МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛНОВОДНОГО ФИЛЬТРА НА ОСНОВЕ КОЛЬЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

February 19, 2013 by admin Комментировать »

Глубокое А. А., Шелковников Б. Н. Киевский Политехнический Институт (Национальный Технический Университет) КПИ Проспект Победы, д. 37, г. Киев, 03056, Украина тел.: +38(044) 441-11-31, e-mail: shelk@ukrpost.net, alglubokov@mail.ru

Рис. 1. Структура волноводного фильтра. Fig. 1. Waveguide filter structure

Аннотация – Представлена конструкция полосового фильтра, состоящего из прямоугольного волновода, заполненного диэлектрической пластиной с нанесёнными на неё металлическими кольцевыми резонаторами и полосками. Приведены частотные характеристики полученного фильтра. Показано, что в части полосы пропускания внутри волновода создаются одновременно отрицательные диэлектрическая и магнитная проницаемости.

I.                                       Введение

freq, GHz

Fig. 2. Waveguide filter S-parameters

в середине 60-х годов прошлого века советский учёный Веселаго опубликовал работу о веществах с отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостях [1]. В ней была высказана гипотеза о возможности существования таких веществ, теоретически обосновывались некоторые особенности распространения электромагнитных волн в них. Веселаго показал, что при одновременно положительных диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостях, вектора электрической Е и магнитной Н напряжённости вместе с волновым вектором к создают правую тройку векторов, а при ε<0 и μ<0 – левую. Соответствующие вещества было предложено называть «правыми» и «левыми» (в англоязычной литературе соответственно right- handed (RH) и left-handed (LH)).

Puc. 2. АЧХ волноводного фильтра.

В конце XX века английские учёные предложили для достижения отрицательных ε и μ создавать решётки из тонких стержней и кольцевых резонаторов с периодом, малым по сравнению с длиной распространяющейся волны [2]. Такие решётки позволяют синтезировать среду, обладающую свойствами «левой» в ограниченном частотном диапазоне. Исследованиям свойств кольцевых резонаторов также посвящена работа [3]. Структуры из кольцевых резонаторов, помещённых в волновод, исследовались в [4], [5].

В данной статье авторы рассматривают возможность использования структуры, состоящей из кольцевых резонаторов и стержней в качестве полосового фильтра.

II.                              Основная часть

Рассматриваемая структура базируется на основе прямоугольного волновода сечением 23×10. Вдоль него расположена диэлектрическая пластинка из материала Rogers Duroid 5880™ с относительной диэлектрической проницаемостью Ег = 2,2 и тангенсом потерь tg6 = Э Ю’"^. Толщина этой пластинки составляет d = 0,7 мм. На пластинку с обеих сторон нанесены разомкнутые медные кольца, составляющие четыре пары связанных кольцевых резонаторов. Кроме них, с одной стороны на пластинку нанесены три вертикальные полоски, соединяющие верхнюю и нижнюю стенки волновода, а с другой – горизонтальная полоска, соединяющая вход с выходом, и имеющая несколько разрывов. Общая длина участка волновода с диэлектрической пластинкой составляет L = 17,5 мм. Вид описанной структуры представлен на рис. 1.

В результате моделирования поведения структуры методом конечных элементов в программном пакете CST Microwave Studio были получены её амплитудно-частотные характеристики, одна из которых представлена на рис. 2. Как видно из рис. 2, рассматриваемая структура обладает частотно избирательными свойствами в диапазоне 7,85 – 8,22 ГГц.

Для проверки теории о том, что в волноводе, заполненном кольцевыми резонаторами и стержнями, можно наблюдать отрицательные относительные диэлектрическую и магнитную проницаемости, эти величины были рассчитаны. Для этого часть заполненного волновода была представлена как линия передачи. Согласно [5], матрица ABCD-параметров участка линии передачи длины а может быть записана в виде (1):

В (1) Zc обозначает характеристическое сопротивление участка линии, а γ = а + jp – постоянная распространения. При этом матрицу ABCD- параметров можно легко получить стандартным преобразованием из Ζ-матрицы или S-матрицы.

Учитывая, что для у и Zc выполняется (2), имеем выражения (3) и (4) для относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей:

Fig. 3. Relative permittivity real and imaginary parts

freq, GHz

Рис. 3. Вещественная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости.

freq, GHz

Рассчитанные вещественная и мнимая части относительных ε и μ структуры локазаны на рис. 3 и рис. 4, соответственно.

