mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2025-13-3-84-91NHBOSKmireabulletin-1180Research ArticleСОВРЕМЕННЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫMODERN RADIO ENGINEERING AND TELECOMMUNICATION SYSTEMSУправление амплитудно-частотной характеристикой узкополосного фильтра для X-диапазона частот на основе фотонного кристалла с подвижным цилиндрическим дефектомControl of the frequency response of a narrow-band filter for the X-band frequency based on a photonic crystal with a movable cylindrical defecthttps://orcid.org/0000-0003-4777-7346РябовЕ. А.RyabovE. A.

Рябов Евгений Александрович, ассистент, кафедра физики твердого тела410012, Россия, Саратов, ул. Астраханская, д. 83

Evgeny A. Ryabov, Assistant, Department of Solid State Physics, Institute of Physics83, Astrakhanskaya ul., Saratov, 410012 Russia

k1u2r3ka@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0003-3212-6484АндреевА. А.AndreevA. A.

Андреев Антон Андреевич, инженер, учебная лаборатория по полупроводниковой электронике410012, Россия, Саратов, ул. Астраханская, д. 83

Anton A. Andreev, Engineer, Semiconductor Technology Educational Laboratory 83, Astrakhanskaya ul., Saratov, 410012 Russia

andreev25304@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4442-6797СергеевС. А.SergeevS. A.

Сергеев Сергей Алексеевич, к.ф.-м.н., доцент, кафедра физики твердого тела410012, Россия, Саратов, ул. Астраханская, д. 83

Sergey A. Sergeev, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor, Department of Solid State Physics 83, Astrakhanskaya ul., Saratov, 410012 Russia

ssergeev@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4158-9195МихайловА. И.MikhailovA. I.

Михайлов Александр Иванович, д.ф.-м.н., профессор, кафедра физики твердого тела 410012, Россия, Саратов, ул. Астраханская, д. 83

Alexander I. Mikhailov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor, Department of State Physics83, Astrakhanskaya ul., Saratov, 410012 Russia

mikhailovai13@mail.ruИнститут физики, ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского»РоссияInstitute of Physics, Saratov National Research State UniversityRussian Federation2025050620251338491Copyright © Рябов Е.А., Андреев А.А., Сергеев С.А., Михайлов А.И., 20252025Рябов Е.А., Андреев А.А., Сергеев С.А., Михайлов А.И.Ryabov E.A., Andreev A.A., Sergeev S.A., Mikhailov A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/1180

Цели. Цель работы – исследовать возможность и эффективность использования в конструкции фотонного кристалла подвижного цилиндрического дефекта с металлическими штырями для управления амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) узкополосного фильтра на прямоугольном волноводе с сечением 23 × 10 мм в трехсантиметровом диапазоне (X-диапазоне), определить способы наиболее эффективного управления АЧХ.Методы. Для численного моделирования АЧХ фильтра используется программный пакет openEMS, в основе которого лежит система уравнений Максвелла, решаемая методом конечных разностей во временной области. Проведено также экспериментальное исследование АЧХ действующего макета предложенной и созданной конструкции фильтра в трехсантиметровом диапазоне (X-диапазоне).Результаты. Результаты численного моделирования показывают, что введение в центр конструкции фотонного кристалла подвижного цилиндрического дефекта с двумя металлическими штырями приводит к появлению в полосе запирания на АЧХ фильтра резонансного пика пропускания, положение которого эффективно управляется поворотом цилиндрического дефекта вокруг его оси. При неизменном положении цилиндрического дефекта уменьшение периода фотонного кристалла приводит к увеличению частоты пика пропускания. На частоту резонансного пика пропускания наиболее сильное влияние оказывает изменение размера отверстий в конструкции фотонного кристалла, что может использоваться как эффективный фактор для управления положением пика пропускания и формой всей АЧХ; при этом значение коэффициента пропускания при повороте цилиндрического дефекта вокруг его оси практически не изменяется. Проведены также экспериментальные исследования АЧХ фотонных кристаллов, изготовленных с использованием технологии 3D-печати из пластика PETG (полиэтилентерефталатгликоль), данные которых согласуются с результатами моделирования.Выводы. Предложенные спроектированные и изготовленные экспериментальные модели узкополосных фильтров в трехсантиметровом диапазоне (X-диапазоне) на основе фотонного кристалла показали достаточные для практики изменения значения коэффициента пропускания и возможности эффективного управления частотой резонансного пика и всей формой АЧХ, что делает их весьма перспективными для практических применений в радиоэлектронной аппаратуре.

