RU2469446C1 - Tunable metamaterial filter of teracycle range - Google Patents
Tunable metamaterial filter of teracycle range Download PDFInfo
- Publication number
- RU2469446C1 RU2469446C1 RU2011146615/08A RU2011146615A RU2469446C1 RU 2469446 C1 RU2469446 C1 RU 2469446C1 RU 2011146615/08 A RU2011146615/08 A RU 2011146615/08A RU 2011146615 A RU2011146615 A RU 2011146615A RU 2469446 C1 RU2469446 C1 RU 2469446C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- filter
- liquid crystal
- range
- wires
- filter according
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P1/00—Auxiliary devices
- H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
- H01P1/207—Hollow waveguide filters
- H01P1/208—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure
- H01P1/2084—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure with dielectric resonators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P1/00—Auxiliary devices
- H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
- H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
- H01P1/203—Strip line filters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P1/00—Auxiliary devices
- H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
- H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
- H01P1/203—Strip line filters
- H01P1/20327—Electromagnetic interstage coupling
- H01P1/20336—Comb or interdigital filters
- H01P1/20345—Multilayer filters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P1/00—Auxiliary devices
- H01P1/24—Terminating devices
- H01P1/26—Dissipative terminations
- H01P1/262—Dissipative terminations the dissipative medium being a liquid or being cooled by a liquid
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрорадиотехники, а более конкретно - к устройствам для фильтрации электромагнитного излучения в терагерцевом диапазоне.The invention relates to the field of electro-radio engineering, and more specifically to devices for filtering electromagnetic radiation in the terahertz range.
Излучение в терагерцевом (ТГц) диапазоне - относительно новая область исследований, имеющая большое количество потенциальных приложений в системах высокоскоростной связи на близком расстоянии, в системах обеспечения безопасности, медицине, промышленности, исследовании космоса и т.д. (см. Peter de Maagt, Terahertz technology for space and earth applications, Antennas and Propagation, 2006. EuCAP 2006. First European Conference on, 6-10 Nov. 2006, pp.1-4. [1] и Withayachumnankul, W.; Abbott, D., Metamaterials in the Terahertz Regime, Photonics Journal, IEEE, Volume: 1 Issue: 2, pp.99-118) [2]. В настоящее время достигнут ощутимый прогресс в области изготовления компактных генераторов и приемников ТГц-излучения, однако до сих пор существует дефицит устройств, способных управлять ТГц-излучением (переключателей, модуляторов, фазовращателей). В основном, это вызвано наличием «ТГц щели»: природные материалы являются прозрачными для ТГц излучения и не обладают электрическим или магнитным откликом на излучения диапазона 1-3 ТГц. Для обеспечения функционирования в ТГц диапазоне необходимо создать искусственные материалы с заданными свойствами.Radiation in the terahertz (THz) band is a relatively new field of research with a large number of potential applications in high-speed communication systems at close range, in security systems, medicine, industry, space exploration, etc. (see Peter de Maagt, Terahertz technology for space and earth applications, Antennas and Propagation, 2006. EuCAP 2006. First European Conference on, 6-10 Nov. 2006, pp. 1-4. [1] and Withayachumnankul, W. ; Abbott, D., Metamaterials in the Terahertz Regime, Photonics Journal, IEEE, Volume: 1 Issue: 2, pp. 99-118) [2]. Currently, tangible progress has been achieved in the manufacture of compact THz generators and receivers, however, there is still a shortage of devices capable of controlling THz radiation (switches, modulators, phase shifters). This is mainly due to the presence of a “THz gap”: natural materials are transparent to THz radiation and do not have an electric or magnetic response to radiation in the range of 1-3 THz. To ensure functioning in the THz range, it is necessary to create artificial materials with desired properties.
Среди новых типов материалов важнейшая роль принадлежит искусственным электромагнитным материалам - метаматериалам (МТМ). Метаматериалы позволяют получить желаемые электромагнитные свойства в любом частотном диапазоне. Метаматериалы призваны решить проблему феномена «ТГц щели» и стимулировать исследования и разработки в ТГц диапазоне. Отдельные виды электромагнитных МТМ проявляют необычные свойства, такие как: отрицательная или нулевая диэлектрическая и магнитные проницаемости, отрицательный или нулевой коэффициент преломления, эффект сверхразрешения и маскировки. Ожидается, что метаматериалы позволят заполнить нишу управляемых ТГц материалов, что представляется невозможным при использовании естественных природных материалов.Among the new types of materials, the most important role belongs to artificial electromagnetic materials - metamaterials (MTM). Metamaterials make it possible to obtain the desired electromagnetic properties in any frequency range. Metamaterials are designed to solve the problem of the THz gap phenomenon and stimulate research and development in the THz range. Certain types of electromagnetic MTM exhibit unusual properties, such as negative or zero dielectric and magnetic permeabilities, negative or zero refractive index, superresolution and masking effect. It is expected that metamaterials will fill the niche of controlled THz materials, which seems impossible when using natural materials.
