RU2571385C1

RU2571385C1 - Decoupling filter on metamaterial

Info

Publication number: RU2571385C1
Application number: RU2014135306/08A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Кухаренко; Андрей Альбертович Елизаров
Original assignee: Александр Сергеевич Кухаренко
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2015-12-20

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: decoupling filter on metamaterial comprises a single-layer or multi-layer dielectric plate shielded on one side, having through-holes arranged periodically in rows, each hole fitted with identical metal elements in the form of distributed oscillatory loops coupled by capacitive gaps and having geometric dimensions much smaller than the operating wavelength, each oscillatory loop being an impedance conductor in the form of a square which is open at the corners, the opposite sides of which are connected at the centre by a cross-shaped impedance conductor mounted in the hole of the dielectric plate on a hollow metal leg connected to the shield.

EFFECT: wider transmission band with a high Q factor and geometric dimensions smaller than the operating wavelength.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре.The invention relates to radio and microwave technology and can be used in electronic equipment.

Известны развязывающие фильтры на сосредоточенных элементах, выполненные на основе Г-, Т- или П-образных ячеек, содержащих резисторы, подключаемые последовательно нагрузке, и емкости, подключаемые параллельно нагрузке [Изюмов Н.М., Линде Д.П. Основы радиотехники. - М.: Радио и связь, 1983, - с.52-54]. Недостатком таких фильтров с сосредоточенными постоянными являются большие потери и их малая собственная добротность в СВЧ-диапазоне.Known decoupling filters on lumped elements, made on the basis of G-, T- or U-shaped cells containing resistors connected in series to the load, and capacitances connected in parallel to the load [Izyumov N.M., Linde D.P. Fundamentals of Radio Engineering. - M .: Radio and communications, 1983, - p.52-54]. The disadvantage of such filters with concentrated constants is the large losses and their low intrinsic Q factor in the microwave range.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является композитная высокоимпедансная поверхность в виде конструкции, образованной металлическими элементами в форме шестиугольных «грибочков», размер каждого из которых много меньше рабочей длины волны [Sievenpiper D., Zhang L., Broas R., Alexopolous N.G., Yablonovitch E. //IEEE Trans. Microw. Theory. 1999. Vol.47. #11. P. 2059-2074]. Такая поверхность, имеющая импеданс, значительно превосходящий волновое сопротивление свободного пространства, равное 120π=376,7 (Ом), находит практическое применение как излучающий или отражающий элемент миниатюрных антенн и не рассматривается как фильтрующая структура.Closest to the proposed technical solution is a composite high-impedance surface in the form of a structure formed by metal elements in the form of hexagonal "mushrooms", the size of each of which is much smaller than the working wavelength [Sievenpiper D., Zhang L., Broas R., Alexopolous NG, Yablonovitch E. // IEEE Trans. Microw. Theory. 1999. Vol. 47. #eleven. P. 2059-2074]. Such a surface having an impedance significantly exceeding the free space wave impedance equal to 120π = 376.7 (Ohms) finds practical application as a radiating or reflecting element of miniature antennas and is not considered as a filtering structure.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание малогабаритного развязывающего фильтра СВЧ-диапазона, обеспечивающего затухание не хуже 100 дБ при ширине полосы пропускания не менее 100 МГц, высокой собственной добротности структуры и геометрических размерах фильтра, значительно меньших рабочей длины волны.The technical problem to which this invention is directed is the creation of a small-sized decoupling filter of the microwave range, providing attenuation of at least 100 dB with a bandwidth of at least 100 MHz, high intrinsic Q-factor of the structure and geometric dimensions of the filter, significantly shorter than the working wavelength.

Решение технической задачи достигается тем, что развязывающий фильтр содержит экранированную с одной стороны однослойную или многослойную диэлектрическую плату с периодически расположенными рядами сквозных отверстий, в каждом из которых закреплены идентичные металлические элементы в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами и имеющих геометрические размеры, много меньшие рабочей длины волны. Согласно предложенному изобретению, каждый колебательный контур представляет собой импедансный проводник, выполненный в виде квадрата, разорванного по углам, противоположные стороны которого соединены в центре крестообразным импедансным проводником, закрепленным в отверстии диэлектрической платы на полой металлической ножке, соединенной с экраном.The solution to the technical problem is achieved by the fact that the decoupling filter contains a shielded single-layer or multilayer dielectric board with periodically arranged rows of through holes, in each of which identical metal elements are fixed in the form of distributed oscillatory circuits connected by capacitive gaps and having geometric dimensions much smaller working wavelength. According to the proposed invention, each oscillatory circuit is an impedance conductor made in the form of a square torn at the corners, the opposite sides of which are connected in the center by a cross-shaped impedance conductor, fixed in the hole of the dielectric board on a hollow metal leg connected to the screen.

