Исследование и разработка полосовых

Исследование и разработка полосовых фильтров диапазона 0,1-0,2 ТГц
Авторы:
С.А. Алавердян¹, А.А. Довгань², С.Ю. Молчанов¹, А.П. Креницкий¹,
В.П. Мещанов².
¹ОАО «ЦНИИИА»
²ООО «НИКА-СВЧ»
Докладчик: Сергей Юрьевич Молчанов 1988г. 25 лет инженер ОАО
«ЦНИИИА», магистр СГТУ им. Гагарина Ю.А.
Устный доклад.
canishe@yandex.ru
Аннотация.
Построена теоретическая модель полосового фильтра на основе
частотно-селективной поверхности для терагерцового диапазона частот
(0,1-0,2 ТГц). Изготовлены экспериментальные образцы однослойных и
многослойных полосовых фильтров, измерены их характеристики.
Ключевые слова: полосовой фильтр, терагерц.
Волны терагерцового диапазона находятся примерно между областью
СВЧ и инфракрасным диапазоном. Эту область называют терагерцовая щель
[1]. В этом диапазоне плохо работают как радиофизические методы
обработки сигнала, так и оптические. Длина волны от 3мм до 0,03мм. Но
многие вещества (жидкости, твердые тела, биологические объекты) имеют
информативные спектральные характеристики именно в терагерцовом
диапазоне частот. Поэтому устройства, работающие в диапазоне ТГц, могут
найти применение в медицине, материаловедении, в военных системах и
системах безопасности, а так же в промышленности. По данным отчета
«Terahertz Radiation Systems» подготовленным компанией BBC Research
США, рынок терагерцовых приборов будет увеличиваться и за 5 лет (с 2011
до 2016) должен вырасти примерно на 35%.
Для развития приборов терагерцового диапазона требуется в первую
очередь развитие элементной базы и снижение потерь по линиям передачи.
За последние годы в этой области частот потери уменьшились со 100 дБ/км
до до 1 дБ/км [2]. Для сужения рабочей области частот используют
частотно-селективные поверхности [3-4]. Периодические структуры активно
используются в качестве частотной селекции. Одним из вариантов являются
двумерные решётки коротких щелей, сформированных в металлической
фольге. Путем подбора геометрических параметров, таких, как длина,
ширина щели, а так же расстояний между ними можно получить полосовой
фильтр с требуемыми характеристиками[5]. Но при вращении фильтра в
волноводе сигнал ослабевает, щели выступают в качестве поляризатора.
Поэтому лучше использовать крест в качестве периодической структуры. По
электрофизическим свойствам он не уступает щели и к тому же является
поляризационно-нечувствительным.
Рис. 1. Полосовой фильтр для терагерцового диапазона частот.
Расчет и эксперимент.
В данной работе были проведены теоретические расчёты с
использованием метода конечных элементов в трехмерной модели,
построенной в программе HFSS и изготовлен металлический полосовой
фильтр на основе периодических структур (Рис. 1). Путем подбора толщины
фольги, размеров и ориентации крестов удалось получить полосовой фильтр
с требуемыми параметрами (Таблица 1, Рис. 2). Данный экспериментальный
образец выполнен по технологии струйного травления, описанной в [6], и
затем помещен в металлическую обойму.
Таблица №1. Параметры однослойного ТГц фильтра
Центральная частота
132 ГГц
Ширина полосы пропускания
<25 ГГц
фильтра по уровню 3дБ
Собственное ослабление
<1,5 дБ
Температурные режимы
от +85 ͦ С до -60 ͦ С
Измерения проводились в диапазоне 110-170ГГц на комплексе,
включающем в себя векторный анализатор Rohde&Schwarz ZVA-40, 2
преобразователя частоты Rohde&Schwarz WR06 ZVA-Z170 и
квазиоптический металлодиэлектрический лучевод Ø 20 мм. (Рис. 3). В
данной работе мы измеряли S-матрицу волноводных полосовых фильтров с
частотно-селективными поверхностями в виде креста. Расчетная центральная
частота фильтров составляла 132 ГГц. Характеристики полосовых фильтров
оценивали по коэффициенту S21 матрицы рассеяния.
