Низкоразмерный свч фотонный кристалл



Низкоразмерный свч фотонный кристалл
Низкоразмерный свч фотонный кристалл
Низкоразмерный свч фотонный кристалл
Низкоразмерный свч фотонный кристалл

 


Владельцы патента RU 2587405:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в устройствах измерительной техники. Технический результат - уменьшение продольного размера фотонного кристалла вдоль направления распространения электромагнитной волны до величины, меньшей длины волны основного типа. Для этого в качестве элементов волноводного СВЧ фотонного кристалла, образующих периодическую последовательность, используют диэлектрические слои, полностью заполняющие волновод по перечному сечению, и тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине, при этом зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у верхней широкой стенки волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у нижней широкой стенки волновода. 4 ил.

 

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

Известен фотонный кристалл, реализованный в виде последовательно соединенных отрезков микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоски (Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов. Д.А.Усанов, А.В.Скрипаль, А.В.Абрамов, А.С.Боголюбов, М.Ю.Куликов. Известия вузов. Электроника 2008, №5, с.25-32).

Недостатком данного фотонного кристалла является большой продольный размер, а также ограниченность области применения только малыми и средними уровнями мощности СВЧ-колебаний.

Эти недостатки частично устранены в фотонном кристалле в виде отрезка волновода, содержащего семислойную структуру, представляющую собой периодически чередующиеся нечетные слои, выполненные из поликора толщиной 1 мм, и четные слои, выполненные из фторопласта толщиной 44 мм (Резонансные особенности в разрешенных и запрещенных зонах сверхвысокочастотного фотонного кристалла с нарушением периодичности. Д. А. Усанов, С. А. Никитов, А. В. Скрипаль, Д. В. Пономарев. Радиотехника и электроника 2013, т.58, №11, с.1071-1076).

Недостатком данного фотонного кристалла является большой продольный размер, превышающий более чем в 4 раза длину волны СВЧ-излучения.

Наиболее близким по габаритным размерам к предлагаемому является фотонный кристалл в виде отрезка волновода, содержащего структуру из 11 слоев, представляющую собой периодически чередующиеся нечетные слои, выполненные из поликора толщиной 1 мм, и четные слои, выполненные из пенопласта толщиной 12 мм (см. патент на изобретение RU №2407114, МПК Н01Р 1/00).

Недостатком данного фотонного кристалла является большой продольный размер, превышающий более чем в 2 раза длину волны СВЧ-излучения.

Задачей настоящего изобретения является создание СВЧ фотонного кристалла с продольным размером, меньшим длины волны основного типа.

Техническим результатом является уменьшение продольного размера фотонного кристалла вдоль направления распространения электромагнитной волны до величины, меньшей длины волны основного типа.

Указанный технический результат достигается тем, что низкоразмерный волноводный фотонный кристалл выполнен в виде волновода, содержащего элементы, периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения, согласно решению четные элементы фотонного кристалла выполнены в виде диэлектрических слоев, полностью заполняющих поперечное сечение волновода, а нечетные элементы фотонного кристалла выполнены в виде тонких металлических пластин, частично перекрывающих сечение волновода и образующих зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине, при этом зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у одной из широких стенок волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у противоположной широкой стенки волновода, ширина всех зазоров одинакова и находится в интервале от 0,0125λ до 0,0625λ, толщина диэлектрических слоев h находится в интервале от λ/(3) до λ/(9), где λ - длина волны основного типа в волноводе, соответствующая середине «запрещенной» зоны фотонного кристалла, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрических слоев.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами: на фиг.1 представлена модель фотонного кристалла, на фиг.2 - расчетные частотные зависимости коэффициента пропускания (непрерывная кривая) и отражения (пунктирная кривая) низкоразмерного фотонного кристалла с диэлектрическими слоями из фторопласта, на фиг.3 - расчетная и экспериментальная частотные зависимости коэффициента отражения низкоразмерного фотонного кристалла с диэлектрическими слоями из пенополистирола, на фиг.4 - расчетная и экспериментальная частотные зависимости коэффициента пропускания низкоразмерного фотонного кристалла с диэлектрическими слоями из пенополистирола. Позициями на фиг.1 обозначены:1 - отрезок прямоугольного волновода, 2 - верхняя стенка волновода, 3 - диэлектрические слои, 4 - нижняя стенка волновода, 5 - тонкие металлические пластины, S - величина зазора, h - толщина слоя диэлектрика.

