Управление амплитудно-частотной характеристикой узкополосного фильтра для X-диапазона частот на основе фотонного кристалла с подвижным цилиндрическим дефектом

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.

1. Wan 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.2020.3027759

2. Aly 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/S0217979219503971

3. Бучнев 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/10.18469/1810-3189.2023.26.1.93-105

4. Ghasemi 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.2021.127328

5. Zhao 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/s41598-019-50056-9

6. Михайлов 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/10.18469/1810-3189.2022.25.3.29-35

7. Ищенко 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.2022.18.3.007

8. Liu 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.2023.3248611

9. Yu 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/photonics10070816

10. Скрипаль 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.2023.19.56269.19645

11. 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.202100515

12. Усанов 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.2019.10.48180.6-19

13. 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.pdf

14. Pei 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.2019.165742

15. Андреев 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.pdf

16. Zechmeister 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.2019.8733590

17. Liebig 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