Проектирование метаматерилов с заданными свойствами широко обсуждается в литературе. Наиболее часто для реализации МТМ в микроволновой области, на миллиметровых волнах и ТГц диапазоне используются следующие структуры:The design of metamaterials with desired properties is widely discussed in the literature. Most often, the following structures are used to implement MTM in the microwave region, at millimeter waves and the THz range:
- МТМ на основе кольцевых резонаторов с зазором;- MTM based on ring resonators with a gap;
- МТМ на основе резонансных диэлектрических включений;- MTM based on resonant dielectric inclusions;
- МТМ на основе сегнетоэлектриков и ферромагнетиков;- MTM based on ferroelectrics and ferromagnets;
- МТМ на основе материалов с фазовым переходом;- MTM based on materials with a phase transition;
- слоистые металл-диэлектрические МТМ структуры;- layered metal-dielectric MTM structures;
- МТМ структуры, заполненные жидким кристаллом.- MTM structures filled with liquid crystal.
Вышеперечисленные структуры наиболее часто используют при создании управляемых МТМ.The above structures are most often used when creating managed MTMs.
Из уровня техники известны такие устройства на основе МТМ, которые выполняют роль резонатора нулевого порядка для мобильного терминала беспроводной передачи энергии. Такая структура описана, например, в патентной заявке США №2010/0123530 [3]. Предложенное в [3] устройство обладает свойствами метаматериала (отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемостями). Для резонатора нулевого порядка волновое число, характеризующее электромагнитную волну, равно нулю.The prior art such MTM-based devices that act as a zero-order resonator for a mobile terminal for wireless power transmission. Such a structure is described, for example, in US patent application No. 2010/0123530 [3]. The device proposed in [3] has the properties of a metamaterial (negative dielectric and magnetic permeabilities). For a zero-order resonator, the wave number characterizing an electromagnetic wave is zero.
Пример полосно-пропускающего фильтра ТГц диапазона описан в патенте США №7,483,088 [4], где предложено устройство в виде частотного селектора с перестройкой частоты, основанного на фазовой задержке, что обеспечивается использованием жидких кристаллов.An example of a THz bandpass filter is described in US Pat. No. 7,483,088 [4], which proposes a device in the form of a frequency selector with frequency tuning based on phase delay, which is ensured by the use of liquid crystals.
Описанный в [4] Lyot-фильтр представляет собой двулучепреломляющий фильтр, широко применяемый в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах излучения. Фильтр функционирует на принципах интерференции поляризованного света на стыке двулучепреломляющих элементов, оптические оси которых наклонены по отношению друг к другу. Lyot-фильтры могут быть управляемыми при использовании в них активных фазозамедляющих двулучепреломляющих элементов, таких как электрооптические кристаллы и нематические жидкие кристаллы.The Lyot filter described in [4] is a birefringent filter widely used in the visible and infrared (IR) ranges of radiation. The filter operates on the principles of interference of polarized light at the junction of birefringent elements, the optical axes of which are tilted with respect to each other. Lyot filters can be controlled by using active phase-retardant birefringent elements, such as electro-optical crystals and nematic liquid crystals.
Основной недостаток описанного изобретения - большие габариты постоянных магнитов, использованных в структуре, и большая величина магнитного поля, необходимого для управления резонансной частотой. Также частотная перестройка фильтра труднореализуема в силу того, что требует механического отклонения положения магнитов, что значительно медленнее оптического или электронного управления.The main disadvantage of the described invention is the large dimensions of the permanent magnets used in the structure, and the large magnitude of the magnetic field necessary to control the resonant frequency. Also, the frequency tuning of the filter is difficult to implement due to the fact that it requires a mechanical deflection of the position of the magnets, which is much slower than optical or electronic control.
Кроме того, уровень вносимых потерь фильтра (8 дБ) весьма высок и препятствует применению такого фильтра в некоторых устройствах. Также структура устройства крайне сложна в изготовлении.In addition, the level of filter insertion loss (8 dB) is very high and prevents the use of such a filter in some devices. Also, the structure of the device is extremely difficult to manufacture.