Одной из отличительных особенностей развязывающего фильтра может являться выполнение в одном или нескольких промежуточных слоях диэлектрической платы, между каждым распределенным колебательным контуром и экраном, импедансного проводника в виде квадрата, со стороной, равной стороне квадрата импедансного проводника колебательного контура, и разрезанного по диагоналям на четыре идентичных изолированных треугольных сектора.One of the distinguishing features of the decoupling filter may be the implementation in one or more intermediate layers of the dielectric board, between each distributed oscillatory circuit and the screen, of the impedance conductor in the form of a square, with the side equal to the square of the impedance conductor of the oscillatory circuit, and cut diagonally into four identical isolated triangular sector.

Другой отличительной особенностью развязывающего фильтра может являться выполнение в одном или нескольких промежуточных слоях диэлектрической платы, между каждым распределенным колебательным контуром и экраном импедансных проводников в виде одного или нескольких вложенных друг в друга изолированных колец, с диаметром наибольшего кольца, не превышающим сторону квадрата импедансного проводника колебательного контура.Another distinctive feature of the decoupling filter can be the implementation in one or more intermediate layers of a dielectric board, between each distributed oscillating circuit and the screen of the impedance conductors in the form of one or more insulated rings embedded in each other, with a diameter of the largest ring not exceeding the square side of the impedance conductor of the vibrational contour.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является обеспечение затухания не хуже 100 дБ при ширине полосы пропускания не менее 100 МГц, высокой собственной добротности структуры и геометрических размерах, значительно меньших рабочей длины волны, что позволяет создать малогабаритный развязывающий фильтр СВЧ диапазона.The technical result achieved in the implementation of the totality of the claimed essential features is to provide attenuation of not worse than 100 dB with a bandwidth of at least 100 MHz, high intrinsic Q-factor of the structure and geometric dimensions significantly shorter than the working wavelength, which allows you to create a small-sized decoupling filter of the microwave range .

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на фиг.1 показана конструкция и топология развязывающего фильтра на метаматериале, выполненная на диэлектрической подложке из стеклотекстолита FR4 с относительной диэлектрической проницаемостью 4,6 и габаритными размерами 100х100 мм, где цифрой 1 обозначена экранированная диэлектрическая плата, цифрой 2 - колебательные контуры с распределенными параметрами, цифрой 3 - емкостной зазор в виде двух микрополосковых линий, возбуждающий структуру метаматериала, цифрой 4 - профиль металлических элементов конструкции фильтра (диэлектрическая плата не показана), цифрой 5 - образование эквивалентных индуктивности и емкости между двумя распределенными колебательными контурами;figure 1 shows the design and topology of the decoupling filter on a metamaterial made on a dielectric substrate made of fiberglass FR4 with a relative dielectric constant of 4.6 and overall dimensions of 100x100 mm, where the number 1 denotes a shielded dielectric board, the number 2 indicates oscillatory circuits with distributed parameters, number 3 - capacitive gap in the form of two microstrip lines, exciting the structure of the metamaterial, number 4 - profile of metal elements of the filter construction (dielectric board e shown), numeral 5 - formation of equivalent inductance and distributed capacitance between the two oscillating circuit;

на фиг.2 (а, б) показаны варианты топологий развязывающего фильтра на многослойных диэлектрических платах по пп.2 и 3 формулы изобретения соответственно;figure 2 (a, b) shows the topology options decoupling filter on a multilayer dielectric boards according to claims 2 and 3 of the claims, respectively;

на фиг.3 (а, б) приведены результаты расчетов комплексного коэффициента передачи S₂₁ от частоты для рассматриваемых вариантов топологий (пп.1-3 формулы изобретения) развязывающих фильтров, полученные численно с помощью программных средств AWR Design Environment v.9.0.figure 3 (a, b) shows the results of calculations of the complex transmission coefficient S ₂₁ versus frequency for the considered topology variants (claims 1-3) of the decoupling filters obtained numerically using the AWR Design Environment v.9.0 software.

