Материал: Проектирование малогабаритного развязывающего фильтра

Проектирование малогабаритного развязывающего фильтра

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзорная

1.1 Цели работы

1.2 Текущее состояние вопроса и актуальность

1.3 Краткий обзор литературы

1.4 Фильтры и их типы

Глава 2. Микрополосковые фильтры

2.1 Проектирование фильтров на сосредоточенных элементах

2.2 Проектирование ФНЧ на сосредоточенных элементах

2.3 Проектирование ФВЧ на сосредоточенных элементах

2.4 Проектирование полосового фильтра на сосредоточенных элементах

2.5 ФНЧ на элементах с распределенными параметрами

2.6 Полосовой фильтр на элементах с распределенными параметрами

Глава 3. Фильтр на метаматериале

3.1 Метаматериалы и их использование в электронике

3.2 Типы элементов частотно-селективных поверхностей

Глава 4. Моделирование

4.1 Расчет модели в программе CST MICROWAVE STUDIO

4.2 Описание модели

4.2.1 Малогабаритный развязывающий фильтр на метаматериале 9х 8

4.2.2 Малогабаритный развязывающий фильтр на метаматериале 9х 8 (уменьшенные элементы)

4.2.3 Малогабаритный развязывающий фильтр на метаматериале с дополнительным слоем пластин

Глава 5. Результаты моделирования

5.1 Результаты моделирования фильтра топологии 9х 8

5.2 Результаты моделирования фильтра топологии 9х 8 (уменьшенные элементы)

5.3 Настройка резонансной частоты путем добавления промежуточного слоя пластин

5.4 Выводы по результатам моделирования

Выводы по работе

Список литературы

Введение

Прогресс радиотехники постоянно ставит новые цели и задачи перед конструкторами. Покорение новых, более высоких частот заставляет искать новые решения для реализации устройств, так как старые материалы и топологии перестают отвечать требуемым значениям характеристик. Так, широко используемые в настоящее время в радиотехнике микрополосковые линии передачи уже вплотную подошли к своему порогу миниатюризации, из-за чего при разработке приборов требуется искать новые методы их создания. Одним из перспективных решений этой задачи является использование метаматериалов.

Метаматериалами называются искусственно созданные композитные структуры, обладающие свойствами, почти не встречающимися в природе и сложно достижимыми технологически. Особенностью метаматериалов, помимо самих необычных свойств, которыми они обладают, является тот факт, что эти необычные свойства обусловлены не химическим составом метаматериалов, а их внутренним строением и спецификой структуры. Эти особые структуры функционируют так, как в обычном материале атомы и молекулы, но путем взаимодействия с электромагнитными волнами они способны проявлять такие свойства, которые не могут проявиться в природных или химически синтезированных материалах. Отсюда и появился сам термин "метаматериалы": приставка "мета" переводится с греческого как "вне". То есть метаматериалы это структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов.

Одним из важнейших свойств метаматериалов является возможность получить в них отрицательные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей. Эти два параметра являются фундаментальными для вопросов, связанных с электромагнетизмом и электромагнитными свойствами вещества в частности. По сути эти параметры описывают как электромагнитное поле влияет на вещество и как само вещество влияет на поле. В зависимости от соотношения значений этих параметров, можно разделить все вещества на четыре типа (рис. 1) [1].

Рисунок 1. Типы веществ по критерию значений диэлектрической и магнитной проницаемости.