Наиболее близким по своим признакам к заявляемому изобретению является решение, описанное в патенте США №7,826,504 [5], где предложено устройство, состоящее из массива металлических (золотых) электрических резонансных элементов (метаматериал), размещенных на полупроводниковой подложке. МТМ элементы представляют собой резонаторы в виде проводящих рамок с изолированными зазорами или же дуальную структуру в виде непроводящих контуров с проводящими зазорами. Обе такие структуры обеспечивают управление коэффициентом передачи структуры. Предлагаются и сравниваются различные формы резонансных элементов. В массив резонансных элементов на полупроводниковой подложке встраивают диоды Шотки, в которых формируется область насыщения или обеднения заряда в области зазора. Модуляция зарядовой плотности обеспечивает 50%-ную модуляцию уровня прозрачности структуры в ТГц диапазоне, что на порядок лучше многих существующих устройств. Описанное устройство позволяет модулировать излучение в ТГц диапазоне, что, например, может использоваться в квантовом каскадном лазере.The closest in its features to the claimed invention is the solution described in US patent No. 7,826,504 [5], which proposes a device consisting of an array of metal (gold) electrical resonant elements (metamaterial) placed on a semiconductor substrate. MTM elements are resonators in the form of conductive frames with isolated gaps or a dual structure in the form of non-conductive circuits with conductive gaps. Both of these structures provide control over the transmission coefficient of the structure. Various forms of resonant elements are proposed and compared. Schottky diodes are embedded in an array of resonant elements on a semiconductor substrate, in which a region of charge saturation or depletion is formed in the gap region. Charge density modulation provides a 50% modulation of the transparency level of the structure in the THz range, which is an order of magnitude better than many existing devices. The described device allows you to modulate the radiation in the THz range, which, for example, can be used in a quantum cascade laser.
В качестве недостатков решения, описанного в [5], следует отметить невысокую эффективность устройства при использовании его в качестве полосно-пропускающего фильтра. Избирательность предложенного устройства (при его использовании в качестве полосно-пропускающего фильтра) крайне мала. Крутизна фронтов коэффициента передачи мала, вследствие чего не обеспечивается эффективная фильтрация волн определенной длины. Кроме того, перестройка по частоте такого устройства пренебрежимо мала. Другим недостатком запатентованного подхода является анизотропия большинства типов резонаторов, используемых в структурах такого типа. Такие структуры могут быть эффективно использованы лишь для одного заданного типа поляризации волн, излучаемых в ТГц диапазоне.As the disadvantages of the solution described in [5], it should be noted the low efficiency of the device when used as a band-pass filter. The selectivity of the proposed device (when used as a band-pass filter) is extremely small. The steepness of the fronts of the transmission coefficient is small, as a result of which effective filtering of waves of a certain length is not provided. In addition, the frequency tuning of such a device is negligible. Another disadvantage of the patented approach is the anisotropy of most types of resonators used in structures of this type. Such structures can be effectively used only for one given type of polarization of waves emitted in the THz range.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке полосно-пропускающего фильтра на основе метаматериалов с управляемыми параметрами. Такой фильтр должен иметь относительно простую конструкцию и при этом обеспечивать высокую частотную избирательность ТГц излучения, а также обладать более высокой прозрачностью для излучения ТГц диапазона по сравнению с прототипом [5].The problem to which the invention is directed, is to develop a band-pass filter based on metamaterials with controlled parameters. Such a filter should have a relatively simple design and at the same time provide a high frequency selectivity of THz radiation, and also have a higher transparency for THz radiation compared to the prototype [5].
Технический результат достигается за счет разработки перестраиваемого метаматериального фильтра терагерцевого диапазона, причем такой фильтр отличается от прототипа тем, что содержит, по меньшей мере, один блок, состоящий из:The technical result is achieved by developing a tunable metamaterial filter of the terahertz range, and such a filter differs from the prototype in that it contains at least one block consisting of:
по меньшей мере, двух слоев, каждый из которых представляет собой пересекающиеся провода; при этом между двумя соседними слоями пересекающихся проводов размещен, по меньшей мере, один слой нематического жидкого кристалла с расположенной под ним диэлектрической подложкой, на которой размещены проводящие плоские элементы крестообразной формы (например, в виде крестообразно пересекающихся полосок);at least two layers, each of which represents intersecting wires; between two adjacent layers of intersecting wires, at least one layer of a nematic liquid crystal is placed with a dielectric substrate located under it, on which conductive flat cross-shaped elements are placed (for example, in the form of cross-shaped intersecting strips);
диэлектрической подложки, на который расположен нижний слой пересекающихся проводов, и управляющих электродов, подающих напряжение на нематический жидкий кристалл и размещенных на противоположных боковых поверхностях указанного фильтра.a dielectric substrate on which the lower layer of intersecting wires is located, and control electrodes supplying voltage to the nematic liquid crystal and placed on opposite side surfaces of the specified filter.
Следует уточнить, что в предпочтительном варианте реализации заявляемого изобретения полосно-пропускающий фильтр был выполнен на основе метаматериалов с управляемыми параметрами и работал в нижней части ТГц диапазона (0,2-3 ТГц).It should be clarified that in the preferred embodiment of the invention, the band-pass filter was made on the basis of metamaterials with controlled parameters and worked in the lower part of the THz range (0.2-3 THz).
Заявляемое изобретение работает по тому же принципу, что и резонатор нулевого порядка, но в изобретении реализована возможность перестройки параметров устройства (рабочей частоты фильтра).The claimed invention works on the same principle as the zero-order resonator, but the invention realizes the possibility of tuning the device parameters (filter operating frequency).