Работа развязывающего фильтра на метаматериале осуществляется следующим образом.The operation of the decoupling filter on the metamaterial is as follows.

Композитная поверхность метаматериала фильтра возбуждается с помощью емкостного зазора, образованного двумя параллельными микрополосковыми линиями 3, расположенными по краям диэлектрической платы 1 (фиг.1). Конструктивные размеры каждого из колебательных контуров 2, образующих метаматериал, много меньше рабочей длины волны возбуждения. Распределенные колебательные контуры метаматериала могут быть представлены эквивалентной схемой 5, содержащей индуктивности, образованные полыми цилиндрическими металлическими ножками, соединенными с экраном, и емкости, сформированные между соседними контурами. Такая эквивалентная схема представляет собой схему линии передачи с отрицательной дисперсией, обладающую отрицательной фазовой скоростью и положительной групповой скоростью. Каждый из идентичных колебательных контуров, образующих метаматериал, обладает собственной добротностью Q>100 и при изменении геометрических размеров может иметь резонансную частоту от 0,1 до 100 ГГц.The composite surface of the filter metamaterial is excited using a capacitive gap formed by two parallel microstrip lines 3 located at the edges of the dielectric board 1 (Fig. 1). The structural dimensions of each of the oscillatory circuits 2 forming the metamaterial are much smaller than the working excitation wavelength. The distributed oscillatory circuits of the metamaterial can be represented by an equivalent circuit 5 containing inductors formed by hollow cylindrical metal legs connected to the screen and capacitances formed between adjacent circuits. Such an equivalent circuit is a negative dispersion transmission line circuit having a negative phase velocity and a positive group velocity. Each of the identical oscillatory circuits forming the metamaterial has its own Q factor Q> 100 and, if the geometric dimensions are changed, can have a resonant frequency from 0.1 to 100 GHz.

Возможность достижения цели достигается сравнением затухания, обеспечиваемого высокоимпедансной поверхностью (метаматериала) фильтра, и импедансной металлической поверхностью, имеющей аналогичные габаритные размеры. При расположении параллельно рассматриваемым поверхностям СВЧ-излучателя, например горизонтального вибратора, в нем возникает зеркально отраженный ток, эквивалентный наличию второго излучателя. Причем этот ток будет противофазен току при наличии импедансной металлической поверхности и синфазен в случае поверхности, образованной метаматериалом. Таким образом, при синфазных токах наличие отражения усиливает излучение вибратора, а при противофазных токах излучение вибратора будет компенсироваться. Следует также подчеркнуть еще одно преимущество метаматериала - поверхностный ток не затекает на обратную сторону экранированной диэлектрической платы, что полностью уничтожает обратное излучение, всегда возникающее в излучающей структуре с импедансной металлической поверхностью.The ability to achieve the goal is achieved by comparing the attenuation provided by the high-impedance surface (metamaterial) of the filter and the impedance metal surface having similar overall dimensions. When arranged parallel to the surfaces of the microwave emitter, for example a horizontal vibrator, a mirror-reflected current arises in it, equivalent to the presence of a second emitter. Moreover, this current will be out of phase with the current in the presence of an impedance metal surface and in phase in the case of a surface formed by a metamaterial. Thus, with common-mode currents, the presence of reflection enhances the vibrator's radiation, and with antiphase currents, the vibrator's radiation will be compensated. One more advantage of the metamaterial should also be emphasized - the surface current does not flow to the back of the shielded dielectric board, which completely destroys the backward radiation that always arises in a radiating structure with an impedance metal surface.

Проведенный анализ подтверждается результатами численного эксперимента, полученными с помощью программных средств AWR Design Environment (Microwave Office v.9.0). На фиг.3а показаны зависимости комплексного коэффициента передачи S₂₁ от частоты, полученные для развязывающего фильтра с импедансной металлической поверхностью (кривая 1) и фильтра с метаматериалом, выполненного по фиг.1 (кривая 2). Сравнение данных характеристик показывает более чем двухкратный рост затухания колебаний у метаматериала 121,2 - 115,1 дБ против 55,4 - 34,8 дБ у металлической поверхности в диапазоне 4020 - 4150 МГц.The analysis is confirmed by the results of a numerical experiment obtained using the AWR Design Environment software (Microwave Office v.9.0). On figa shows the dependence of the complex transfer coefficient S ₂₁ on the frequency obtained for a decoupling filter with an impedance metal surface (curve 1) and the filter with metamaterial made in figure 1 (curve 2). A comparison of these characteristics shows a more than twofold increase in the attenuation of oscillations of the metamaterial 121.2 - 115.1 dB versus 55.4 - 34.8 dB on a metal surface in the range 4020 - 4150 MHz.

