Полосовой фильтр КВЧ диапазона

Полезная модель относится к технике СВЧ и предназначено для частотной селекции сигналов миллиметрового диапазона в сверхразмерных волноводных линиях. Полезная модель позволяет проводить фильтрацию сигнала в диапазоне мощностей до 1 Ватта непрерывной мощности или до 10 Ватт импульсной.
Полезная модель предназначена для использования в составе сверхразмерных металлических, металло-диэлектрических волноводах миллиметрового диапазона длин радиоволн.
В основе полезной модели лежат квазиоптическе принципы, т.е. использование в диапазоне крайне высоких частот (КВЧ) и ТГЧ-диапазоне оптических методов канализации и обработки сигналов.
Частотно-селективные поверхности (ЧСП) в виде элементов произвольной конфигурации, применяются для фильтрации электромагнитных сигналов различных частотных диапазонов (Su 1529322, CN 100395916 С, RU 2585178, US 3789404, US 4125841, US 4814785).
Известен аналог (CN 105680123 А) для полосовой селекции КВЧ сигнала в собственном волноводе. Это устройство выполнено в виде отрезка волновода миллиметрового диапазона с U-образной структурой внутри.
Полосовой фильтр отражающего действия (US 5384575) состоит из квадратной сетки.
В (US 6147572) применяется аналогичный полосовой фильтр вместе с микрополосковыми антеннами для сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Но крутизна склонов полосы пропускания устройств (селективность) сравнительно невелика. Многослойные частотно-селективные поверхности квадратного типа (US 6218978 B1 US 7639206 В2) используются для решения данной проблемы.
Изобретение (RU 2469446) состоит из частотно-селективных поверхностей и композитного материала с отрицательным коэффициентом преломления. Данный фильтр выполнен для функционирования в диапазоне 200-300 ГГц. В данном фильтре предусмотрено изменение диэлектрической проницаемости композита для перестройки частоты селекции.
Высокочастотный фильтр (US 20110304413 А1) также применяет композитный материал с отрицательным коэффициентом преломления. Центральная частота данного фильтра - 60 ГГц. Полоса пропускания 20 ГГц.
Прототипом частотно-селективной части полезной модели является поверхность (CN 104518263 А), размещенная на диэлектрической подложке, с пустотами в виде периодически повторяющихся крестов одинакового размера, имеющих металлизацию по краям. Важно отметить, что характеристики данного устройства практически идентичны для ТМ и ТЕ волн. Полоса пропускания данного фильтра около 20%.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в разработке узкополосного фильтра (полоса пропускания меньше 10%) на основе полимерного нанокомпозитного вещества и частотно-селективных поверхностей. Такой фильтр должен обладать высокой частотной избирательностью, малым собственным ослаблением, толщиной не более длин волн диапазона прозрачности, а также иметь более простую конструкцию по сравнению с прототипами.
Техническим результатом полезной модели является улучшение частотно-селективных свойств фильтра.
Полезная модель поясняется чертежом: фиг. - узкополосный КВЧ фильтр в двух проекциях. На чертеже приняты следующие обозначения: 1, 2 - металлические частотно-селективные поверхности, 3 - прослойка из полимерного композитного наноматериала, 4 - крестообразный периодически повторяющийся вырез, а - ширина выреза, Т - период.
ср
Узкополосный КВЧ фильтр с центральной частотой 140 ГГц сформирован из двух металлических поверхностей 1, 2 с апертурными элементами в виде крестов 4 и полимерной нанокомпозитной прослойки 3 с линейно возрастающей диэлектрической проницаемостью со средним значением ε=2, tgδ=0.02 и толщиной 0,05 мм (Фиг. 1).
Материал ЧСП - нержавеющая сталь, покрытая никелем. Толщина металла 0,05 мм. Толщина никеля 0,003 мм. Собственное ослабление фильтра не более 5 дБ. Полоса пропускания по уровню половины мощности (-3 дБ) меньше 10%. Характеристики фильтра не зависят от направления вектора напряженности электрического поля , а также слабо зависят от угла падения электромагнитной волны.
Узкополосный КВЧ фильтр работает следующим образом: плоская электромагнитная волна нормально падает на поверхность фильтра 1 (или 2) вдоль волноводной линии. Через крестообразные вырезы 4, сигнал с резонансной частотой практически полностью проникает сквозь металлическую поверхность 1 (или 2), а отличный от резонансной частоты - проникает лишь частично, причем в окрестности резонансной частоты прошедший сигнал больше отраженного. Полимерный композитный наноматериал 3 выполняет роль диэлектрической согласующей прослойки между двумя металлическими частотно-селективными поверхностями таким образом, что электромагнитный сигнал проходит разное электрическое расстояние между двумя металлическими поверхностями 1 и 2 из-за линейно-возрастающей диэлектрической проницаемости композита. После прохождения второй металлической частотно-селективной поверхности 2 (или 1), сигнал имеет резко выраженный частотный резонанс. Полоса пропускания измеряется по общепринятому отношению разности максимальной и минимальной частот на уровне -3 дБ (половина мощности) к резонансной частоте.
Таким образом, достигнуто сужение полосы пропускания, свидетельствующее об улучшении частотно-селективных свойств фильтра.