свч-фильтр с регулируемыми положением частотной области пропускания и величиной пропускания в этой области

Формула изобретения

СВЧ-фильтр с регулируемыми положением частотной области пропускания и величиной пропускания в этой области, включающий отрезок волновода, содержащий частотно-селективный элемент и элемент для регулирования затухания, отличающийся тем, что частотно-селективный элемент выполнен в виде одномерного волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности в виде измененной толщины и/или диэлектрической проницаемости центрального слоя, а элемент для регулирования затухания выполнен в виде p-i-n-диодной структуры, расположенной после фотонного кристалла по направлению распространения электромагнитной волны и подключенной к источнику питания с регулируемым напряжением, при этом выбором количества и параметров слоев в фотонном кристалле определяется ширина частотной области пропускания, выбором толщины или диэлектрической проницаемости достигается настройка центральной частоты этой области, а регулированием напряжения на р-i-n-диодной структуре - управление коэффициентом пропускания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в частотно-селективных устройствах измерительной техники.

Известны СВЧ-фильтры, принцип действия которых основан на явлении волноводно-диэлектрического резонанса, представляющие собой прямоугольный волновод, включающий диэлектрический образец, частично заполняющий волновод (А.c. 566288 СССР МКИ Н01Р 1/20. Сверхвысокочастотный фильтр. Капилевич Б.Ю., Форганг С.В. Опубл. 25.07.77. Бюл. № 27).

К его недостаткам относится невозможность регулировки ослабления в полосе заграждения и узкий диапазон частотной перестройки.

Эти недостатки устранены в СВЧ-фильтре (Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1984. Вып.5. С.36-37), в котором волновод, содержащий продольный диэлектрический вкладыш, смещенный от центра волновода в сторону одной из его узких стенок, введен через вертикальную прорезь в противоположной узкой стенке диэлектрический элемент перестройки. Для регулирования затухания используют поглотитель в виде стержня, расположенного в непосредственной близости от элемента перестройки.

Недостатком этого решения является невозможность высокоскоростной перестройки, что обусловливается необходимостью осуществления механического перемещения регулирующих элементов.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому является устройство, представляющее собой короткозамкнутый отрезок прямоугольного волновода с выемкой в стенке короткозамыкателя, близкорасположенный от него металлический штырь с зазором и расположенный в выемке р-i-n-диод, подключенный к источнику питания с регулируемым напряжением (Высокодобротный низкоразмерный резонатор с электрической перестройкой. Усанов Д.А., Горбатов С.С., Сорокин А.Н., Кваско В.Ю. Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2009, т.52, № 9, с.78-80). Это устройство также может использоваться в качестве СВЧ-фильтра.

Недостатком данного устройства является невозможность его использования в режиме «на проход». Этот недостаток резко ограничивает область его применения.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности высокоскоростной селекции сигнала в режиме «на проход».

Поставленная задача достигается тем, что в СВЧ-фильтре, включающем отрезок волновода, содержащий частотно-селективный элемент и элемент для регулирования затухания, согласно решению частотно-селективный элемент выполнен в виде одномерного волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности в виде измененной толщины и/или диэлектрической проницаемости центрального слоя, а элемент для регулирования затухания выполнен в виде р-i-n-диодной структуры, расположенной после фотонного кристалла по направлению распространения электромагнитной волны и подключенной к источнику питания с регулируемым напряжением. Выбором количества и параметров слоев в фотонном кристалле определяется ширина частотной области пропускания, выбором толщины или диэлектрической проницаемости слоев достигается настройка центральной частоты этой области, а регулированием напряжения на р-i-n-диодной структуре - управление коэффициентом пропускания.

Оригинальность предлагаемого решения заключается в использовании комбинации волноводной фотонной структуры в качестве частотно-селективного элемента и р-i-n-диодной структуры в качестве элемента, управляющего затуханием.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами:

Фиг.1. Расположение фотонного кристалла и р-i-n-диодной структуры.

Фиг.2. Экспериментальные зависимости модуля коэффициента прохождения электромагнитного излучения в области окна прозрачности фотонного кристалла для различных значений величины напряжения на р-i-n-диоде, d₆=5,0 мм

Фиг.3. Экспериментальные зависимости фазы коэффициента прохождения электромагнитного излучения в области окна прозрачности фотонного кристалла для различных значений величины напряжения на р-i-n-диоде, d₆=5,0 мм

Фиг 4. Экспериментальные зависимости модуля коэффициента отражения электромагнитного излучения в области окна прозрачности фотонного кристалла для различных значений величины напряжения на р-i-n-диоде, d₆=5,0 мм

Фиг.5. Экспериментальные зависимости фазы коэффициента и отражения электромагнитного излучения в области окна прозрачности фотонного кристалла для различных значений величины напряжения на р-i-n-диоде, d₆=5,0 мм

Фиг.6. Экспериментальные зависимости модуля коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения на фиксированной частоте, соответствующей минимуму окна прозрачности фотонного кристалла при нулевом напряжении на р-i-n-диоде, от величины напряжения на р-i-n-диоде, для различных значений толщины d₆ нарушенного слоя.

