Расчет и моделирование работы волнового режекторного фильтра - Курсовая работа

В этом плане в системах передачи информации, радарах, измерительном оборудовании, а также средствах радиоэлектронной борьбы, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн, удобно применять волноводные фильтры. Однако в настоящее время прежние технологии, которые были настолько многообещающими примерно два десятилетия назад, достигли своих пределов в уменьшении размеров СВЧ-устройств, поэтому поиск инновационных подходов к развитию микроволновой техники на сегодняшний момент является бурно развивающейся областью исследований, о чем свидетельствуют многочисленные публикации известных ученых. Полученные результаты позволяют сделать выводы о преимуществах использования метаматериалов в различных типах волноводных фильтров с целью улучшения их параметров. Стоит отметить, что полоса запирания волноводных фильтров, основанных на метаматериалах, является довольно узкой, что накладывает некоторые ограничения на области возможной реализации искусственной периодической структуры. Современное представление о метаматериалах как композитных сред, обладающих уникальными свойствами, сложилось благодаря нескольким обширным направлениям в научных исследованиях.

Одной из наиболее важных проблем современной радиоэлектронной промышленности является защита средств связи и различной радиоаппаратуры от всевозможных частотных помех и обеспечение их нормального функционирования в условиях шумового электромагнитного поля. В этом плане в системах передачи информации, радарах, измерительном оборудовании, а также средствах радиоэлектронной борьбы, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн, удобно применять волноводные фильтры. Их основным преимуществом является высокая собственная добротность, а значит, минимальный уровень потерь и более качественная частотная селективность. Это позволяет существенно улучшить характеристики многих СВЧ-устройств, делая их с меньшими массогабаритными показателями и более низким волновым сопротивлением.

Яркие изменения в технологиях производства и конструкциях радиоэлектронных устройств привели к существенной их компактности и миниатюризации. Однако в настоящее время прежние технологии, которые были настолько многообещающими примерно два десятилетия назад, достигли своих пределов в уменьшении размеров СВЧ-устройств, поэтому поиск инновационных подходов к развитию микроволновой техники на сегодняшний момент является бурно развивающейся областью исследований, о чем свидетельствуют многочисленные публикации известных ученых.

Одним из возможных решений существующих проблем является использование искусственных периодических структур - метаматериалов. Метаматериалы - это новая и перспективная область развития радиотехнологий. Возможное существование таких структур было теоретически доказано советским физиком Виктором Веселаго в 1967 году. С тех пор накоплен широкий спектр теоретических исследований, и в настоящее время метаматериалы активно изучаются как приложения радиотехники. Уникальные свойства, которые демонстрируют метаматериалы различной конструкции, предлагают большие возможности их практического применения в рассматриваемой области.

Метаматериалы стали потенциальными кандидатами для применения в устройствах передачи энергии для повышения их качества и производительности. Представленное исследование подтверждает теоретически выведенные свойства искусственных периодических структур. Полученные результаты позволяют сделать выводы о преимуществах использования метаматериалов в различных типах волноводных фильтров с целью улучшения их параметров. Среди прочего, этот научный проект открывает новые перспективы для модернизации волноводной техники в направлении уменьшения размеров устройств.

Стоит отметить, что полоса запирания волноводных фильтров, основанных на метаматериалах, является довольно узкой, что накладывает некоторые ограничения на области возможной реализации искусственной периодической структуры. Однако в данной работе предлагаются возможные варианты решения этой проблемы посредством применения диэлектрических материалов в основании грибовидных структур, что также дает предпосылки для дальнейших исследований в этом направлении.

1. Обзор проблематики и постановка задачи исследования

1.1 Историческая справка

Современное представление о метаматериалах как композитных сред, обладающих уникальными свойствами, сложилось благодаря нескольким обширным направлениям в научных исследованиях. Во-первых, понимание особенностей формирования метаматериалов было бы невозможно без работ в области изучения искусственных структур. А во-вторых, значительным шагом к созданию метаматериалов стали предположения о возможности существования отрицательного коэффициента преломления и распространения обратной волны.