Сущность изобретения заключается в том, что в качестве элементов волноводного СВЧ фотонного кристалла, образующих периодическую последовательность, используют диэлектрические слои, полностью заполняющие волновод по перечному сечению, и тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине. Оригинальность предлагаемого решения заключается в том, что толщина всех слоев периодической структуры предлагаемого волноводного фотонного кристалла существенно меньше длины волны основного типа в волноводе, при этом в качестве четных слоев используются диэлектрические слои, полностью заполняющие поперечное сечение волновода, а в качестве нечетных элементов - тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине, при этом зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у одной из широких стенок волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у противоположной широкой стенки волновода.

Низкоразмерный волноводный фотонный кристалл представляет собой отрезок волновода, который содержит элементы, периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения.

Четные элементы фотонного кристалла выполнены в виде диэлектрических слоев, полностью заполняющих поперечное сечение волновода. Толщина диэлектрических слоев h определяется по формуле:

h = λ / k ε ,

где λ - длина волны основного типа в волноводе, соответствующая середине «запрещенной» зоны фотонного кристалла, ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, k - численный коэффициент.

Нечетные элементы фотонного кристалла выполнены в виде тонких металлических пластин, частично перекрывающих сечение волновода и образующих зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине. Зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у верхней широкой стенки волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у нижней широкой стенки волновода. Ширина всех зазоров одинакова и находится в интервале от 0,0125λ до 0,0625λ, где λ - длина волны основного типа в волноводе, соответствующая середине «запрещенной» зоны фотонного кристалла.

Теоретическое обоснование достижения положительного эффекта.

Возможность значительного уменьшения размеров предложенного СВЧ фотонного кристалла по сравнению с известными волноводными СВЧ фотонными кристаллами обосновывается предложенной физической моделью, состоящей в том, что взаимодействие в предложенном устройстве осуществляется не по основному типу волны, а по высшим типам, источником которых является зазор между металлической пластиной и широкой стенкой волновода. В последующем элементе зазор между металлической пластиной и широкой стенкой волновода расположен у противоположной стенки волновода, так что напротив возбуждающихся на зазоре высших типов волн находится металлическая отражающая стенка. В результате этого создаются условия для существования резонанса на высших типах волн. Длины волн высших типов существенно меньше длины волны основного типа. Следствием этого является уменьшенный общий размер фотонного кристалла.

Справедливость предложенной модели обоснована результатами численного моделирования и проведенными измерениями. Численное моделирование осуществлялось с использованием метода конечных элементов в САПР Ansoft HFSS.

Исходя из минимального количества тонких металлических пластин равного 5, необходимых для получения в спектре волноводного ФК «разрешенной» и «запрещенной» зон, можно определить максимальную толщину hmax диэлектрических слоев волноводной фотонной структуры, продольный размер которой не превышает длину волны основного типа в волноводе λ, по формуле

hmax=λ /(m1-1),

где λ - длина волны основного типа в волноводе, m1 - количество тонких металлических пластин в структуре.

В результате численного моделирования было выявлено, что при соблюдении условий h ≤ hmax и ε ≤ 9,8, для получения в трехсантиметровом диапазоне длин волн в спектре пропускания предлагаемого волноводного фотонного кристалла «разрешенных» зон с потерями в интервале от 6% до 50% от глубины «запрещенной» зоны коэффициент k должен находиться в интервале значений от 3 до 9, а ширина зазора S - в интервале от 0,0125λ до 0,0625λ.

Пример практической реализации устройства.

Реализовывался фотонный кристалл 3-сантиметрового диапазона длин волн. Периодическая структура фотонного кристалла состояла из 9 слоев и размещалась в отрезке волновода сечением 23×10 мм. Четные слои структуры были выполнены из диэлектрика, полностью заполняющего поперечное сечение волновода. В качестве материала диэлектрика использовался пенополистирол (ε=1,02). Толщина диэлектрических слоев h составляла 3 мм. В качестве нечетных слоев фотонного кристалла использовались тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине. Зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом располагались у верхней широкой стенки волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у нижней широкой стенки волновода. Металлические пластины изготовлены из алюминия. Толщина каждой пластины составляла 15 мкм. Минимальная величина толщины металлической пластины должна превышать толщину скин-слоя в выбранном диапазоне частот, а максимальная величина толщины металлической пластины должна быть меньше 0,001λ. Величина каждого из зазоров между металлическими пластинами и широкой стенкой волновода составляла 1 мм. Продольный размер созданного волноводного фотонного кристалла составил 12,25 мм.

Частотные зависимости коэффициентов отражения и пропускания полученной фотонной структуры измерялись в трехсантиметровом диапазоне длин волн с помощью векторного анализатора цепей AgilentPNA-LN5230A. На фиг. 2, 3 представлены расчетные и экспериментальные частотные зависимости коэффициентов отражения и пропускания созданного фотонного кристалла. Таким образом, длина волны основного типа, распространяющейся в полученном фотонном кристалле, более чем в 2 раза превысила его продольный размер.

Низкоразмерный волноводный фотонный кристалл, выполненный в виде волновода, содержащего элементы, периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения, отличающийся тем, что четные элементы фотонного кристалла выполнены в виде диэлектрических слоев, полностью заполняющих поперечное сечение волновода, а нечетные элементы фотонного кристалла выполнены в виде тонких металлических пластин, частично перекрывающих сечение волновода и образующих зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине, при этом зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у одной из широких стенок волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у противоположной широкой стенки волновода, ширина всех зазоров одинакова и находится в интервале от 0,0125λ до 0,0625λ, толщина диэлектрических слоев h находится в интервале от λ/(3) до λ/(9), где λ - длина волны основного типа в волноводе, соответствующая середине запрещенной зоны фотонного кристалла, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрических слоев.



 

Похожие патенты:

Использование: для создания частотно-селективной высокоимпедансной поверхности. Сущность изобретения заключается в том, что частотно-селективная высокоимпедансная поверхность содержит однослойную экранированную печатную плату, с одной стороны которой выполнена импедансная решетка из связанных не менее чем двумя емкостными зазорами микрополосковых многозаходных спиралей Архимеда, в центрах которых расположены металлизированные переходные отверстия, соединенные с общим металлическим экраном, емкостные зазоры выполнены в виде микрополосковых копланарных линий.

Изобретение относится к СВЧ электронике, в частности к частотно-селективным фильтрам. Широкополосный полосно-пропускающий фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую сторону нанесен полосковый проводник, частично расщепленный с одного конца.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано для подавления внеполосных и паразитных колебаний в трактах приемопередающих систем, в том числе высокой мощности, а также для грубого измерения частоты микроволнового излучения.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат - расширение полосы пропускания при уменьшении габаритов трансформатора.

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам. Соединение между антенным устройством и устройством радиосвязи содержит фланцевые участки, включающие в себя неконтактные противостоящие поверхности и участки волновода, проходящие через неконтактные противостоящие поверхности, каждый из которых выполнен для антенного устройства и устройства радиосвязи; дроссельную канавку, сформированную вне упомянутого участка волновода на любой одной или на обеих неконтактных противостоящих поверхностях антенного устройства и устройства радиосвязи, и волновод, сформированный из упомянутых участков волновода, противостоящих один другому, с просветом между ними в состоянии, в котором антенное устройство и устройство радиосвязи прикреплены один к другому, и неконтактные противостоящие поверхности непосредственно противостоят друг другу с просветом между ними и помещаются параллельно друг другу, и при этом фланцевые участки противостоят друг другу с промежутком между ними.

Изобретение относится к СВЧ-технике. Невзаимный схемный элемент содержит: ферримагнетик, который размещен поверх схемной платы, проводящую крышку, которая закрывает верхнюю поверхность ферримагнетика и выполнена как единое целое, множество соединительных частей, которые электрически соединяют проводящую крышку с множеством соответствующих линий передачи сигналов поверх схемной платы; и магнит, который прикладывает магнитное поле к ферримагнетику.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано как оконечная нагрузка в волноводных трактах с высоким уровнем мощности и в качестве эталонной измерительной согласованной нагрузки.