Одним из отличительных признаков заявляемого изобретения является то, что предложенная структура независима по отношению к поляризации внешней электромагнитной волной. Это обеспечивается за счет симметричности предложенной структуры. При этом уровень вносимых потерь ниже, чем у известных авторам аналогов.One of the distinguishing features of the claimed invention is that the proposed structure is independent with respect to polarization by an external electromagnetic wave. This is ensured by the symmetry of the proposed structure. Moreover, the level of insertion loss is lower than that of analogues known to the authors.
Также устройство выполнено с возможностью использования в качестве ключа в ТГц диапазоне, обеспечивая функционирование в режиме передачи или отражения на заданной частоте в зависимости от уровня управляющего сигнала.Also, the device is configured to be used as a key in the THz range, providing operation in the transmission or reflection mode at a given frequency depending on the level of the control signal.
Заявляемый перестраиваемый метаматериальный фильтр терагерцевого диапазона имеет рабочую частоту в окрестностях плазменной частоты среды из проводов. При этом, исходя из заданного значения плазменной частоты, определяют требуемые сечение (толщину) проводов и период массива проводов, причем провода в заявляемом фильтре могут иметь сечение любой формы.The inventive tunable terahertz metamaterial filter has an operating frequency in the vicinity of the plasma frequency of the medium from the wires. In this case, based on a given value of the plasma frequency, determine the required cross-section (thickness) of the wires and the period of the array of wires, and the wires in the inventive filter can have a cross section of any shape.
Рабочая частота полосно-пропускающего фильтра перестраивается за счет изменения напряжения.The working frequency of the pass-pass filter is tuned by changing the voltage.
В различных вариантах практической реализации диапазоны изменения напряжения выбирались таким образом, чтобы диэлектрическая проницаемость жидкого кристалла была либо больше 1, либо в пределах 1-3, либо в пределах 2-3.In various embodiments of the practical implementation, the voltage variation ranges were chosen so that the dielectric constant of the liquid crystal was either greater than 1, or in the range 1-3, or in the range 2-3.
Характерно, что заявляемая структура образована несколькими слоями пересекающихся проводов, заполненными нематическим жидким кристаллом. Среда из проводов обладает свойствами искусственной электрической плазмы с плазменной частотой в области ТГц или ближней ИК области (по сравнению с оптическими частотами, характерными для металлов, в которых электронный газ обладает свойствами плазмы). На плазменной частоте для среды из проводов, на которой эффективная диэлектрическая проницаемость системы близка к нулю, структура проявляет свойства резонатора нулевого порядка. В заявленной структуре передача возможна в узкой полосе вблизи плазменной частоты.It is characteristic that the claimed structure is formed by several layers of intersecting wires filled with a nematic liquid crystal. The wire medium has the properties of an artificial electric plasma with a plasma frequency in the THz region or in the near IR region (compared with the optical frequencies characteristic of metals in which electron gas has plasma properties). At the plasma frequency for a medium of wires, at which the effective dielectric constant of the system is close to zero, the structure exhibits the properties of a zero-order resonator. In the claimed structure, transmission is possible in a narrow band near the plasma frequency.
Применение нематического жидкого кристалла с переменной диэлектрической проницаемостью обеспечивает управление плазменной частотой. Диэлектрическая проницаемость нематического жидкого кристалла изменяется под воздействием приложенного напряжения. В альтернативной реализации заявляемого изобретения диэлектрическую проницаемость жидкого кристалла изменяют посредством изменения температуры, а не напряжения.The use of a nematic liquid crystal with a variable dielectric constant provides control of the plasma frequency. The dielectric constant of a nematic liquid crystal changes under the influence of an applied voltage. In an alternative implementation of the claimed invention, the dielectric constant of the liquid crystal is changed by changing the temperature, and not the voltage.
Структура обладает свойствами полосно-пропускающего фильтра. Геометрия структуры обеспечивает требуемую ширину области пропускания и крутизну кривой частотной зависимости коэффициента передачи.The structure has the properties of a bandpass filter. The geometry of the structure provides the required width of the transmission region and the steepness of the curve of the frequency dependence of the transmission coefficient.
Для обеспечения частотной избирательности полосно-пропускающего фильтра ТГц диапазона структура дополнена металлическими полосками. Полоски расположены между слоями проводов и обеспечивают больший наклон правой части кривой передаточной характеристики (выше плазменных частот) и более ярко выраженные фильтровые характеристики (частотную избирательность).To ensure the frequency selectivity of the THz bandpass filter, the structure is supplemented with metal strips. The strips are located between the layers of wires and provide a greater slope of the right side of the curve of the transfer characteristic (above the plasma frequencies) and more pronounced filter characteristics (frequency selectivity).