Первая четверть содержит материалы с положительными значениями обеих характеристик, в эту группу входят почти все диэлектрики. Вторая четверть содержит металлы, ферроэлектрические материалы и легированные полупроводники. Вещества этой группы имеют положительную магнитную и отрицательную электрическую проницаемости. Четвертая четверть охватывает некоторые материалы-ферриты, у которых положительная электрическая проницаемость, но отрицательная магнитная, так что магнитная реакция таких материалов быстро затухает при частотах СВЧ и выше. Метаматериалы находятся в третьей четверти на рисунке 1. У них отрицательны значения обеих характеристик. Таких веществ в природе нет [1]. Однако существование таких материалов было теоретически обосновано в шестидесятых годах двадцатого века В.Г. Веселаго, который в своей работе [2] указал на возможность существования материала с отрицательным коэффициентом преломления. Такой материал был назван "левосторонним" [3]. Однако в природе не было найдено материала, демонстрирующего свойства, о которых писал Веселаго. Поэтому дальнейшее развитие в этом направлении наука получила, когда Д. Пендри предложил использовать для получения таких необычных свойств не природные, а искусственные материалы.

Глава 1. Обзорная

.1 Цели работы

В рамках данной работы была поставлена задача исследования малогабаритного развязывающего фильтра на метаматериале. Исследование заключается в разработке компьютерной модели устройства и получения его передаточных характеристик (S-параметров). Компьютерное моделирование проводится в программном пакете CST Studio Suite 2015.

.2 Текущее состояние вопроса и актуальность

Одним из первопроходцев в изучении метаматериалов стал советский физик В.Г. Веселаго, который в 1968 году теоретически обосновал возможность существования материалов, имеющих одновременно отрицательные показатели диэлектрической и магнитной проницаемостей и, как следствие, отрицательный коэффициент преломления. Такие материалы он назвал "левосторонними", так как среды, в которых  и  одновременно отрицательные, вектора Е, Н и k образуют левую систему векторов. Дальнейшее развитие изучение метаматерилов получило благодаря работам Дж.В. Пендри [4],[5],[6] который предложил периодическую структуру из тонких проволочек, имеющую отрицательную диэлектрическую проницаемость на СВЧ-частотах. На основе этих работ Д.Р. Смит впервые получил метаматериал, состоящий из комбинации структур с отрицательной диэлектрической и отрицательной магнитной проницаемостями. Конструктивно он представлял собой совокупность диполей и разомкнутых кольцевых резонаторов. В результате был получен материал, обладающий отрицательным коэффициентом преломления в сантиметровом диапазоне. Благодаря успешному эксперименту Смита, теоретические заключения Веселаго были подтверждены. С этого момента началось бурное развитие теории метаматериалов. Этому также поспособствовало то, что выявились полезные особенности метаматериалов, среди которых можно выделить [7]:.         Увеличение направленности.

С помощью свойств метаматериалов возможно контролировать направление электромагнитного излучения с целью сбора исходящей энергии в узкий угловой сектор вокруг нормали к поверхности материала. Т.е. DNG материалы способны увеличивать направленность антенн..        Увеличение ширины рабочей полосы.

По сравнению с классическими полосковыми антеннами, антенны на метаматериалах имеют большую достижимую ширину полосы..       Увеличение излучаемой мощности.

В компактных антеннах может быть увеличена излучаемая энергия путем применения DNG-метаматериалов. Комбинация компактного диполя и DNG-метаматериала дает большую излучаемую мощность, нежели традиционная антенна..       Ширина диаграммы направленности и боковые лепестки

Антенны на метаматериалах имеют более узкую диаграмму направленности и очень малые боковые лепестки, благодаря чему увеличивается направленность антенны и снижаются потери на отражении.

Благодаря интересу ученых к метаматериалам, подогретому вышеизложенными фактами, удалось добиться значительных успехов в их изучении. Так, первоначально был получен метаматериал, работающий на СВЧ, но уже скоро появились метаматериалы, взаимодействующие с волнами оптического диапазона [1]. Для этого понадобилось уменьшить размер метаматериалов, а также искать новые конструкторские решения для их реализации. Так, чтобы получить магнитный резонанс в оптическом диапазоне, размеры разомкнутого кольцевого резонатора должны быть менее 100 нанометров, а зазор между отдельными элементами - менее 10 нанометров. Такие проблемы послужили толчком для разработки альтернатив для комбинации диполя и разомкнутого кольцевого резонатора. Например, для оптического диапазона крайне удачной оказалась метаструктура типа "рыбацкая сеть", состоящая из двух слоев металлической сетки, разделенной диэлектриком. К настоящему моменту существует уже немало различных конструктивных типов метаматериалов. Среди них, например, можно выделить N-полюсники с центральным креплением (грибовидные), петлевые, комбинированные [8].