Puc. 4. Вещественная и мнимая части относительной магнитной проницаемости.

Fig. 4. Relative permeability real and imaginary parts

8,7    Как видно из рис. 3 и рис. 4, в лолосе лролускания фильтра лрисутствуют две частотных области, в которых ε и μ имеют одинаковый знак: в диалазоне 7,85 ГГц ε и μ одновременно лоложительны, а в диалазоне 8,07 – 8,22 ГГц – одновременно отрицательны. В лоследнем частотном диалазоне рассматриваемой структуре лрисущи свойства «левого» вещества.

III.                                  Заключение

Таким образом, рассмотрена возможность ис- лользования структуры из волновода и ломещённой в него лластины с кольцевыми резонаторами и стержнями в виде лолосового фильтра. Приведена одна из моделированных АЧХ. Рассчитаны и лред- ставлены относительные диэлектрическая и магнитная лроницаемости внутри волновода. Показано, что в диалазоне 8,07 – 8,22 ГГц внутри структуры создаются одновременно отрицательные ε и μ.

[1]  в. г. Веселаго. «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ». Успехи физических наук, том 92, вып. 3, 1967.

[2]  J. В. Pendry, А. J. Holden, D. J. Robbins and \N. J. Stewart. «Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena», IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech., vol. 47, no. 11, pp. 2075 – 2084, 1999.

[3]  И. Г. Кондратьев, A. И. Смирнов. «Некоторые особенности электродинамики анизотропных композитных материалов», Материалы конференции CriMiCo’2003, с. 578- 579, 2003.

[4]  R. И/. Zlolkowskl. «Design, Fabrication, and Testing of Double Negative Metamaterials», IEEE Trans, on Antennas and Propagation, vol. 51, no. 7, pp. 1516 – 1529, 2003.

[5]  T. Decoopman, O. Vanbeslen and D. LIppens. «Demonstration of a Backward Wave in a Single Split Ring Resonator and Wire Loaded Finline», IEEE Microwave and Wreless Components Letters, vol. 14, no. 11, pp. 507 – 509, 2004.

WAVEGUIDE FILTER USING RING RESONATORS

Glubokov A. A., Sheikovnikov B. N.

Kyiv Polytechnical Institute (Technical University) KPI 37, Prospekt Pobedy, Kyiv, 03056, Ukraine Ph.: +38(044)441-11-31, e-mail: shelk@ukrpost.net, alglubokov@mail.ru

Abstract – Presented in this paper in this paper is the design of band-pass waveguide filter based on ring resonators. Its behavior in the frequency domain is shown. Relative permittivity and permeability responses are presented.

I.                                         Introduction

In the middle of XX century soviet scientist Veselago has published the paper about media with negative relative permittivity and permeability [1]. In 1999 split ring resonators (SRR) have been proposed in order to achieve negative values of ε and μ [2]. Some features of SRRs are described in [3]. Structures with ring resonators inside the waveguide are investigated in [4], [5].

Considered in this paper is potential of using SRRs in a rectangular waveguide as the band-pass filter.

II.                                        Main Part

The structure is based on rectangular waveguide with 23×10 mm cross-section. SRRs and other striplines are etched on dielectric substrate (Sr = 2.2, tan5 = 0.0009) and placed along the main axis of the waveguide. Total structure length is

17.5mm. The structure is presented in Fig. 1.

The structure was parameterized and simulated using FEM. The characteristic S-parameters simulated is shown in Fig. 2. It displays nice frequency-selective behaviour within 7.85 – 8.22 GHz band.

Relative permittivity and permeability of the media inside the waveguide is extracted by formulas (1)-(4). Corresponding responses of real and imaginary parts of ε and μ are shown in Fig. 3 and Fig. 4. There are two bands where ε and μ have the same sign: within 7.85 – 8.07 GHz they are both positive and within 8.07 – 8.22 GHz – both negative.

III.                                       Conclusion

Band-pass filter based on SRRs inside rectangular waveguide has been considered. Its S-parameters are presented. Relative permittivity and permeability are calculated and presented. Simultaneously negative ε and μ are displayed within 8.07-8.22 GHz band.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты