ДВУХЧАСТОТНЫЙ ИНВЕРТОР ПРОВОДИМОСТИ/СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОДНОМЕРНЫХ МЕТАМАТЕРИАЛОВ, ИМЕЮЩИЙ ПОЛОСУ ЗАПИРАНИЯ МЕЖДУ РАБОЧИМИ ЧАСТОТАМИ
ONE-DIMENSIONAL METAMATERIAL-BASED DOUBLE-FREQUENCY CONDUCTIVITY/RESISTANCE INVERTER HAVING CUT-OFF BAND BETWEEN OPERATING FREQUENCIES

Изобретение относится к области микроволновой электроники, а именно к фильтрам сигналов СВЧ-диапазона.
Традиционно конструкция СВЧ-фильтра состоит из нескольких резонаторов, количество которых определяет его порядок, и элементов связи между ними. В качестве таких элементов используются инверторы проводимости/сопротивления. Определение идеального инвертора проводимости/сопротивления известно, например, из книги: Д.Л.Маттей, Л.Янг и Е.М.Т.Джонс. "Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи". М.: Связь, 1971. Т.1, с.132 [1].
В настоящее время известны различные подходы к конструированию двухполосных СВЧ-фильтров, один из которых описан в статье G.Macchiarella и S.Tamiazzo "Design Techniques for Dual-Passband Filters", опубликованной в IEEE Trans. on MTT, т.53, №11, ноябрь 2005 г.[2], где предложен фильтр с двумя полосами пропускания, разделенными полосой запирания. Для его реализации авторы использовали двухмодовые резонаторы, выполненные на основе двух резонаторов и инвертора проводимости с коэффициентом инверсии J=l. Для организации связей между двухмодовыми резонаторами были использованы классические инверторы проводимости, в состав которых входят реактивные элементы с отрицательными номиналами, реализуемые путем вычитания из номиналов соседних элементов схемы фильтра, что накладывает определенные ограничения и является недостатком представленной реализации устройства. Другим существенным недостатком реализации двухполосного фильтра с использованием классических инверторов проводимости/сопротивления является то, что полосы пропускания могут быть расположены только относительно близко одна от другой.
Для создания двухполосного фильтра с произвольным расположением полос пропускания необходимо наличие двухмодовых резонаторов и инверторов проводимости/сопротивления, обеспечивающих на центральной частоте каждой из двух полос пропускания фильтра необходимый коэффициент инверсии и фазовый набег +90°/-90°.
В статье С.Monzon "A Small Dual-Frequency Transformer in Two Sections", опубликованной в IEEE Trans. on MTT, т.51, №4, апрель 2003 г. [3], предложен двухчастотный трансформатор сопротивлений, выполненный на основе двух четвертьволновых отрезков линий передачи с различными значениями характеристического импеданса. Согласование обеспечивается на двух произвольно выбранных частотах. Четвертьволновый трансформатор может рассматриваться как инвертор проводимости/сопротивления [1]. Недостатком предложенного двухчастотного четвертьволнового трансформатора является его большая длина.
В патенте США №7116186 [4] описан двухполосный полосно-пропускающий фильтр на основе резонаторов, выполненных в виде отрезков линии передачи, нагруженных емкостным элементом. В качестве элементов связи между резонаторами применяется емкостной элемент, однако это приводит к малому уровню запирания между двумя полосами пропускания. Включение дополнительного полуволиового отрезка линии передачи реализует нуль передачи между полосами пропускания, что позволяет улучшить уровень запирания между ними, однако такой отрезок линии передачи обладает большой длиной.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является двухчастотный инвертор, описанный в статье H.-Y.Anita Yim и K.-K.Michael Cheng "Novel Dual-Band Planar Resonator and Admittance Inverter For Filter Design and Applications", опубликованной в IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest в 2005 г. [5]. Этот двухчастотный инвертор выполнен на основе четвертьволновых отрезков линий передачи с разным значением характеристического импеданса. Такой инвертор обладает одинаковым значением коэффициента инверсии J и величиной фазового набега 90° на обеих выбранных частотах. Недостатком данного устройства также являются его большие габариты. Кроме того, при некотором соотношении выбранных рабочих частот и необходимого коэффициента инверсии могут получаться значения характеристического импеданса отрезков линий передачи, которые не могут быть реализованы на практике вследствие слишком большой или слишком малой необходимой ширины отрезков линий передачи.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке усовершенствованной конструкции двухчастотного инвертора, способного работать на двух произвольно выбранных частотах (обеспечивать на каждой частоте требуемое значение коэффициента инверсии и фазовый набег +90°/-90°) и иметь полосу запирания между рабочими частотами. При этом инвертор должен быть миниатюрным и легко воспроизводимым.