Фиг.7. Экспериментальные зависимости фазы коэффициента отражения электромагнитного излучения на фиксированной частоте, соответствующей минимуму окна прозрачности фотонного кристалла при нулевом напряжении на р-i-n-диоде, от величины напряжения на р-i-n-диоде, для различных значений толщины d₆ нарушенного слоя.

Фиг.8. Экспериментальные зависимости фазы коэффициента прохождения электромагнитного излучения на фиксированной частоте, соответствующей минимуму окна прозрачности фотонного кристалла при нулевом напряжении на р-i-n-диоде, от величины напряжения на р-i-n-диоде, для различных значений толщины d₆ нарушенного слоя.

СВЧ-фильтр представляет собой отрезок волновода, содержащий частотно-селективный элемент и элемент для регулирования затухания. Частотно-селективный элемент выполнен в виде одномерного волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности в виде измененной толщины и/или диэлектрической проницаемости центрального слоя. После фотонного кристалла по направлению распространения электромагнитной волны включен элемент для регулирования затухания, выполненный в виде р-i-n-диодной структуры, подключенной к источнику питания с регулируемым напряжением. Выбором количества и параметров слоев в фотонном кристалле определяется ширина частотной области пропускания, выбором толщины или диэлектрической проницаемости достигается настройка центральной частоты этой области. Для реализации управления величиной пропускания в этой области используется р-i-n-диодная структура.

Пример практической реализации способа.

Реализовывался СВЧ-фильтр 3-сантиметрового диапазона длин волн.

Использовался 11-слойный фотонный кристалл, представляющий собой чередующиеся слои поликора ( =9.6) толщиной 1 мм и пенопласта ( =1.1) толщиной 12 мм. В кристалл было введено нарушение в виде уменьшенной до 5.5 мм, 5 мм и 4.5 мм толщины 6-го слоя (пенопласт). Расположение фотонного кристалла и p-i-n-диодной структуры представлено на фиг.1. Для реализации управления величиной пропускания в окне прозрачности использовалась р-i-n-диодная структура типа М34216-1, которая включалась в волноводный тракт совместно после фотонного кристалла. К p-i-n-диодной структуре прикладывалось управляющее напряжение в диапазоне 0-700 мВ, p-i-n-диодная структура и волноводный фотонный кристалл размещались в волноводе 3-сантиметрового диапазона длин волн.

Полученное таким образом устройство включалось в 50-омный коаксиальный тракт векторного анализатора цепей Agilent PNA-L N5230A с помощью коаксиально-волноводных переходов. С помощью этого анализатора измерялись частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения.

Экспериментальные частотные зависимости модуля и фазы коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения в области окна прозрачности волноводного фотонного кристалла для различных значений напряжения на p-i-n-диодной структуре при толщине нарушенного шестого слоя d₆=5,0 мм представлены на фиг.2-5.

На фиг.6-8 представлены зависимости амплитуды и фазы коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения на фиксированной частоте (вблизи минимума окна прозрачности) от величины напряжения на p-i-n-диоде для различных значений толщины d₆ нарушенного слоя.

Как следует из результатов, представленных на фиг.2-8, с использованием одномерного фотонного кристалла, содержащего нарушение в периодичности его слоистой структуры в виде измененной толщины центрального слоя, реализован СВЧ-фильтр трехсантиметрового диапазона длин волн с полосой пропускания до 70 МГц на уровне 3 дБ и коэффициентом пропускания, регулируемым в диапазоне от -1,5 дБ до -25 дБ при изменении напряжения прямого смещения на p-i-n-диоде от 0 до 700 мВ.

Анализ фазовых характеристик, представленных на фиг.6-8, показывает, что при изменении напряжения на p-i-n-диодной структуре, приводящем к резкому изменению величины прошедшего и отраженного СВЧ-сигнала, фаза отраженного сигнала в полосе пропускания окна прозрачности на уровне 3 дБ изменяется сравнительно слабо (не более 5°). Такое изменение фазы отраженного сигнала в полосе пропускания окна прозрачности при изменении напряжения питания на p-i-n-диодной структуре позволяет использовать одномерный фотонный кристалл с управляемым p-i-n- диодами пропусканием в качестве СВЧ-фильтра с регулируемым пропусканием с малой величиной фазовой ошибки.