ВОЛНОВОДНЫЙ РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР НА МЕТАМАТЕРИАЛЕ

Елизаров А.А., Кухаренко А.С., Назаров И.В., Закирова М.И.
МПК  Н01Р 1/20
ВОЛНОВОДНЫЙ РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР НА МЕТАМАТЕРИАЛЕ
Полезная модель относится к радиотехнике и технике СВЧ, и может быть использована в радиоэлектронной аппаратуре.
Известны волноводно-диэлектрические фильтры на основе прямоугольных волноводов с частичным заполнением плоскослоистыми магнитодиэлектрическими средами [Капилевич Б.Ю., Трубехин Е.Р. Волноводно-диэлектрические фильтрующие структуры: Справочник - М.: Радио и связь, 1990. - с. 5-9]. Недостатком таких фильтров, использующих традиционные волноведущие конструкции, являются большие поперечные размеры, определяемые поперечным сечением волновода в рабочем диапазоне длин волн, и довольно низкие значения нагруженной добротности резонансных звеньев даже при их большом числе (больше 20).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является развязывающий фильтр на грибовидном метаматериале, содержащий 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 [Патент РФ на изобретение № 2 571 385. Развязывающий фильтр на метаматериале/ А.С.Кухаренко, А.А.Елизаров. Опубл. в БИ № 35, 2015]. К недостаткам такого фильтра можно отнести его микрополосковое исполнение, что не позволяет обеспечить высокую нагруженную добротность структуры, а также использовать его для фильтрации мощных сигналов.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание волноводного режекторного фильтра СВЧ диапазона, обеспечивающего затухание не хуже 20 дБ при ширине полосы заграждения не менее 500 МГц и высокой собственной добротности структуры.
Решение технической задачи достигается тем, 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.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является обеспечение затухания не хуже 20 дБ при ширине полосы заграждения не менее 500 МГц и высокой собственной добротности структуры, что позволяет создать волноводный режекторный фильтр СВЧ диапазона.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется рисунками, где
на фиг.1 показана грибовидная структура со «шляпками грибов» в форме мальтийского креста  (а) и образование  эквивалентных индуктивности и емкости между ее соседними контурами (б); габаритные размеры отдельного контура (гриба) d = 8 мм,  e=5 мм, g = f = 1 мм, высота ножки гриба 6 мм.
на фиг.2 показана модель магнитной стенки прямоугольного волновода на основе грибовидной структуры в программе Ansoft HFSS ver.13;
11
21
на фиг.3 приведены зависимости комплексных коэффициентов отражения S и передачи S(а) и КСВН (б) от частоты для модели волноводного режекторного фильтра на метаматериале, полученные численно с помощью программы Ansoft HFSS ver.13;
на фиг.4 приведена трехмерная характеристика распределения интенсивности электромагнитного поля для модели волноводного режекторного фильтра на метаматериале на частоте 4,0 ГГц, полученная численно с помощью программы Ansoft HFSS ver.13;
Работа волноводного режекторного фильтра на метаматериале осуществляется следующим образом.
Модель режекторного фильтра выполнена на базе четвертьволнового отрезка стандартного прямоугольного волновода типа R32 с поперечным сечением 72,14х34,04 мм и критической частотой 2,079 ГГц. Одна из широких стенок волновода сделана из грибовидного метаматериала, на поверхности которого выполняются эквивалентные граничные условия, соответствующие магнитной стенке.
Идеальной магнитной стенкой называется такая стенка, на которой все тангенциальные компоненты магнитного поля и нормальные компоненты электрического поля устанавливаются равными нулю. Основной волной такого волновода, который называют ТЕМ-волноводом, является Т-волна.
Магнитная стенка выполнена на основе грибовидного метаматериала, выполненного в виде периодических ячеек, содержащих идентичные металлические элементы в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами, и имеющих геометрические размеры, много меньшие рабочей длины волны.
Распределенные колебательные контуры метаматериала со «шляпками грибов», имеющими форму, похожую на мальтийский крест, показаны на фиг.1а. Контуры могут быть представлены эквивалентной схемой, показанной на фиг.1б, и содержащей индуктивности, образованные металлическими ножками, соединенными с экраном, и емкости, сформированные между соседними контурами. Такая конструкция представляет собой линию передачи с отрицательной дисперсией, обладающую отрицательной фазовой скоростью и положительной групповой скоростью. При изменении геометрических размеров каждый из колебательных контуров, образующих магнитную стенку из метаматериала, обладает собственной добротностью Q > 100 и может иметь резонансную частоту от десятых долей до сотен ГГц.
Модель такой магнитной стенки в программе Ansoft HFSS ver.13 показана на фиг.2.
11
21
Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами компьютерного моделирования зависимостей комплексных коэффициентов отражения S и передачи S и КСВН от частоты, а также распределения интенсивности электромагнитного поля, для  модели волноводного режекторного фильтра на метаматериале, полученные численно с помощью программы Ansoft HFSS ver.13. Анализ полученных на фиг. 3 (а, б) и фиг. 4 зависимостей показывает, что  частота отсечки такого волноводного фильтра зависит от резонансных свойств метаматериала и находится вблизи 4 ГГц, где достигается минимальное затухание колебаний в диапазоне 4,0 - 4,6 ГГц, и его быстрый рост при дальнейшем увеличении частоты. Фильтр обеспечивает затухание 21-24дБ при ширине полосы заграждения 500 МГц. При помещении метаматериала, представляющего собой периодическую структуру грибовидного типа, в диэлектрическую или магнитную среду, затухание увеличивается пропорционально квадратному корню из значения относительной диэлектрической или магнитной проницаемости.
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.