1. Технический результат достигается за счет создания двухчастотного инвертора проводимости/сопротивления на основе одномерных метаматериалов, которые представляют собой отрезки искусственных длинных линий с отрицательной дисперсией. Иными словами, заявлен двухчастотный инвертор проводимости/сопротивления на основе одномерных метаматериалов, отличающийся тем, что функции инвертора реализованы на основе одномерной электрической принципиальной схемы, представляющей симметричную П-образную/Т-образную цепь, состоящую из шести реактивных элементов, а именно - трех индуктивностей: L1, L2, L3 и трех емкостей: C1, C2, С3, попарно образующих три колебательных L-C-контура, причем в случае П-образной схемы реактивные элементы соединены следующим образом: L2 и С2 образуют параллельный контур, включенный последовательно между входным и выходным портами; пары элементов L1 и С1, а также L3 и С3 образуют два одинаковых последовательных контура, подключенных параллельно один к входному, а другой к выходному портам; в случае Т-образной схемы реактивные элементы соединены следующим образом: пары элементов L1 и С1, а также L3 и С3, образуют два одинаковых параллельных контура, включенных последовательно по отношению один к другому и к входному и выходному портам; элементы L2 и С2 образуют последовательный контур, подключенный одним концом в точку соединения параллельных контуров в центре схемы; второй конец последовательного контура заземлен.
Определение метаматериалов известно, например, из книги: "Metamaterials Handbook, Vol.1: Theory and Phenomena of Metamaterials"./Под редакцией F.Capolino, Taylor and Francis - CRC Press: 2009 [6]. Классифицирование искусственных длинных линий с отрицательной дисперсией как одномерных разновидностей метаматериалов известно из книги: С.Caloz и Т.Itoh "Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications", Wiley & Sons, 2006 г. [7].
0
1
2
0
1
2
Заявляемый инвертор выполнен на основе комбинации отрезка искусственной длинной линии с отрицательной дисперсией и отрезка искусственной длинной линии с положительной дисперсией, реализуемых на элементах с сосредоточенными параметрами. На частоте f, являющейся средним геометрическим между значениями рабочих частот f и f, которые могут быть выбраны произвольно, эквивалентные электрические длины отрезков искусственных длинных линий с разным законом дисперсии равны по абсолютной величине и различаются знаком («+» для линии с положительной дисперсией и «-» для линии с отрицательной дисперсией), в результате чего суммарный фазовый набег на частоте f равен нулю. Абсолютное значение электрической длины отрезков линий выбирается таким, чтобы суммарный фазовый набег на частотах f и f составлял +90°/-90°. Характеристический импеданс обоих отрезков равен заданному значению коэффициента инверсии.
Электрическая принципиальная схема двухчастотного инвертора представляет собой симметричную П-образную/Т-образную цепь, состоящую из шести реактивных элементов, а именно - трех индуктивностей: L1, L2, L3 и трех емкостей: C1, C2, С3, которые попарно образуют три колебательных L-C-контура. В случае П-образной схемы реактивные элементы соединены следующим образом: L2 и С2 образуют параллельный контур, включенный последовательно между входным и выходным портами (разъемами); пары элементов L1 и C1, a также L3 и С3 образуют два одинаковых последовательных контура, которые подключены параллельно один ко входному, а другой к выходному портам. В случае Т-образной схемы реактивные элементы соединены следующим образом: пары элементов L1 и С1, а также L3 и С3 образуют два одинаковых параллельных контура, которые включены последовательно по отношению друг к другу и к входному и выходному портам; элементы L2 и С2 образуют последовательный контур, который одним концом подключен в точку соединения параллельных контуров в центре схемы; второй конец последовательного контура заземлен. Электрическая принципиальная схема устройства не содержит элементов с отрицательными номиналами.
Фиг.1 - Эквивалентная П-образная схема отрезка искусственной длинной линии с положительной дисперсией.
Фиг.2 - Эквивалентная Т-образная схема отрезка искусственной длинной линии с положительной дисперсией.
Фиг.3 - Эквивалентная П-образная схема отрезка искусственной длинной линии с отрицательной дисперсией.
Фиг.4 - Эквивалентная Т-образная схема отрезка искусственной длинной линии с отрицательной дисперсией.
Фиг.5 - Эквивалентная П-образная схема отрезка композитной искусственной длинной линии.
Фиг.6 - Эквивалентная Т-образная схема отрезка композитной искусственной длинной линии.
1
2
Фиг.7 - Амплитудно-частотные характеристики отрезка композитной искусственной длинной линии (на графике показано, что между рабочими частотами f и f имеет место полоса пропускания).
1
2
Фиг.8 - Фазочастотные характеристики отрезка композитной искусственной длинной линии (на графике показано, что на рабочих частотах f и f фазовый набег составляет -90°/+90°).
Фиг.9 - Электрическая принципиальная П-образная схема двухчастотного инвертора (представлена используемая комбинация отрезков искусственных длинных линий с положительной и отрицательной дисперсией).