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с привлечением графических материалов.For a better understanding of the claimed invention the following is a detailed description with the involvement of graphic materials.
На Фиг.1 изображены два слоя пересекающихся проводов, образующих среду из проводов, при этом виды 1.1 и 1.2 - соответственно верхний и нижний слои пересекающихся проводящих проводов сечением (толщиной) r.Figure 1 shows two layers of intersecting wires, forming a medium of wires, with types 1.1 and 1.2, respectively, the upper and lower layers of intersecting conductive wires with a section (thickness) r.
На Фиг.2 изображен модуль коэффициента передачи для среды, состоящей из 2, 3 и 4 слоев пересекающихся проводов.Figure 2 shows the transmission coefficient module for a medium consisting of 2, 3 and 4 layers of intersecting wires.
На Фиг.3 изображены: вид 3.1 - разрез и вид 3.2 - вид сверху метаматериального перестраиваемого полосно-пропускающего фильтра.Figure 3 shows: view 3.1 - section and view 3.2 - top view of a metamaterial tunable band-pass filter.
1.1 - верхний слой проводящих проводов;1.1 - the upper layer of conductive wires;
1.2 - нижний слой проводящих проводов;1.2 - the bottom layer of conductive wires;
2 - подложка самого нижнего слоя пересекающихся проводов;2 - the substrate of the lowest layer of intersecting wires;
3 - металлические полоски;3 - metal strips;
4 - подложка для металлических полосок;4 - substrate for metal strips;
5 - нематический жидкий кристалл;5 - nematic liquid crystal;
6 - электроды, предназначенные для изменения электрических свойств жидкого кристалла.6 - electrodes designed to change the electrical properties of a liquid crystal.
На Фиг.4 изображен модуль коэффициента передачи фильтра при наличии/отсутствии металлических полосок.Figure 4 shows the module of the transmission coefficient of the filter in the presence / absence of metal strips.
Фиг.5 показывает модуль коэффициента передачи для структуры с двумя слоями проводов и одним слоем полосок для трех значений диэлектрической проницаемости ЖК εLC.Figure 5 shows the coefficient of transmission coefficient for a structure with two layers of wires and one layer of strips for three values of the dielectric constant of the LC ε LC .
Фиг.6 показывает предпочтительную структуру фильтра, состоящую из двух одинаковых блоков, каждый из которых состоит из двух слоев пересекающихся проводов, и одного слоя полосок в виде крестов, расположенных на подложке и находящихся в жидком кристалле.6 shows a preferred filter structure consisting of two identical blocks, each of which consists of two layers of intersecting wires, and one layer of strips in the form of crosses located on a substrate and located in a liquid crystal.
Фиг.7 показывает модуль коэффициента передачи фильтра, состоящего из четырех слоев: два слоя проводов и два слоя полосок для различных значений проводимости жидкого кристалла для трех значений диэлектрической проницаемости ЖК εLC, где вид 7.1 - линейная шкала, вид 7.2 - шкала в Дб.Fig.7 shows the modulus of the transmission coefficient of a filter consisting of four layers: two layers of wires and two layers of strips for different values of the conductivity of the liquid crystal for three values of the dielectric constant of the LCD ε LC , where view 7.1 is a linear scale, view 7.2 is a scale in dB.
Рабочая частота заявляемой структуры соответствует плазменной частоте. Волновое число структуры на плазменной частоте kp определяется геометрией структуры и рассчитывается по формуле, известной из доклада М.Hudlicka, J.Machac, and I.S.Nefedov, A triple wire medium as an isotropic negative permittivity metamaterial, Progress In Electromagnetics Research, Vol.65, 233-246, 2006 [6]:The operating frequency of the claimed structure corresponds to the plasma frequency. The wave number of the structure at the plasma frequency k p is determined by the geometry of the structure and is calculated by the formula known from the report by M. Hudlicka, J. Machac, and ISNefedov, A triple wire medium as an isotropic negative permittivity metamaterial, Progress In Electromagnetics Research, Vol. 65, 233-246, 2006 [6]:
где р - период структуры (расстояние между соседними проводами), r - сечение проводов. Соответствующая ей плазменная частота определяется выражением:where p is the period of the structure (the distance between adjacent wires), r is the cross section of the wires. The corresponding plasma frequency is determined by the expression:
где с - скорость света, εh - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической матрицы, в которой расположены провода.where c is the speed of light, ε h is the dielectric constant of the material of the dielectric matrix in which the wires are located.
Провода в слоях 1.1 и 1.2 могут иметь круглое, квадратное или любой другой формы сечение, что не влияет на свойства структуры. Для частот ТГц диапазона характерный размер сечения проводов составляет единицы микрометров.The wires in layers 1.1 and 1.2 can have a round, square or any other shape of the cross section, which does not affect the properties of the structure. For the frequencies of the THz range, the characteristic cross-sectional size of the wires is a few micrometers.
