ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ МЕТАМАТЕРИАЛЬНЫЙ ФИЛЬТР ТЕРАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА
TUNABLE METAMATERIAL FILTER OF TERACYCLE RANGE

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а более конкретно - к устройствам для фильтрации электромагнитного излучения в терагерцевом диапазоне.
Излучение в терагерцевом (ТГц) диапазоне - относительно новая область исследований, имеющая большое количество потенциальных приложений в системах высокоскоростной связи на близком расстоянии, в системах обеспечения безопасности, медицине, промышленности, исследовании космоса и т.д. (см. Peter de Maagt, Terahertz technology for space and earth applications, Antennas and Propagation, 2006. EuCAP 2006. First European Conference on, 6-10 Nov. 2006, pp.1-4. [1] и Withayachumnankul, W.; Abbott, D., Metamaterials in the Terahertz Regime, Photonics Journal, IEEE, Volume: 1 Issue: 2, pp.99-118) [2]. В настоящее время достигнут ощутимый прогресс в области изготовления компактных генераторов и приемников ТГц-излучения, однако до сих пор существует дефицит устройств, способных управлять ТГц-излучением (переключателей, модуляторов, фазовращателей). В основном, это вызвано наличием «ТГц щели»: природные материалы являются прозрачными для ТГц излучения и не обладают электрическим или магнитным откликом на излучения диапазона 1-3 ТГц. Для обеспечения функционирования в ТГц диапазоне необходимо создать искусственные материалы с заданными свойствами.
Среди новых типов материалов важнейшая роль принадлежит искусственным электромагнитным материалам - метаматериалам (МТМ). Метаматериалы позволяют получить желаемые электромагнитные свойства в любом частотном диапазоне. Метаматериалы призваны решить проблему феномена «ТГц щели» и стимулировать исследования и разработки в ТГц диапазоне. Отдельные виды электромагнитных МТМ проявляют необычные свойства, такие как: отрицательная или нулевая диэлектрическая и магнитные проницаемости, отрицательный или нулевой коэффициент преломления, эффект сверхразрешения и маскировки. Ожидается, что метаматериалы позволят заполнить нишу управляемых ТГц материалов, что представляется невозможным при использовании естественных природных материалов.
Проектирование метаматерилов с заданными свойствами широко обсуждается в литературе. Наиболее часто для реализации МТМ в микроволновой области, на миллиметровых волнах и ТГц диапазоне используются следующие структуры:
- МТМ на основе кольцевых резонаторов с зазором;
- МТМ на основе резонансных диэлектрических включений;
- МТМ на основе сегнетоэлектриков и ферромагнетиков;
- МТМ на основе материалов с фазовым переходом;
- слоистые металл-диэлектрические МТМ структуры;
- МТМ структуры, заполненные жидким кристаллом.
Вышеперечисленные структуры наиболее часто используют при создании управляемых МТМ.
Из уровня техники известны такие устройства на основе МТМ, которые выполняют роль резонатора нулевого порядка для мобильного терминала беспроводной передачи энергии. Такая структура описана, например, в патентной заявке США №2010/0123530 [3]. Предложенное в [3] устройство обладает свойствами метаматериала (отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемостями). Для резонатора нулевого порядка волновое число, характеризующее электромагнитную волну, равно нулю.
Пример полосно-пропускающего фильтра ТГц диапазона описан в патенте США №7,483,088 [4], где предложено устройство в виде частотного селектора с перестройкой частоты, основанного на фазовой задержке, что обеспечивается использованием жидких кристаллов.
Описанный в [4] Lyot-фильтр представляет собой двулучепреломляющий фильтр, широко применяемый в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах излучения. Фильтр функционирует на принципах интерференции поляризованного света на стыке двулучепреломляющих элементов, оптические оси которых наклонены по отношению друг к другу. Lyot-фильтры могут быть управляемыми при использовании в них активных фазозамедляющих двулучепреломляющих элементов, таких как электрооптические кристаллы и нематические жидкие кристаллы.
Основной недостаток описанного изобретения - большие габариты постоянных магнитов, использованных в структуре, и большая величина магнитного поля, необходимого для управления резонансной частотой. Также частотная перестройка фильтра труднореализуема в силу того, что требует механического отклонения положения магнитов, что значительно медленнее оптического или электронного управления.