Так еще с XIX века известен эксперимент Джагадиса Чандры Бозе, который показал наличие поляризационных свойств у созданных им объектов с особой конфигурацией. Затем уже в 1914 году Карл Фердинанд Линдман стремился выявить взаимодействие волн с искусственной киральной средой, состоящей из маленьких металлических спиралей, расположенных с хаотичной ориентацией на фиксирующей поверхности. Также стоит упомянуть микроволновые линзы, впервые созданные Уинстоном Е. Коком в 1946-1948 годах. Они представляли собой совокупность периодически расположенных проводящих дисков и сфер, а также металлических полосок. Данная искусственно созданная структура имела необычный по величине эффективный индекс преломления и являлась фактически первым метаматериалом.

Тем не менее, без обнаружения эффекта отрицательного преломления и распространения обратных волн дальнейшее развитие физики метаматериалов было бы затруднено. Возможно, первым, кто предположил существование подобных волн, фаза которых движется в направлении, противоположном направлению движения потока энергии, был Х. Лэмб. Однако Лэмб изучал чисто механические, а не электромагнитные волны. Инициатором аналогичного обсуждения в электромагнетизме был А. Шустер, который в своей книге «Введение в теорию оптики» выдвигает предположения об обратных волнах и вытекающих из этого последствиях для оптического преломления. Примерно в то же время, Г.К. Поклингтон в заметке «Рост волновой группы при групповой скорости отрицателен» показал, что в конкретной среде внезапно активированный источник может создать волну, групповая скорость которой будет направлена от источника, в то время как фазовая скорость, наоборот, обращена к нему.

О предполагаемых эффектах вспомнили лишь через несколько десятилетий, когда в 1940-х годах обратные волны получили свое применение в СВЧ-устройствах. Большой прорыв в этой области совершили лекции Л.И. Мандельштама, где физик, обстоятельно изучив вопрос, сообщает об особенностях инверсного распространения волн и характерном для этого случая отклонении луча в противоположную от нормали к поверхности среды сторону. Но наиболее важный вклад в развитие теории отрицательного преломления бесспорно внес советский физик В.Г. Веселаго. В своих публикациях он раскрыл концепцию, посвященную веществам с отрицательными значениями одновременно и ?, и ?, а также выведенным из уравнений Максвелла отрицательным коэффициентом преломления. Более того, ученый не просто предложил свою гипотезу, но и дал подробное объяснение явлениям, характерным для прохождения электромагнитных волн через подобные среды, а также ввел понятие «леворуких» и «праворуких» сред.

Поскольку в природе веществ с отрицательными магнитной и диэлектрической проницаемостями нет, существенным рывком на пути к становлению современного представления о метаматерилах стали искусственные микроструктуры. Они построены из разрезных колец и прямоугольных проводящих отрезков, которые могут иметь значения эффективной магнитной и диэлектрической проницаемостей, недоступные в естественных материалах. Примечательно, что именно в этой научной публикации упоминается, что размеры исследуемой структуры намного меньше длины волны излучения, что позволяет воспринимать композит из разрозненных элементов как непрерывный материал в некоторой частотной полосе.

Основываясь на идее Дж. Пендри и используя комбинацию из описанных им структур, американский ученый Дэвид Смит сумел впервые создать материал с отрицательным показателем преломления для волн сантиметрового диапазона. Двойные разрезные кольца и медные стержни, располагающиеся в определенном порядке в диэлектрической основе, вместе создавали метаматериал. Проведенные измерения показали, что предложенный композит обладает отрицательными эффективными значениями ? и ?. Таким образом, были экспериментально подтверждены гипотезы, выдвинутые В.Г. Веселаго, что привело к всплеску научного интереса к разработке различных конфигураций метаматериалов и изучению их свойств.