Рис. 2. Теоретическая (а) и экспериментальная (б) кривые для частотно
селективной поверхности в виде крестов с шириной щели 50 мкм.
Рис. 1. Измерительная установка. Векторный анализатор Rohde&Schwarz ZVA-40,
преобразователи частоты Rohde&Schwarz WR06 ZVA-Z170, линия передачи.
Для улучшений характеристик мы использовали каскад частотноселективных поверхностей. Создав теоретическую модель, путем подбора
расстояния между поверхностями и их ориентации, удалось совместить
частотно-селективные поверхности с требуемой крутизной ослабления, при
этом лишь незначительно повысив собственное ослабление (Рис. 4).
Рис. 4. Частотная характеристика параметра S21 для однослойного и двухслойного
терагерцовых фильтров (с шириной щели 80 мкм).
Для однослойного полосового фильтра, ширина полосы пропускания
по уровню половины мощности (уровень -3дБ) равен 23,4 ГГц. Собственное
ослабление фильтра 1 дБ.
Для двухслойного полосового фильтра, ширина полосы пропускания
по уровню половины мощности равен 13,4 ГГц. Собственное ослабление
фильтра 2 дБ.
На Рис. 4 центральные частоты одно- и двухслойных фильтров
отличаются на 3 ГГц из-за неточности при совмещении.
На Рис. 5 изображена частотная зависимость параметра передачи для
2-хслойного и 3-хслойного полосовых фильтров. Крутизна спада у
трехслойного полосового фильтра значительно больше, чем у двухслойного
при примерно одинаковом уровне собственного ослабления. Эти
характеристики достигаются путем хорошей точности совмещения по
рассчитанным данным частотно-селективных поверхностей.
Рис. 5. Частотная характеристика параметра S21 для двухслойного и трехслойного
терагерцовых фильтров (с шириной щели 60 мкм).
Выводы.
В рамках данных исследований и разработок в ОАО «ЦНИИИА» были
созданы первые экспериментальные образцы серийных полосовых фильтров
для терагерцового диапазона частот. Экспериментальные данные хорошо
согласуются с рассчитанной теоретической моделью взаимодействия
электромагнитных волн и частотно-селективной поверхностью в форме
крестов. Получены амплитудно-частотные зависимости от ширины щели и
количества слоев частотно-селективных поверхностей.
Библиографический список
1.
Майская В. Освоение терагерцовой щели. Полупроводниковые
приборы вторгаются в субмиллиметровый диапазон. – Электроника: НТБ, 2011,
№8, с.74–87.
2.
O. Mitrofanov, R. James, F.A. Fernandez, T.K. Mavrogordatos, J.A.
Harrington Reducing transmission loses in hollow THz waveguides //IEEE Transaction
on Terahertz Science and Tecjnology. 2011. Vol. 1, No1. P. 124-132
3.
Kuznetsov S.A., Arzhannikov A.V., Kubarev V.V., Gelfand
A.V., Fedorinina N.I., Goncharov Yu.G., Kalinin P.V., Vinokurov N.A., Goldenberg
B.G., Sorolla M. Passive Metal Mesh Based Quasi-Optical Selective Components for
Subterahertz and Terahertz Applications // Proceedings of the 39th Microwave European
conference. Rome, Italy. 2009. P.826-829.
4.
Moallem M., sarabandi K. Miniaturized-element frequency selective
surfaces for millimeter-wave to terahertz applications // IEEE Transactions on Terahertz
Science and technology. 2012. Vol.2, No 3. P. 333-339.
5.
B. A. Munk. Frequency Selective Surfaces: Theroy and Design // Wiley,
New York, 2000.
6.
Алавердян С.А., Боков С.И., Булгаков В.О., Зайцев Н.А., Исаев В.М.,
Кабанов И.Н., Катушкин Ю.Ю. Комаров В.В., Креницкий А.П., Мещанов В.П.,
Савушкин С.А., Сыромятников А.В., Якунин А.С. Терагерцовый диапазон частот:
электронная компонентная база, вопросы метрологического обеспечения // Обзоры
по электронной технике, Серия 1 Электроника СВЧ, Москва ЦНИИ «Электроника»
2012.