Для бесконечно протяженной среды из проводов распространение электромагнитных волн на частотах ниже плазменной невозможно. Электромагнитные волны распространяются только на частотах выше плазменной. Для конечного числа слоев из проводов вблизи плазменной частоты наблюдается резонанс, вызванный взаимодействием между соседними слоями. Количество резонансных пиков зависит от числа слоев, использованных в структуре (Фиг.2). Здесь и далее f0 - центральная (рабочая) частота фильтра, f - переменная частота.For an infinitely extended medium from wires, the propagation of electromagnetic waves at frequencies below the plasma is impossible. Electromagnetic waves propagate only at frequencies above the plasma. For a finite number of layers of wires near the plasma frequency, resonance is observed due to the interaction between adjacent layers. The number of resonant peaks depends on the number of layers used in the structure (Figure 2). Hereinafter f 0 is the central (working) frequency of the filter, f is a variable frequency.
В заявляемой структуре два слоя сформированы пересекающимися медными проводами. При такой реализации в области плазменных частот среда из проводов имеет только один резонанс на характеристике коэффициента передачи (см. Фиг.2). В этой частотной области электромагнитная волна проходит через структуру без потерь и отражения.In the claimed structure, two layers are formed by intersecting copper wires. With this implementation, in the field of plasma frequencies, the medium from the wires has only one resonance on the characteristic of the transmission coefficient (see Figure 2). In this frequency domain, an electromagnetic wave passes through the structure without loss and reflection.
В частном случае расстояние между соседними проводами равно периоду решетки рx=рy=рz=Р и составляет десятки микрометров. Нижние слои 1.2 проводов расположены на диэлектрической подложке 2 (Фиг.3). С целью использования заявляемой структуры в качестве полосно-пропускающего фильтра ТГц диапазона геометрические параметры структуры оптимизированы для реализации изолированной узкой полосы пропускания. Структура фильтра дополнена металлическими полосками 3, расположенными на диэлектрической подложке 4 с малым уровнем потерь, находящейся между металлическими плоскостями. Полоски обеспечивают увеличение крутизны правой части фронта характеристики передачи (Фиг.4), что улучшает избирательность фильтра. Для обеспечения изотропных свойств в двух направлениях металлические полоски выполнены пересекающимися в двух ортогональных направлениях и формируют кресты. Полоски выполнены из проводящего материала.In the particular case, the distance between adjacent wires is equal to the lattice period p x = p y = p z = P and amounts to tens of micrometers. The lower layers 1.2 of the wires are located on the dielectric substrate 2 (Figure 3). In order to use the claimed structure as a THz bandpass filter, the geometric parameters of the structure are optimized to implement an isolated narrow passband. The filter structure is supplemented by
Перестройка фильтра обеспечивается нематическим жидким кристаллом (ЖК) 5, заполняющим пространство между верхним слоем пересекающихся проводов и слоем, в котором расположены пересекающиеся полоски 4 (см Фиг.3). Слой ЖК обеспечивает перестройку структуры за счет изменения прикладываемого напряжения. Для обеспечения отклонения молекул жидкого кристалла и изменения его проницаемости два управляющих электрода 6 расположены на двух противоположных сторонах структуры. ЖК с коэффициентом преломления, изменяющимся на величину Δn>0.33, обеспечивает изменение диэлектрической проницаемости ЖК в диапазоне εLC>1, в зависимости от напряжения, приложенного к боковым электродам. В качестве варианта, имеет смысл изменять диэлектрическую проницаемость жидкого кристалла от 2 до 3, обеспечивая диапазон перестройки фильтра не менее 13% (Фиг.5).The reconstruction of the filter is provided by a nematic liquid crystal (LC) 5 filling the space between the upper layer of intersecting wires and the layer in which the intersecting strips 4 are located (see Figure 3). Layer LCD provides the restructuring of the structure by changing the applied voltage. To ensure the deviation of the liquid crystal molecules and changes in its permeability, two
Форма коэффициента передачи также может быть предварительно сформирована путем изменения геометрических параметров структуры. Центральная частота, амплитуда проходящего сигнала и ширина полосы пропускания зависят от периода структуры и поперечного сечения (толщины) проводов.The shape of the transmission coefficient can also be preformed by changing the geometric parameters of the structure. The center frequency, the amplitude of the transmitted signal, and the bandwidth depend on the period of the structure and the cross section (thickness) of the wires.
Кроме того, количество блоков фильтров может быть увеличено, что позволяет сформировать более узкую полосу пропускания фильтра с центральной частотой f0. Так, например, для фильтра, состоящего из двух идентичных блоков 7 и 8 (Фиг.6), коэффициент преломления будет выглядеть, как показано на Фиг.7.In addition, the number of filter blocks can be increased, which allows to form a narrower filter passband with a central frequency f 0 . So, for example, for a filter consisting of two
Заявляемое изобретение может быть применено для разработки:The claimed invention can be applied to develop:
- перестраиваемого полосно-пропускающего фильтра в системе ТГц источников и приемников для фильтрации ТГц излучения в диапазоне 0,2-3 ТГц;- tunable band-pass filter in a system of THz sources and receivers for filtering THz radiation in the range of 0.2-3 THz;
- переключающего устройства, обеспечивающего работу системы в режиме полного пропускания или запирания.- a switching device that ensures the operation of the system in full transmission or locking mode.