Фиг.10 - Электрическая принципиальная Т-образная схема двухчастотного инвертора (представлена используемая комбинация отрезков искусственных длинных линий с положительной и отрицательной дисперсией).
1
2
Фиг.11 - Амплитудно-частотные характеристики двухчастотного инвертора (на графике показано, что между рабочими частотами f и fприсутствует полоса запирания).
1
2
Фиг.12 - Фазочастотные характеристики двухчастотного инвертора (на графике показано, что на рабочих частотах f и f фазовый набег составляет -90°/+90°).
Как видно из приведенных схем, заявляемое устройство представляет собой комбинацию двух отрезков искусственных длинных линий, характеризующихся различным законом дисперсии.
0
1
2
Отрезок искусственной длинной линии с положительной дисперсией имеет характеристический импеданс, равный заданному значению коэффициента инверсии, и обеспечивает необходимый отрицательный фазовый набег. В то же время отрезок искусственной длинной линии с отрицательной дисперсией обладает таким же характеристическим импедансом, но обеспечивает необходимый положительный фазовый набег. Длинная линия с отрицательной дисперсией является одномерной разновидностью метаматериалов. Частота f представляет собой среднее геометрическое между значениями рабочих частот f и f, которые могут быть выбраны произвольным образом.
Отрезки искусственных длинных линий с различным законом дисперсии могут быть реализованы в виде П-образной/Т-образной схемы на реактивных элементах с сосредоточенными параметрами. Для искусственной длинной линии с положительной дисперсией П-образная схема состоит из последовательной индуктивности и двух заземленных емкостей (Фиг.1), а Т-образная схема включает две последовательные индуктивности и одну заземленную емкость (Фиг.2).
Для искусственной длинной линии с отрицательной дисперсией П-образная схема содержит последовательную емкость и две заземленные индуктивности (Фиг.3), а в состав Т-образной схемы входят две последовательные емкости и одна заземленная индуктивность (Фиг.4).
1
2
Композитная искусственная длинная линия, которая также является одномерным метаматериалом [6, 7], может быть составлена из соответствующих элементов П-образных схем отрезков длинных линий с положительной и отрицательной дисперсией (Фиг.5) или из соответствующих элементов Т-образных схем (Фиг.6). Амплитудно-частотная характеристика такого отрезка композитной длинной линии (Фиг.7) и его фазочастотная характеристика (Фиг.8) соответствуют характеристикам инвертора проводимости/сопротивления с рабочими частотами f и f, на которых имеет место полное прохождение сигнала, а фазовый набег составляет +90°/-90°. Однако между рабочими частотами имеет место полоса пропускания, что является существенным недостатком, т.к. затрудняет реализацию двухполосных фильтров с высоким уровнем запирания между двумя полосами пропускания.
0
1
2
0
1
0
2
0
В заявляемом устройстве используется композитная искусственная длинная линия, в составе которой элементы П-образных/Т-образных схем отрезков искусственных длинных линий с положительной и отрицательной дисперсией соединяются, как показано на Фиг.9 и 10 соответственно. Благодаря свойствам используемых колебательных контуров резонанс, который в каждом из трех контуров возникает на частоте f, находящейся между рабочими частотами инвертора f и f, приводит к появлению трех нулей передаточной характеристики на этой частоте, что формирует полосу запирания между рабочими частотами. Поскольку на частоте f электрические длины отрезков длинных линий с положительной и отрицательной дисперсией равны по абсолютной величине и различаются знаком («+» для первой и «-» для второй), фазовый набег на этой частоте равен нулю. При соответствующем выборе номиналов элементов схемы на частоте f<f фазовый набег составляет -90°, а на частоте f>f фазовый набег равен +90°.
Заявляемое решение, касающееся соединения отрезков искусственных длинных линий с положительной и отрицательной дисперсией, представленного на Фиг.9 и 10, обеспечивает характеристики, представленные на Фиг.11 и 12, которые подтверждают выполнение условия двухчастотности и равенства величины фазового набега +90°/-90° на выбранных частотах, т.е. искомые свойства двухчастотного инвертора проводимости/сопротивления с полосой запирания между рабочими частотами.
Принцип реализации инвертора на основе отрезков длинных линий с положительной и отрицательной дисперсией позволяет получить все элементы схемы с положительными номиналами, благодаря чему при использовании такого инвертора в составе фильтра номиналы элементов, образующих резонаторы, не требуют дополнительной коррекции. Устройство может быть выполнено с помощью различных технологических приемов, в частности, с использованием многослойной керамической технологии LTCC, по технологии печатных плат с применением компонентов поверхностного монтажа, по монолитно-интегральной технологии. Все упомянутые технологии позволяют реализовать двухчастотный инвертор проводимости/сопротивления в виде миниатюрного устройства.
Двухчастотные инверторы проводимости/сопротивления находят применение в двухполосных СВЧ-фильтрах, в том числе перестраиваемых (если в инверторе реализована возможность перестройки наряду с перестройкой резонаторов).