Многослойный полосно-пропускающий фильтр, относящийся к микроволновой и оптической технике, содержит параллельные слои диэлектрика резонансной толщины, каждый из которых отделен один от другого и от окружающего пространства прилегающими зеркалами.

Использование: для использования аттенюатор с фиксированным затуханием при измерениях в волноводных трактах с высоким уровнем мощности. Сущность изобретения заключается в том, что СВЧ-аттенюатор содержит металлический прямоугольный волновод, поглотитель и экран, при этом волновод выполнен с высотой b узкой стенки и шириной а широкой стенки, в котором образованы два сопряженных друг с другом идентичных плавных перехода длиной L переменной высоты, уменьшающейся до b2, поглощающая поверхность каждого перехода совмещена с поглощающей поверхностью поглотителя шириной s, расположенной на одной из широких стенок волновода, а отражающая поверхность перехода расположена на противоположной широкой стенке, при условии s<a, α=arctg((b-b2)/L), где α - угол наклона перехода.

Изобретение относится к технике СВЧ и представляет собой волноводный переключатель. Переключатель содержит концентрично расположенные статор и ротор с выполненными в них волноводными каналами, узел управления, устройство фиксации ротора относительно статора и исполнительное устройство.

Изобретение относится к области радиосвязи. Технический результат изобретения заключается в повышении диапазона генерируемых колебаний, генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать устройства генерации с заданным количеством радиоканалов при любых заданных частотных характеристиках нагрузки. Способ генерации высокочастотных сигналов характеризуется тем, что нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, последовательно подключенный к цепи прямой передачи, цепь прямой передачи и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, и нагрузкой. Условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз и условия согласования одновременно выполняют на заданном количестве частот за счет выбора значений сопротивлений второго двухполюсника, реализующего сопротивление z0n источника сигнала генератора в режиме усиления, выполняют в соответствии с математическими выражениями. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и радиолокации. Технический результат изобретения заключается в обеспечении модуляции амплитуды и фазы высокочастотного сигнала при заданных зависимостях отношения модулей и разности фаз передаточной функции модулятора в двух состояниях управляемого нелинейного элемента, определяемых двумя уровнями управляющего низкочастотного сигнала. Способ амплитудно-фазовой модуляции высокочастотного сигнала характеризуется тем, что высокочастотный сигнал подают на модулятор, выполненный из четырехполюсника, управляемого двухэлектродного нелинейного элемента, источника управляющего низкочастотного сигнала и нагрузки, амплитуду и фазу высокочастотного сигнала изменяют путем изменения амплитуды управляющего низкочастотного сигнала на нелинейном элементе, при этом заданные зависимости отношения модулей и разности фаз передаточной функции модулятора и заданные зависимости модуля и фазы передаточной функции модулятора от амплитуды управляющего низкочастотного сигнала обеспечивают за счет выбора зависимости элемента матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника от частоты с помощью заданных математических выражений. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение предназначено для использования в селективных трактах радиоаппаратуры различного назначения. Фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца, и на вторую сторону также нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца. Проводники, образующие каждый из резонаторов фильтра, расположены на разных поверхностях подложки и закорочены противоположными концами. Согласно изобретению ширина полосковых проводников, образующих резонаторы, хотя бы у одного из них отличается не менее чем в 1.1 раза от ширины полосковых проводников других резонаторов. Изобретение обеспечивает расширение высокочастотной полосы заграждения при сохранении высокой технологичности конструкции. 3 ил.

