторный фильтр диэлектрической прослойки из корунда частотная зависимость коэффициента передачи сильно отличается от показателей других исследуемых конструкций. Отсутствие ярко выраженных полос пропускания и запирания у данного волноводного фильтра предположительно связано с тем, что из-за сильного влияния диэлектрика метаматериал не оттягивает на себя электромагнитное поле, а начинает его отражать.

Сопоставление графиков частотных зависимостей коэффициента передачи, построенных для прямоугольного волновода, в котором ножки грибовидного метаматериала погружены в диэлектрик на 1 мм, и для волновода с диэлектрическим заполнением в основании метаматериала толщиной 6 мм, позволяет сделать выводы о том, что толщина прослойки влияет на ширину полосы заграждения. Заметим, что при увеличении толщины диэлектрика в основании «грибов» в 6 раз полоса режекции стала шире почти в 10 раз. Также в случае толстой прослойки диэлектрика затухание возросло, а значит, волна стала сильнее прижиматься к диэлектрику.

.3 Результаты расчета волноводного режекторного фильтра с нанесенным на «шляпки» грибов диэлектриком толщиной 1 мм

На представленных графиках отражены зависимости комплексных коэффициентов передачи S21 (рис. 17), отражения S11 (рис. 18) и коэффициента стоячей волны по напряжению КСВН (рис. 19) от частоты, рассчитанные для волноводного режекторного фильтра с магнитной стенкой на метаматериале, который сверху покрыт тонким слоем диэлектрика толщиной 1 мм.

Рисунок 17. Расчетные зависимости комплексного коэффициента передачи S21 для волновода без диэлектрического заполнения и с диэлектрическим покрытием поверх метаматериала толщиной 1 мм

Рисунок 18. Расчетные зависимости комплексного коэффициента отражения S11 для волновода без диэлектрика и с диэлектрическим покрытием поверх метаматериала толщиной 1 мм

Рисунок 19. Расчетные зависимости КСВН для волновода без диэлектрика и с диэлектрическим покрытием поверх метаматериала толщиной 1 мм

Полученные в результате компьютерного моделирования характеристики показывают, что диэлектрическое покрытие на метаматериале незначительно влияет на ширину полосы режекции, расширяя ее примерно на 200 МГц, по сравнению с рассмотренной ситуации без наличия диэлектрика в конструкции фильтра. Также отмечается небольшой сдвиг резонансной частоты в сторону низких частот. Если в волноводе, заполненного только метаматериалом, резонанс наблюдается в области 4,5 ГГц, то для волновода, в котором на поверхность «шляпок» грибов нанесен диэлектрик, резонанс наступает на частоте приблизительно 4,3 ГГц.

Результаты похожи на характеристики, рассмотренные для случая с диэлектриком толщиной 1 мм в основании ножек грибовидной структуры, однако можно предположить, что существенное влияние будет оказывать нанесенный подобным образом на шляпки «грибов» магнетик при аналогичной конструкции волновода, что планируется исследовать в дальнейших работах.

Таким образом, полученные результаты программного моделирования подтверждают теоретически выведенные свойства искусственных периодических структур и свидетельствуют о потенциальном использовании метаматериалов в волноводной технике для создания различного типа фильтров, в частности, режекторных. Помимо прочего, открываются перспективы совершенствования сверхвысокочастотной техники в направлении уменьшения массы и геометрических размеров устройств, улучшения их характеристик.

Также полученные в ходе исследования результаты говорят о возможности регулирования полосы режекции волноводного фильтра с магнитной стенкой на метаматериале путем применения диэлектрических материалов в сочетании с грибовидными конструкциями. Все это открывает перспективы для дальнейших исследований в данном направлении.

Однако надо учитывать, что данные фильтры в полосе пропускания имеют осциллирующую частотную характеристику с вносимым затуханием, достигающим 7...10 дБ. Такой эффект нежелателен при экономном использовании радиочастотного ресурса в приемопередающих устройствах систем связи и телекоммуникаций и оправдан лишь в радиоизмерительной аппаратуре, где эти пульсации можно не принимать во внимание после качественной калибровки нулевого уровня измеряемого параметра устройства.