Кроме того, уровень вносимых потерь фильтра (8 дБ) весьма высок и препятствует применению такого фильтра в некоторых устройствах. Также структура устройства крайне сложна в изготовлении.
Наиболее близким по своим признакам к заявляемому изобретению является решение, описанное в патенте США №7,826,504 [5], где предложено устройство, состоящее из массива металлических (золотых) электрических резонансных элементов (метаматериал), размещенных на полупроводниковой подложке. МТМ элементы представляют собой резонаторы в виде проводящих рамок с изолированными зазорами или же дуальную структуру в виде непроводящих контуров с проводящими зазорами. Обе такие структуры обеспечивают управление коэффициентом передачи структуры. Предлагаются и сравниваются различные формы резонансных элементов. В массив резонансных элементов на полупроводниковой подложке встраивают диоды Шотки, в которых формируется область насыщения или обеднения заряда в области зазора. Модуляция зарядовой плотности обеспечивает 50%-ную модуляцию уровня прозрачности структуры в ТГц диапазоне, что на порядок лучше многих существующих устройств. Описанное устройство позволяет модулировать излучение в ТГц диапазоне, что, например, может использоваться в квантовом каскадном лазере.
В качестве недостатков решения, описанного в [5], следует отметить невысокую эффективность устройства при использовании его в качестве полосно-пропускающего фильтра. Избирательность предложенного устройства (при его использовании в качестве полосно-пропускающего фильтра) крайне мала. Крутизна фронтов коэффициента передачи мала, вследствие чего не обеспечивается эффективная фильтрация волн определенной длины. Кроме того, перестройка по частоте такого устройства пренебрежимо мала. Другим недостатком запатентованного подхода является анизотропия большинства типов резонаторов, используемых в структурах такого типа. Такие структуры могут быть эффективно использованы лишь для одного заданного типа поляризации волн, излучаемых в ТГц диапазоне.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке полосно-пропускающего фильтра на основе метаматериалов с управляемыми параметрами. Такой фильтр должен иметь относительно простую конструкцию и при этом обеспечивать высокую частотную избирательность ТГц излучения, а также обладать более высокой прозрачностью для излучения ТГц диапазона по сравнению с прототипом [5].
Технический результат достигается за счет разработки перестраиваемого метаматериального фильтра терагерцевого диапазона, причем такой фильтр отличается от прототипа тем, что содержит, по меньшей мере, один блок, состоящий из:
по меньшей мере, двух слоев, каждый из которых представляет собой пересекающиеся провода; при этом между двумя соседними слоями пересекающихся проводов размещен, по меньшей мере, один слой нематического жидкого кристалла с расположенной под ним диэлектрической подложкой, на которой размещены проводящие плоские элементы крестообразной формы (например, в виде крестообразно пересекающихся полосок);
диэлектрической подложки, на который расположен нижний слой пересекающихся проводов, и управляющих электродов, подающих напряжение на нематический жидкий кристалл и размещенных на противоположных боковых поверхностях указанного фильтра.
Следует уточнить, что в предпочтительном варианте реализации заявляемого изобретения полосно-пропускающий фильтр был выполнен на основе метаматериалов с управляемыми параметрами и работал в нижней части ТГц диапазона (0,2-3 ТГц).
Заявляемое изобретение работает по тому же принципу, что и резонатор нулевого порядка, но в изобретении реализована возможность перестройки параметров устройства (рабочей частоты фильтра).
Одним из отличительных признаков заявляемого изобретения является то, что предложенная структура независима по отношению к поляризации внешней электромагнитной волной. Это обеспечивается за счет симметричности предложенной структуры. При этом уровень вносимых потерь ниже, чем у известных авторам аналогов.
Также устройство выполнено с возможностью использования в качестве ключа в ТГц диапазоне, обеспечивая функционирование в режиме передачи или отражения на заданной частоте в зависимости от уровня управляющего сигнала.
Заявляемый перестраиваемый метаматериальный фильтр терагерцевого диапазона имеет рабочую частоту в окрестностях плазменной частоты среды из проводов. При этом, исходя из заданного значения плазменной частоты, определяют требуемые сечение (толщину) проводов и период массива проводов, причем провода в заявляемом фильтре могут иметь сечение любой формы.
Рабочая частота полосно-пропускающего фильтра перестраивается за счет изменения напряжения.