Изобретение относится к усилению и демодуляции частотно-модулированных сигналов. Технический результат - увеличение линейного участка частотной демодуляционной характеристики и увеличение динамического диапазона при произвольных характеристиках нелинейного элемента, цепи внешней обратной связи и нагрузки. Для этого устройство выполнено из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, при этом четырехполюсник выполнен резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, подключенный к трехполюсному нелинейному элементу по последовательно-параллельной схеме, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включена высокочастотная нагрузка в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением, резистивный четырехполюсник выполнен в виде T-образного соединения трех резистивных двухполюсников. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции высокочастотных сигналов в радиотехнических устройствах, телевидении, системах связи и радиоканалах передачи телекоммуникационных данных. Предлагаемый фильтр гармоник содержит n последовательно соединенных отрезков линии передачи одинаковой длины, параллельно которым подключены дополнительные отрезки линии передачи, длина которых в 2 раза больше, чем длина последовательно соединенных отрезков линии передачи. Волновые сопротивления всех отрезков линии передачи имеют одинаковую величину, которая в 2,3 раза больше, чем величина сопротивления нагрузок для фильтра гармоник. В предлагаемом устройстве повышение затухания во всей полосе заграждения и увеличение крутизны скатов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) достигнуто за счет того, что фильтр гармоник представляет собой структуру, в которой дополнительно введенные отрезки линии передачи обеспечивают прохождение высокочастотного сигнала по двум путям с различными фазовыми сдвигами. Это вызывает интерференцию высокочастотных сигналов в точках подключения дополнительных отрезков линии передачи, в результате чего образуются пульсации АЧХ как в полосе заграждения, так и в полосе пропускания. АЧХ предлагаемого фильтра гармоник по своей форме соответствует эллиптическому фильтру, в котором обеспечивается повышенное затухание во всей полосе заграждения и увеличение крутизны скатов АЧХ. 4 ил.

Изобретение относится к технике СВЧ. Полосно-пропускающий фильтр содержит прямоугольный металлический корпус 1, образованный параллельными плоскими стенками 2, запредельный для центральной частоты фильтра, n металлических стержней 3, число которых равно порядку фильтра, расположенных параллельно друг другу и разделенных диэлектрическими промежутками 4, причем одни концы соседних металлических стержней 3 присоединены к противоположным плоским стенкам 2, а концы крайних металлических стержней 3 присоединены к центральным проводникам 5 коаксиальных присоединителей 6 внешних линий передачи, оболочки 7 присоединителей 6 соединены с корпусом 1. Фильтр имеет n плоских конденсаторов 8, образованных каждый диэлектрической пластиной 9 с металлизированными параллельными поверхностями 10, формирующими обкладки конденсаторов, другие концы стержней 3 присоединены к первым обкладкам конденсаторов 8, вторые обкладки которых расположены на стенках корпуса 2. Емкость С конденсаторов 8 определяется из предложенного соотношения, связывающего длину металлических стержней 3, лежащую в пределах от 1/7 до 1/10 длины волны λ на центральной частоте ω0 полосы пропускания фильтра, скорость света в вакууме, диаметр стержней 3, расстояние между параллельными металлическим стержням 3 плоскими стенками 2. Изобретение обеспечивает смещение ближайших паразитных полос пропускания фильтра в более высокочастотную область, превышающую 4-5 значений центральной частоты полосы пропускания. 2 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот. Технический результат изобретения заключается в повышении диапазона генерируемых колебаний, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные устройства генерации для средств радиосвязи с заданным количеством радиоканалов. Способ генерации высокочастотных сигналов основан на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, взаимодействии высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, выполненной из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузкой и цепью внешней обратной связи, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, условий согласования цепи прямой передачи с нагрузкой и условий согласования нагрузки с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, при этом нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, подключенный к цепи прямой передачи по параллельно-последовательной схеме. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к микрополосковым корректорам АЧХ. Микрополосковый корректор содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено металлическое основание, а на другой стороне первый проводник, концы которого являются входом и выходом корректора, и второй проводник, один конец которого подключен к первому проводнику через первый резистор, второй конец - через второй резистор. Длины проводников между точками подключения резисторов одинаковы, а волновые сопротивления микрополосковых линий, образованные первым и вторым проводниками между точками подключения резисторов, выбраны больше сопротивлений входа и выхода, а проводимость общей линии должна быть равна входной проводимости исходя из условия 1/Z1+1/(R+Z2)=1, где Z1 - нормированное волновое сопротивление первого проводника, Z2 - нормированное волновое сопротивление второго проводника, R - нормированное сопротивление резисторов. Технический результат - улучшение согласования, уменьшение габаритных размеров. 2 ил.
Наверх