Objectives. The work set out to investigate the possibility and effectivity of using a movable cylindrical defect with metal pins in the design of a photonic crystal to control the frequency response of a narrow-band filter in a rectangular waveguide having a cross-section of 23 × 10 mm in the X-band, as well as to determine the most effective methods for controlling frequency response.Methods. A numerical simulation of the frequency response of the filter was carried out using the openEMS software package, which is based on Maxwell’s equations solved by the finite-difference time-domain method. The frequency response of the currently proposed and implemented filter construction in the X-band was further investigated in an experimental study.Results. Numerical simulation shows that a resonant transmission peak in the stopband of the frequency response can be caused to appear by introducing a movable cylindrical defect having two metal pins into the center of a photonic crystal structure. In addition, the position of this peak on the frequency response can be effectively controlled by rotating the cylindrical defect around its axis. If the position of the defect remains unchanged, an increase in the frequency of the transmission peak occurs as a result of decreasing the period of the photonic crystal. However, the frequency of this resonant transmission peak is most strongly influenced by changes in the size of holes in the photonic structure. These changes can be used to control both the position and shape of the transmission peak, as well as the overall frequency response. At the same time, the difference in transmission remains practically unchanged when the cylinder rotates around its axis. The simulation results were confirmed by the data of an experimental study of the frequency response of photonic crystals made from PETG plastic using 3D printing technology.Conclusions. The proposed, designed, and manufactured experimental samples of narrow-band filters in the X-band based on a photonic crystal demonstrated reliably variable transmission values and the possibility of controlling the resonant peak frequency and thus the entire frequency response, including operational control. This makes them very promising for practical use in radio-electronic equipment.