В различных вариантах практической реализации диапазоны изменения напряжения выбирались таким образом, чтобы диэлектрическая проницаемость жидкого кристалла была либо больше 1, либо в пределах 1-3, либо в пределах 2-3.
Характерно, что заявляемая структура образована несколькими слоями пересекающихся проводов, заполненными нематическим жидким кристаллом. Среда из проводов обладает свойствами искусственной электрической плазмы с плазменной частотой в области ТГц или ближней ИК области (по сравнению с оптическими частотами, характерными для металлов, в которых электронный газ обладает свойствами плазмы). На плазменной частоте для среды из проводов, на которой эффективная диэлектрическая проницаемость системы близка к нулю, структура проявляет свойства резонатора нулевого порядка. В заявленной структуре передача возможна в узкой полосе вблизи плазменной частоты.
Применение нематического жидкого кристалла с переменной диэлектрической проницаемостью обеспечивает управление плазменной частотой. Диэлектрическая проницаемость нематического жидкого кристалла изменяется под воздействием приложенного напряжения. В альтернативной реализации заявляемого изобретения диэлектрическую проницаемость жидкого кристалла изменяют посредством изменения температуры, а не напряжения.
Структура обладает свойствами полосно-пропускающего фильтра. Геометрия структуры обеспечивает требуемую ширину области пропускания и крутизну кривой частотной зависимости коэффициента передачи.
Для обеспечения частотной избирательности полосно-пропускающего фильтра ТГц диапазона структура дополнена металлическими полосками. Полоски расположены между слоями проводов и обеспечивают больший наклон правой части кривой передаточной характеристики (выше плазменных частот) и более ярко выраженные фильтровые характеристики (частотную избирательность).
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с привлечением графических материалов.
На Фиг.1 изображены два слоя пересекающихся проводов, образующих среду из проводов, при этом виды 1.1 и 1.2 - соответственно верхний и нижний слои пересекающихся проводящих проводов сечением (толщиной) r.
На Фиг.2 изображен модуль коэффициента передачи для среды, состоящей из 2, 3 и 4 слоев пересекающихся проводов.
На Фиг.3 изображены: вид 3.1 - разрез и вид 3.2 - вид сверху метаматериального перестраиваемого полосно-пропускающего фильтра.
1.1 - верхний слой проводящих проводов;
1.2 - нижний слой проводящих проводов;
2 - подложка самого нижнего слоя пересекающихся проводов;
3 - металлические полоски;
4 - подложка для металлических полосок;
5 - нематический жидкий кристалл;
6 - электроды, предназначенные для изменения электрических свойств жидкого кристалла.
На Фиг.4 изображен модуль коэффициента передачи фильтра при наличии/отсутствии металлических полосок.
LC
Фиг.5 показывает модуль коэффициента передачи для структуры с двумя слоями проводов и одним слоем полосок для трех значений диэлектрической проницаемости ЖК ε.
Фиг.6 показывает предпочтительную структуру фильтра, состоящую из двух одинаковых блоков, каждый из которых состоит из двух слоев пересекающихся проводов, и одного слоя полосок в виде крестов, расположенных на подложке и находящихся в жидком кристалле.
LC
Фиг.7 показывает модуль коэффициента передачи фильтра, состоящего из четырех слоев: два слоя проводов и два слоя полосок для различных значений проводимости жидкого кристалла для трех значений диэлектрической проницаемости ЖК ε, где вид 7.1 - линейная шкала, вид 7.2 - шкала в Дб.
p
Рабочая частота заявляемой структуры соответствует плазменной частоте. Волновое число структуры на плазменной частоте k определяется геометрией структуры и рассчитывается по формуле, известной из доклада М.Hudlicka, J.Machac, and I.S.Nefedov, A triple wire medium as an isotropic negative permittivity metamaterial, Progress In Electromagnetics Research, Vol.65, 233-246, 2006 [6]:
где р - период структуры (расстояние между соседними проводами), r - сечение проводов. Соответствующая ей плазменная частота определяется выражением:
h
где с - скорость света, ε - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической матрицы, в которой расположены провода.
Провода в слоях 1.1 и 1.2 могут иметь круглое, квадратное или любой другой формы сечение, что не влияет на свойства структуры. Для частот ТГц диапазона характерный размер сечения проводов составляет единицы микрометров.