Резонансная природа метаматериала не позволяет, к сожалению, обеспечивать развязку в широкой полосе частот. Так, рассмотренная выше конструкция фильтра обеспечивает полосу пропускания 130 МГц. Расширение полосы достигается применением многослойных плат с расположением в промежуточных слоях между каждым колебательным контуром и экраном импедансных проводников в виде разрезанных по диагоналям квадратов (фиг.2а) или вложенных друг в друга изолированных колец (фиг.2б). Использование таких многослойных конструкций приводит к небольшому снижению добротности электродинамической структуры фильтра, увеличивая эквивалентные параметры индуктивности и емкости каждого колебательного контура метаматериала, и позволяет расширить полосу пропускания. На фиг.3б показаны результаты численного эксперимента, полученного для развязывающего фильтра с топологией, изображенной на фиг.2б (кривая 3), в сравнении с топологией фильтра фиг.1 (кривая 4). Сравнение результатов демонстрирует полосу пропускания 3960 - 4230 МГц для фильтра на метаматериале с изолированными кольцами, при затухании 84,3 - 94,7 МГц. Таким образом, достигается более чем двухкратное расширение полосы пропускания - до 270 МГц, при среднем снижении затухания на 28,6 дБ.The resonant nature of the metamaterial does not allow, unfortunately, to provide isolation in a wide frequency band. So, the filter design discussed above provides a passband of 130 MHz. The expansion of the strip is achieved by the use of multilayer boards with the location in the intermediate layers between each oscillating circuit and the screen of the impedance conductors in the form of squares cut along the diagonals (Fig.2a) or insulated rings embedded in each other (Fig.2b). The use of such multilayer structures leads to a small decrease in the quality factor of the electrodynamic structure of the filter, increasing the equivalent parameters of the inductance and capacitance of each oscillatory circuit of the metamaterial, and allows you to expand the passband. On figb shows the results of a numerical experiment obtained for a decoupling filter with the topology depicted in figb (curve 3), in comparison with the filter topology of fig.1 (curve 4). A comparison of the results shows the passband 3960 - 4230 MHz for the filter on a metamaterial with insulated rings, with attenuation 84.3 - 94.7 MHz. Thus, more than twofold bandwidth expansion is achieved - up to 270 MHz, with an average attenuation reduction of 28.6 dB.

Достоинством изобретения является достижение высокой собственной добротности структуры при геометрических размерах, значительно меньших рабочей длины волны, что позволяет создать малогабаритный развязывающий фильтр СВЧ-диапазона.An advantage of the invention is the achievement of high intrinsic Q-factor of the structure with geometrical dimensions significantly shorter than the working wavelength, which makes it possible to create a small-sized decoupling filter of the microwave range.

Claims

1. A decoupling filter, comprising a single-layer or multi-layer dielectric board shielded on one side with periodically arranged rows of through holes, in each of which identical metal elements are fixed in the form of distributed oscillatory circuits connected by capacitive gaps and having geometric dimensions much smaller than the working wavelength, characterized in that each oscillatory circuit is an impedance conductor made in the form of a square torn at the corners, opposite the positive sides of which are connected in the center by a cross-shaped impedance conductor, fixed in the hole of the dielectric board on a hollow metal leg connected to the screen.

2. The decoupling filter according to claim 1, characterized in that in one or more intermediate layers of the dielectric board, between each distributed oscillatory circuit and the screen, an impedance conductor is made in the form of a square, with a side equal to the square side of the impedance conductor of the oscillating circuit, and cut diagonally into four identical isolated triangular sectors.

3. The decoupling filter according to claim 1, characterized in that in one or more intermediate layers of the dielectric board, between each distributed oscillating circuit and the screen, impedance conductors are made in the form of one or more insulated resonator rings embedded in each other, with the diameter of the largest ring, not exceeding the side of the square of the impedance conductor of the oscillatory circuit.