узкополосный фильтррезонансный фильтрСВЧ-диапазонфотонный кристалл3D-печатьopenEMSnarrow-band filterresonant filtermicrowave rangephotonic crystal3D printingopenEMSReferencesWan B.F., Xu Y., Zhou Z.W., Zhang D., Zhang H.F. Theoretical investigation of a sensor based on one-dimensional photonic crystals to measure four physical quantities. IEEE Sens. J. 2020;21(3):2846–2853. https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.3027759Wan B.F., Xu Y., Zhou Z.W., Zhang D., Zhang H.F. Theoretical investigation of a sensor based on one-dimensional photonic crystals to measure four physical quantities. IEEE Sens. J. 2020;21(3):2846–2853. https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.3027759Aly A.H., Mohamed D., Mohaseb M.A. Theoretical and simulation study in defective semiconductor layer that incorporated with superconducting-dielectric photonic crystal. Int. J. Modern Phys. B. 2019;33(32):1950397. https://doi.org/10.1142/S0217979219503971Aly A.H., Mohamed D., Mohaseb M.A. Theoretical and simulation study in defective semiconductor layer that incorporated with superconducting-dielectric photonic crystal. Int. J. Modern Phys. B. 2019;33(32):1950397. https://doi.org/10.1142/S0217979219503971Бучнев И.Ю., Осипов О.В. Исследование электромагнитных свойств поперечной вставки на основе планарного слоя кирального метаматериала в прямоугольном волноводе. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2023;26(1):93–105. https://doi.org/10.18469/1810-3189.2023.26.1.93-105Buchnev I.Yu., Osipov O.V. Investigation of the electromagnetic properties of a transverse insert based on a planar layer of a chiral metamaterial in a rectangular waveguide. Fizika volnovykh protsessov i radiotekhnicheskie sistemy = Physics of Wave Processes and Radio Systems. 2023;26(1):93–105 (in Russ.). https://doi.org/10.18469/1810-3189.2023.26.1.93-105Ghasemi F., Aliasghary M., Razi S. Magneto-sensitive photonic crystal optical filter with tunable response in 12–19 GHz; cross over from design to prediction of performance using machine learning. Phys. Lett. A. 2021;401:127328. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2021.127328Ghasemi F., Aliasghary M., Razi S. Magneto-sensitive photonic crystal optical filter with tunable response in 12–19 GHz; cross over from design to prediction of performance using machine learning. Phys. Lett. A. 2021;401:127328. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2021.127328Zhao L., Li Y., Chen Z.M., Liang Z.H., Wang J., Shen X., Zhang Q. A Band-Pass Filter Based on Half-Mode Substrate Integrated Waveguide and Spoof Surface Plasmon Polaritons. Sci Rep. 2019;9(1):13429. https://doi.org/10.1038/s41598-019-50056-9Zhao L., Li Y., Chen Z.M., Liang Z.H., Wang J., Shen X., Zhang Q. A Band-Pass Filter Based on Half-Mode Substrate Integrated Waveguide and Spoof Surface Plasmon Polaritons. Sci Rep. 2019;9(1):13429. https://doi.org/10.1038/s41598-019-50056-9Михайлов А.И., Рябов Е.А., Сергеев С.А. Оценка возможностей 3D-печати для изготовления волноводных фотонных кристаллов. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2022;25(3):29–35. https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.3.29-35Mikhailov A.I., Ryabov E.A., Sergeev S.A. Evaluation of the possibilities of 3D-printing for the making of waveguide photonic crystals. Fizika volnovykh protsessov i radiotekhnicheskie sistemy = Physics of Wave Processes and Radio Systems.2022;25(3):29–35 (in Russ.). https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.3.29-35Ищенко Е.А., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Фёдоров С.М., Черноиваненко И.А. Активный волноводный полосовой фильтр на основе метаматериала. Вестник Воронежского государственного технического университета. 2022;18(3):57–60. https://doi.org/10.36622/VSTU.2022.18.3.007Ishchenko E.A., Pasternak Yu.G., Pendyurin V.A., Fyedorov S.M., Chernoivanenko I.A. Active rectangular waveguide bandpass filter based on the metamaterial. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of the Voronezh State Technical University. 2022;18(3):57–60 (in Russ.). https://doi.org/10.36622/VSTU.2022.18.3.007Liu L., Ye M., Yu Z., Xue W. Notch microwave photonic filter with narrow bandwidth and ultra-high all-optical tuning efficiency based on a silicon nanobeam cavity. J. Lightwave Technol. 2023;41(15):5051–5058. https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3248611Liu L., Ye M., Yu Z., Xue W. Notch microwave photonic filter with narrow bandwidth and ultra-high all-optical tuning efficiency based on a silicon nanobeam cavity. J. Lightwave Technol. 2023;41(15):5051–5058. https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3248611Yu B., Yang J., Song Y., Wang Z., Zhang T., Yan B., Xu R. Terahertz Metamaterial Waveguide with I-Shaped Resonators for Phase and Absorption Modulation. Photonics. 2023;10(7):816. https://doi.org/10.3390/photonics10070816Yu B., Yang J., Song Y., Wang Z., Zhang T., Yan B., Xu R. Terahertz Metamaterial Waveguide with I-Shaped Resonators for Phase and Absorption Modulation. Photonics. 