В ходе работы были решены следующие задачи: - изучены свойства метаматериалов и принципы построения частотно-селективных поверхностей на их основе;

- была разработана конструкция режекторного фильтра на базе прямоугольного волновода с широкой стенкой из метаматериала;

- создана компьютерная модель фильтра и произведены количественные расчеты электромагнитного поля в программе Ansoft HFSS.

- было проведено исследование волноводного режекторного фильтра со стенкой из грибовидного метаматериала на основе компьютерной модели: - получены основные параметры распространения электромагнитных волн в волноводе.

В результате осуществленной работы и анализа количественных характеристик частотных зависимостей коэффициентов передачи и отражения, а также КСВН были сделаны выводы о влиянии метаматериала на распространение электромагнитных волн в прямоугольном волноводе, выявлены возможности практического применения устройств, выполненных с использованием метаматериалов, в устройствах СВЧ-диапазона и определены перспективы для проведения дальнейших исследований в этой области. Отдельно стоит отметить возможность создания на базе рассмотренной конструкции Т-волновода, в котором будет распространяться поперечная волна.

1. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ? и ? / В.Г. Веселаго // Успехи физических наук, 1967. № 9. С. 517-526.

2. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы / В. Слюсар // Электроника: НТБ, 2009. № 7. С. 70-79.

3. Кухаренко А. Практическое использование метаматериалов в конструкциях устройств СВЧ / Кухаренко А., Елизаров А. Германия: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016.

4. Bose J.C. On the rotation of plane of polarization of electric waves by a twisted structure / J.C. Bose // Proc. Roy. Soc., 1898. №. 63. P. 146-152.

5. Kock W.E. Metal-lens antennas / W.E. Kock // Proc. Inst. Radio. Engrs. and Waves and Electrons, 1946. № 34. Р. 828-836.

6. Kock W.E. Metallic delay lenses / W.E. Kock // Bell Sys. Tech. J., 1948. № 27. Р. 58-82.

7. Pocklington H.C. Growth of a wave-group when the group velocity is negative / H.C. Pocklington // Nature, 1905. № 71. Р. 607-608.

8. Pendry J.B. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena / J.B. Pendry, A.J. Holden, D.J. Robbins, W.J. Stewart // IEEE Trans. Microw. Theory. Tech, 1999. V 47. № 11. P. 2075-2084.

9. Smith D.R. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity / D.R. Smith // Physical Review Letters, 2000. V. 84. №. 18 P. 4184-4187.

10. Вендик И.Б. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот / И.Б. Вендик, О.Г. Вендик // Журнал технической физики, 2013. Т. 83. Вып. 1. С. 3-28.

11. Caloz Ch. Electromagnetic metamaterials: transmission line theory and microwave applications: the engineering approach / Ch. Caloz, T. Itoh // Wiley and IEEE Press, 2006. - Р. 376.

12. Munk B.A. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design / B.A. Munk // New York: John Wiley & Sons, 2000. - Р. 440.

13. Sievenpiper D.F. High-impedance electromagnetic surfaces / D.F. Sievenpiper // Los Angeles, University of California, 1999. - P. 162.

14. Awasthi S. Compact bandstop filter using triangular metamaterial mushroom resonators / S. Awasthi, A. Biswas, M.J. Akhtar // Microwave Conference Proceedings (APMC), 2012. - Р. 217-219.

15. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ / Лебедев И.В. - Т. 1. - М. : Высшая школа, 1970. - 440с.

16. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование / В. Фуско : пер. с англ. - М. : Радио и связь, 1990. - 288с.

17. Курушин А.А. Проектирование СВЧ структур с помощью HFSS. Учебное пособие / Курушин А.А., Титов А.П. - М., МГИЭМ, 2003. - 176с.

18. Банков С.Е. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР / Банков С.Е., Курушин А.А. - М., 2008. - 276с.

Размещено на .ru