0
Для бесконечно протяженной среды из проводов распространение электромагнитных волн на частотах ниже плазменной невозможно. Электромагнитные волны распространяются только на частотах выше плазменной. Для конечного числа слоев из проводов вблизи плазменной частоты наблюдается резонанс, вызванный взаимодействием между соседними слоями. Количество резонансных пиков зависит от числа слоев, использованных в структуре (Фиг.2). Здесь и далее f - центральная (рабочая) частота фильтра, f - переменная частота.
В заявляемой структуре два слоя сформированы пересекающимися медными проводами. При такой реализации в области плазменных частот среда из проводов имеет только один резонанс на характеристике коэффициента передачи (см. Фиг.2). В этой частотной области электромагнитная волна проходит через структуру без потерь и отражения.
x
y
z
В частном случае расстояние между соседними проводами равно периоду решетки р=р=р=Р и составляет десятки микрометров. Нижние слои 1.2 проводов расположены на диэлектрической подложке 2 (Фиг.3). С целью использования заявляемой структуры в качестве полосно-пропускающего фильтра ТГц диапазона геометрические параметры структуры оптимизированы для реализации изолированной узкой полосы пропускания. Структура фильтра дополнена металлическими полосками 3, расположенными на диэлектрической подложке 4 с малым уровнем потерь, находящейся между металлическими плоскостями. Полоски обеспечивают увеличение крутизны правой части фронта характеристики передачи (Фиг.4), что улучшает избирательность фильтра. Для обеспечения изотропных свойств в двух направлениях металлические полоски выполнены пересекающимися в двух ортогональных направлениях и формируют кресты. Полоски выполнены из проводящего материала.
LC
Перестройка фильтра обеспечивается нематическим жидким кристаллом (ЖК) 5, заполняющим пространство между верхним слоем пересекающихся проводов и слоем, в котором расположены пересекающиеся полоски 4 (см Фиг.3). Слой ЖК обеспечивает перестройку структуры за счет изменения прикладываемого напряжения. Для обеспечения отклонения молекул жидкого кристалла и изменения его проницаемости два управляющих электрода 6 расположены на двух противоположных сторонах структуры. ЖК с коэффициентом преломления, изменяющимся на величину Δn>0.33, обеспечивает изменение диэлектрической проницаемости ЖК в диапазоне ε>1, в зависимости от напряжения, приложенного к боковым электродам. В качестве варианта, имеет смысл изменять диэлектрическую проницаемость жидкого кристалла от 2 до 3, обеспечивая диапазон перестройки фильтра не менее 13% (Фиг.5).
Форма коэффициента передачи также может быть предварительно сформирована путем изменения геометрических параметров структуры. Центральная частота, амплитуда проходящего сигнала и ширина полосы пропускания зависят от периода структуры и поперечного сечения (толщины) проводов.
0
Кроме того, количество блоков фильтров может быть увеличено, что позволяет сформировать более узкую полосу пропускания фильтра с центральной частотой f. Так, например, для фильтра, состоящего из двух идентичных блоков 7 и 8 (Фиг.6), коэффициент преломления будет выглядеть, как показано на Фиг.7.
Заявляемое изобретение может быть применено для разработки:
- перестраиваемого полосно-пропускающего фильтра в системе ТГц источников и приемников для фильтрации ТГц излучения в диапазоне 0,2-3 ТГц;
- переключающего устройства, обеспечивающего работу системы в режиме полного пропускания или запирания.
Список литературы
1. Peter de Maagt, Terahertz technology for space and earth applications, Antennas and Propagation, 2006. EuCAP 2006. First European Conference on, 6-10 Nov. 2006, pp.1-4.
2. Withayachumnankul, W.; Abbott, D., Metamaterials in the Terahertz Regime, Photonics Journal, IEEE, Volume: 1 Issue: 2, pp.99-118.
3. US Patent No.: US 2010/0123530 A1, published May 20, 2010. "Apparatus for wireless power transmission using high Q low frequency near magnetic field".
4. US Patent No.: US 7,483,088 B2, published Jan. 27, 2009. "Tunable terahertz wavelength selector device using magnetically controlled birefringence of liquid crystal".
5. US Patent No.: US 7,826,504 B2, published Nov. 2, 2010. "Active terahertz metamaterial devices".
6. M.Hudlicka, J.Machac, and I.S.Nefedov, A triple wire medium as an isotropic negative permittivity metamaterial. Progress In Electromagnetics Research, Vol.65, 233-246, 2006.