2023;10(7):816. https://doi.org/10.3390/photonics10070816Скрипаль А.В., Пономарев Д.В., Шаронов В.Е. Резонансные характеристики сверхвысокочастотных фотонных кристаллов с включениями в виде проводящих нанослоев. Письма в Журнал технической физики (Письма в ЖТФ). 2023;49(19):27–30. https://doi.org/10.61011/PJTF.2023.19.56269.19645Skripal A.V., Ponomarev D.V., Sharonov V.E. Resonance characteristics of microwave photonic crystals with inclusions in the form of conducting nanolayers. Technical Physics Letters. 2023;10:23–26. [Original Russian Text: Skripal A.V., Ponomarev D.V., Sharonov V.E. Resonance characteristics of microwave photonic crystals with inclusions in the form of conducting nanolayers. Pis’ma v Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 2023;49(19):27–30 (in Russ.). https://doi.org/10.61011/PJTF.2023.19.56269.19645 ]Kumar N., Pandey G.N., Dhayal S., Dhayal S.S. Microwave Propagation Characteristics in Magnetized-Cold-Plasma-Based Binary Photonic Crystal with Defect of MCP Layer. Macromol. Symp. 2023;407(1):2100515. https://doi.org/10.1002/masy.202100515Kumar N., Pandey G.N., Dhayal S., Dhayal S.S. Microwave Propagation Characteristics in Magnetized-Cold-Plasma-Based Binary Photonic Crystal with Defect of MCP Layer. Macromol. Symp. 2023;407(1):2100515. https://doi.org/10.1002/masy.202100515Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Посадский В.Н., Тяжлов В.С., Байкин А.В. Дефектная мода в СВЧ волноводных брэгговских структурах с металлическими штырями. Журнал технической физики. 2019;89(10):1606–1610. https://doi.org/10.21883/JTF.2019.10.48180.6-19Usanov D.A., Skripal’ A.V., Posadskii V.N., et al. Defect Mode in Microwave Waveguide Bragg Structures with Metal Pins. Tech. Phys. 2019;64(10):1523–1526. https://doi.org/10.1134/S1063784219100232 [Original Russian Text: Usanov D.A., Skripal’A.V., Posadskii V.N., Tyazhlov V.S., Baikin A.V. Defect Mode in Microwave Waveguide Bragg Structures with Metal Pins. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 2019;89(10):1606–1610 (in Russ.). https://doi. org/10.21883/JTF.2019.10.48180.6-19 ]Хайрушев И.В., Рябов Е.А., Сергеев С.А. Теоретические и экспериментальные исследования фотонных кристаллов, изготовленных технологией 3D-печати, в X-диапазоне. Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2022;1:546–549. URL: https://mwelectronics.etu.ru/assets/files/2022/546-549.pdfKhairushev I.V., Ryabov E.A., Sergeev S.A Theoretical and experimental studies of photonic crystals manufactured by 3D printing technology in the X-band. Microwave Electronics and Microelectronics. 2022;1:546–549 (in Russ.). Available from URL: https://mwelectronics.etu.ru/assets/files/2022/546-549.pdfPei Z., Xu Y., Wei F., Liu T., Su D. Electromagnetic property of a novel gradient honeycomb composite fabricated by 3D forming. J. Magn. Magn. Mater. 2020;493:165742. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165742Pei Z., Xu Y., Wei F., Liu T., Su D. Electromagnetic property of a novel gradient honeycomb composite fabricated by 3D forming. J. Magn. Magn. Mater. 2020;493:165742. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165742Андреев А.А., Рябов Е.А., Хайрушев И.В., Сергеева Б.В., Сергеев С.А. Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость пластиков в СВЧ диапазоне. Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2023;1:388–392. URL: https://mwelectronics.etu.ru/assets/files/2023/novoe/388-392.pdfAndreev A.A., Ryabov E.A., Khairushev I.V., Sergeeva B.V., Sergeev S.A. The influence of temperature on the dielectric constant of plastics in the microwave range. Microwave Electronics and Microelectronics. 2023;1:388–392 (in Russ.). Available from URL: https://mwelectronics.etu.ru/assets/files/2023/novoe/388-392.pdfZechmeister J., Lacik J. Complex Relative Permittivity Measurement of Selected 3D-Printed Materials up to 10 GHz. In: 2019 Conference on Microwave Techniques (COMITE). IEEE; 2019. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/COMITE.2019.8733590Zechmeister J., Lacik J. Complex Relative Permittivity Measurement of Selected 3D-Printed Materials up to 10 GHz. In: 2019 Conference on Microwave Techniques (COMITE). IEEE; 2019. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/COMITE.2019.8733590Liebig T., Rennings A., Held S., Erni D. OpenEMS – a free and open source equivalent-circuit (EC) FDTD simulation platform supporting cylindrical coordinates suitable for the analysis of traveling wave MRI applications. Int. J. Numerical Modelling: Electronic Networks, Devices and Fields. 2013;26(6):680–696. https://doi.org/10.1002/jnm.1875Liebig T., Rennings A., Held S., Erni D. OpenEMS – a free and open source equivalent-circuit (EC) FDTD simulation platform supporting cylindrical coordinates suitable for the analysis of traveling wave MRI applications. Int. J. Numerical Modelling: Electronic Networks, Devices and Fields. 2013;26(6):680–696. https://doi.org/10.1002/jnm.1875

The authors declare that there are no conflicts of interest present.