Список литературыBibliography
1. Peter de Maagt, Terahertz technology for space and earth applications, Antennas and Propagation, 2006. EuCAP 2006. First European Conference on, 6-10 Nov. 2006, pp.1-4.1. Peter de Maagt, Terahertz technology for space and earth applications, Antennas and Propagation, 2006. EuCAP 2006. First European Conference on, 6-10 Nov. 2006, pp. 1-4.
2. Withayachumnankul, W.; Abbott, D., Metamaterials in the Terahertz Regime, Photonics Journal, IEEE, Volume: 1 Issue: 2, pp.99-118.2. Withayachumnankul, W .; Abbott, D., Metamaterials in the Terahertz Regime, Photonics Journal, IEEE, Volume: 1 Issue: 2, pp. 99-118.
3. US Patent No.: US 2010/0123530 A1, published May 20, 2010. "Apparatus for wireless power transmission using high Q low frequency near magnetic field".3. US Patent No .: US 2010/0123530 A1, published May 20, 2010. "Apparatus for wireless power transmission using high Q low frequency near magnetic field".
4. US Patent No.: US 7,483,088 B2, published Jan. 27, 2009. "Tunable terahertz wavelength selector device using magnetically controlled birefringence of liquid crystal".4. US Patent No .: US 7,483,088 B2, published Jan. 27, 2009. "Tunable terahertz wavelength selector device using magnetically controlled birefringence of liquid crystal."
5. US Patent No.: US 7,826,504 B2, published Nov. 2, 2010. "Active terahertz metamaterial devices".5. US Patent No .: US 7,826,504 B2, published Nov. 2, 2010. "Active terahertz metamaterial devices".
6. M.Hudlicka, J.Machac, and I.S.Nefedov, A triple wire medium as an isotropic negative permittivity metamaterial. Progress In Electromagnetics Research, Vol.65, 233-246, 2006.6. M. Hudlicka, J. Machac, and I. S. Nefedov, A triple wire medium as an isotropic negative permittivity metamaterial. Progress In Electromagnetics Research, Vol. 65, 233-246, 2006.
Claims (8)
- по меньшей мере, двух слоев, каждый из которых представляет собой пересекающиеся провода; причем между двумя соседними слоями пересекающихся проводов размещен, по меньшей мере, один слой нематического жидкого кристалла с расположенной под ним диэлектрической подложкой, на которой размещены проводящие плоские элементы крестообразной формы;
- диэлектрической подложки, на который расположен нижний слой пересекающихся проводов, и
- управляющих электродов, выполненных с возможностью подачи напряжения на нематический жидкий кристалл и размещенных на противоположных боковых поверхностях указанного фильтра.1. Tunable terahertz metamaterial filter, characterized in that it contains at least one block, consisting of:
- at least two layers, each of which represents intersecting wires; moreover, between two adjacent layers of intersecting wires placed at least one layer of a nematic liquid crystal with a dielectric substrate located under it, on which conductive flat cross-shaped elements are placed;
- a dielectric substrate on which the lower layer of intersecting wires is located, and
- control electrodes, configured to supply voltage to the nematic liquid crystal and placed on opposite side surfaces of the specified filter.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011146615/08A RU2469446C1 (en) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | Tunable metamaterial filter of teracycle range |
| KR1020120054449A KR101928440B1 (en) | 2011-11-17 | 2012-05-22 | Tunable terahertz metamaterial filter |
| US13/678,826 US8958050B2 (en) | 2011-11-17 | 2012-11-16 | Tunable terahertz metamaterial filter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011146615/08A RU2469446C1 (en) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | Tunable metamaterial filter of teracycle range |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2469446C1 true RU2469446C1 (en) | 2012-12-10 |
Family
ID=48663596
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011146615/08A RU2469446C1 (en) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | Tunable metamaterial filter of teracycle range |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101928440B1 (en) |
| RU (1) | RU2469446C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2551265C1 (en) * | 2013-12-12 | 2015-05-20 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Method of determining optical metamaterial and device therefor |
| RU185342U1 (en) * | 2017-12-11 | 2018-11-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | UHF bandpass filter |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102466673B1 (en) | 2016-01-13 | 2022-11-14 | 삼성전자주식회사 | Electro-optic tunable filters |
| CN113381193B (en) * | 2020-03-10 | 2022-06-14 | 哈尔滨工业大学 | Liquid crystal reconfigurable frequency selective surface |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2052871C1 (en) * | 1992-02-12 | 1996-01-20 | Вячеслав Михайлович Осипенков | Strip band-pass filter |