Среди причин высокого интереса к метаматериалам можно выделить и широкий спектр их использования. Так, одними из самых привлекательных сфер применения метаматериалов являются магнитно-резонансная томография, микроволновые контура, антенная техника и идеальные линзы, в которых использование метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления позволяет обойти дифракционный предел [1].

Одно из последних и наиболее перспективных направлений развития метаматериалов - перестраиваемые метаматериалы. Интерес к такому роду метаматериалов возник в результате столкновения с рядом проблем в разработке устройств, основанных на метаматериале, например: ограничение рабочей полосы резонансных устройств, конструктивные ограничения и допущения. Под перестраиваемым метаматериалом подразумевается структура, чье электромагнитное поведение намеренно изменяется в процессе рутинной работы прибора. Эти изменения могут быть вызваны влиянием перемен в свойствах вещества или геометрии структуры [9].

Еще одним молодым и крайне перспективным, особенно в оптическом диапазоне, направлением являются нелинейные метаматериалы, чьи свойства зависят от интенсивности электромагнитных волн. Теоретические исследования показывают, что в нелинейных метаматериалах может проявляться ряд любопытных особенностей [9].

С момента своего открытия метаматериалы привлекали внимание ученых. К настоящему моменту эта сфера исследований зарекомендовала себя как крайне перспективная и стоящая изучения. Только за последние десять лет были достигнуты значительные успехи, такие как отрицательное преломление волн, создание супелинз и даже плаща-невидимки. Возможность контролировать свойства вещества и его взаимодействие с электромагнитными волнами открывает широчайшие горизонты для практического применения метаматериалов.

.3 Краткий обзор литературы

Постоянное развитие радиоэлектроники и применение ее в новых сферах науки выдвигает все большие требования к совершенству конструкций приборов, их массо-габаритным параметрам, технологичности изготовления. Одним из путей удовлетворения этих требований являются полосковые линии передачи и приборы, созданные на их основе. Полосковые волноводы обладают всеми чертами, необходимыми для СВЧ-техники: малый вес, дешевизна и простота изготовления, малые габариты. Кроме того, на основе полосковых волноводов оказалось удобно создавать СВЧ устройства (фильтры, ответвители и проч.). Благодаря этому в настоящее время микрополосковые линии и устройства на их основе получили широчайшее распространение в радиоэлектронике. Свидетельством этому являются многочисленные работы, посвящённые этой тематике. Примером такой работы может служить учебное пособие Ковалева [10].

В СВЧ технике получила большое распространение так называемая микрополосковая линия, отличающаяся меньшими размерами и, следовательно, лучше подходящая для работы на высоких частотах. Ее успешно используют в СВЧ технике.

Как уже было указано выше, большой интерес представляют устройства, созданные на основе микрополосковых линий - например фильтры. Вопросам их расчета и конструирования посвящено множество работ, из которых, к примеру, можно выделить, помимо уже упомянутого [10], также труды Малорацкого и Янича [11], Сазонова [12].

Общепринятым методом предварительного расчета микрополосковых СВЧ фильтров является их сравнение с некой упрощенной схемой замещения, называемой прототипом. Это вызвано тем, что сами фильтры, как правило, являются каскадами из нескольких звеньев, состоящих, в свою очередь, из резонаторов, шлейфов и т.д. Метод прототипов позволяет воспользоваться хорошо известными и табулированными значениями элементов нормированных по частоте фильтров с чебушевскими или максимально плоскими характеристиками, не касаясь сложных вопросов синтеза фильтров. Метод прототипов также освещен во всех вышеперечисленных работах ([10],[11],[12]).