Заключение

В ходе работы были решены следующие задачи:

изучены свойства метаматериалов и принципы построения частотно-селективных поверхностей на их основе;

была разработана конструкция режекторного фильтра на базе прямоугольного волновода с широкой стенкой из метаматериала;

создана компьютерная модель фильтра и произведены количественные расчеты электромагнитного поля в программе Ansoft HFSS.

было проведено исследование волноводного режекторного фильтра со стенкой из грибовидного метаматериала на основе компьютерной модели:

получены основные параметры распространения электромагнитных волн в волноводе.

В результате осуществленной работы и анализа количественных характеристик частотных зависимостей коэффициентов передачи и отражения, а также КСВН были сделаны выводы о влиянии метаматериала на распространение электромагнитных волн в прямоугольном волноводе, выявлены возможности практического применения устройств, выполненных с использованием метаматериалов, в устройствах СВЧ-диапазона и определены перспективы для проведения дальнейших исследований в этой области. Отдельно стоит отметить возможность создания на базе рассмотренной конструкции Т-волновода, в котором будет распространяться поперечная волна.

Литература

1.       Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ / В.Г. Веселаго // Успехи физических наук, 1967. № 9. С. 517-526.

.        Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы / В. Слюсар // Электроника: НТБ, 2009. № 7. С. 70-79.

.        Кухаренко А. Практическое использование метаматериалов в конструкциях устройств СВЧ / Кухаренко А., Елизаров А. Германия: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016.

4.       Bose J.C. On the rotation of plane of polarization of electric waves by a twisted structure / J.C. Bose // Proc. Roy. Soc., 1898. №. 63. P. 146-152.

.        Kock W.E. Metal-lens antennas / W.E. Kock // Proc. Inst. Radio. Engrs. and Waves and Electrons, 1946. № 34. Р. 828-836.

.        Kock W.E. Metallic delay lenses / W.E. Kock // Bell Sys. Tech. J., 1948. № 27. Р. 58-82.

.        Pocklington H.C. Growth of a wave-group when the group velocity is negative / H.C. Pocklington // Nature, 1905. № 71. Р. 607-608.

.        Pendry J.B. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena / J.B. Pendry, A.J. Holden, D.J. Robbins, W.J. Stewart // IEEE Trans. Microw. Theory. Tech, 1999. V 47. № 11. P. 2075-2084.

.        Smith D.R. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity / D.R. Smith // Physical Review Letters, 2000. V. 84. №. 18 P. 4184-4187.

10.     Вендик И.Б. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот / И.Б. Вендик, О.Г. Вендик // Журнал технической физики, 2013. Т. 83. Вып. 1. С. 3-28.

11.     Caloz Ch. Electromagnetic metamaterials: transmission line theory and microwave applications: the engineering approach / Ch. Caloz, T. Itoh // Wiley and IEEE Press, 2006. - Р. 376.

.        Munk B.A. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design / B.A. Munk // New York: John Wiley & Sons, 2000. - Р. 440.

.        Sievenpiper D.F. High-impedance electromagnetic surfaces / D.F. Sievenpiper // Los Angeles, University of California, 1999. - P. 162.

.        Awasthi S. Compact bandstop filter using triangular metamaterial mushroom resonators / S. Awasthi, A. Biswas, M.J. Akhtar // Microwave Conference Proceedings (APMC), 2012. - Р. 217-219.

15.     Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ / Лебедев И.В. - Т. 1. - М. : Высшая школа, 1970. - 440с.

.        Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование / В. Фуско : пер. с англ. - М. : Радио и связь, 1990. - 288с.

.        Курушин А.А. Проектирование СВЧ структур с помощью HFSS. Учебное пособие / Курушин А.А., Титов А.П. - М., МГИЭМ, 2003. - 176с.

.        Банков С.Е. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР / Банков С.Е., Курушин А.А. - М., 2008. - 276с.