| RU2259619C2 (en) * | 2003-11-13 | 2005-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" (ГОУВПО "МЭИ(ТУ)") | Bandpass filter |
| WO2008121159A2 (en) * | 2006-10-19 | 2008-10-09 | Los Alamos National Security Llc | Active terahertz metamaterial devices |
| RU79718U1 (en) * | 2008-06-16 | 2009-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | MICROWAVE MICROWAVE BAND FILTER FILTER |
| RU85772U1 (en) * | 2008-11-25 | 2009-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Радиокомпоненты" | TUNABLE BAND FILTER FILTER |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007116573A (en) | 2005-10-24 | 2007-05-10 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Array antenna |
-
2011
- 2011-11-17 RU RU2011146615/08A patent/RU2469446C1/en active
-
2012
- 2012-05-22 KR KR1020120054449A patent/KR101928440B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2052871C1 (en) * | 1992-02-12 | 1996-01-20 | Вячеслав Михайлович Осипенков | Strip band-pass filter |
| RU2259619C2 (en) * | 2003-11-13 | 2005-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" (ГОУВПО "МЭИ(ТУ)") | Bandpass filter |
| WO2008121159A2 (en) * | 2006-10-19 | 2008-10-09 | Los Alamos National Security Llc | Active terahertz metamaterial devices |
| US7826504B2 (en) * | 2006-10-19 | 2010-11-02 | Los Alamos National Security, Llc | Active terahertz metamaterial devices |
| RU79718U1 (en) * | 2008-06-16 | 2009-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | MICROWAVE MICROWAVE BAND FILTER FILTER |
| RU85772U1 (en) * | 2008-11-25 | 2009-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Радиокомпоненты" | TUNABLE BAND FILTER FILTER |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2551265C1 (en) * | 2013-12-12 | 2015-05-20 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Method of determining optical metamaterial and device therefor |
| RU185342U1 (en) * | 2017-12-11 | 2018-11-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | UHF bandpass filter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101928440B1 (en) | 2018-12-12 |
| KR20130054902A (en) | 2013-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8958050B2 (en) | Tunable terahertz metamaterial filter | |
| US10802301B2 (en) | Active metasurfaces for dynamic polarization conversion | |
| Simovski et al. | High-impedance surfaces having stable resonance with respect to polarization and incidence angle | |
| US9405136B2 (en) | Magnetic-free non-reciprocal devices exhibiting non-reciprocity through angular momentum biasing | |
| JP5671455B2 (en) | Optical metapolarizer device | |
| Dincer et al. | Asymmetric transmission of linearly polarized waves and dynamically wave rotation using chiral metamaterial | |
| Vendik et al. | Tunable metamaterials for controlling THz radiation | |
| KR20110071065A (en) | Metamaterials for surfaces and waveguides | |
| RU2469446C1 (en) | Tunable metamaterial filter of teracycle range | |
| Urruchi et al. | Note: Tunable notch filter based on liquid crystal technology for microwave applications | |
| Kolmakova et al. | Simple example of polarization plane rotation by the fringing fields interaction | |
| Mehdian et al. | Optical and magneto-optical properties of plasma-magnetic metamaterials | |
| Feng et al. | Tunable single-negative metamaterials based on microstrip transmission line with varactor diodes loading | |
| Farzami et al. | Experimental realization of tunable transmission lines based on single-layer SIWs loaded by embedded SRRs | |
| Xiang et al. | Switchable zero-index metamaterials by loading positive-intrinsic-negative diodes | |
| Novin et al. | Tunable frequency selective surface based on IDC-loaded electric-LC resonator incorporated with liquid crystal | |
| Wang et al. | Magnetically controlled zero-index metamaterials based on ferrite at microwave frequencies | |
| Lv et al. | Tunable liquid crystal metasurface with polarization selection characteristic | |
| Dutta et al. | Advance 3D FSS with several transmission zeros for S, C and X frequency | |
| Tanaka et al. | Electrically controlled millimeter-wave transmission properties of stack-layered liquid crystal cells with metal substrates | |
| Saha et al. | Mode-splitting Phenomena and Enhanced Notch Depth in Microstrip Transmission Line Loaded with Two Similar Square-shaped Split Ring Resonators | |
| Li et al. | Electrical biasing substrate integrated waveguide tunable band-pass filter with liquid crystal technology | |
| Li et al. | High selectivity tunable filtering power divider based on liquid crystal technology for microwave applications | |
| Chen et al. | Comparative analysis of split-ring resonators for tunable negative permeability metamaterials based on anisotropic dielectric substrates | |
| Saha et al. | Study on Resonant Microstrip Line Coupled to a Double-gap Split Ring Resonator for Various Microwave Filter Applications |