Радиотехника и электроника, 2022, T. 67, № 5, стр. 430-439

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к метаматериалам, содержащим электропроводящие киральные разомкнутые резонансные кольцевые элементы, совместимые с элементами магнитного, электрического и оптического управления, сохраняется и в настоящее время [1–4]. Метаструтуры, мета-атомы и мета-поверхности находят применение в разнообразных СВЧ-устройствах, среди которых важное место занимают многополосные фильтры [5]. В качестве основных компонентов в динамических коммуникационных системах востребованы независимо электрически управляемые многополосные фильтры, в которых изменения амплитудно-частотных характеристик одной полосы не затрагивали бы и другие полосы, что связано с определенными трудностями [6]. Актуальным является независимое управление амплитудой, частотой и шириной внутри индивидуальной полосы, так как при этом расширяются функциональные возможности систем [7, 8]. Многополосные микроволновые реконфигурабельные фотонные фильтры, обладающие возможностью переключения конфигурации полос пропускания в СВЧ-отклике, предложены в [9].

Учитывая актуальность и сложность проблемы, важным являются новые методы и подходы. В [10–13] показано, что применение метаструктур в интерферометрии открывает новые функциональные возможности в многополосной фильтрации микроволн. В [10, 11] продемонстрировано воздействие резонансов, ферромагнитного в феррите (при управлении магнитостатическим полем) и дипольного в метаструктуре (управляемого электрическим напряжением на варакторе) на интерферограмму мета-интерферометра при использовании метаструктуры в качестве разделителя пучка. В [12, 13] исследованы закономерности, наблюдаемые, если метаструктура расположена в закороченном h-плече на некотором расстоянии от короткозамыкателя, образуя резонатор Фабри–Перо.

В [14] впервые был предложен и исследован волноводный тройниковый мета-интерферометр, содержащий две пространственно разнесенные метаструктуры (М1 и М2) на основе линейных проводов, нагруженные варакторами с независимым управлением от разных внешних источников. Было показано независимое воздействие на интерферограмму резонансных откликов М1 и М2, которое позволяет независимо изменять ширину и частоту индивидуальной полосы запрета.

Представляет интерес исследовать и другие пространственно разнесенные метаструктуры, отличающиеся динамикой резонансных откликов, с целью изучения влияния на интерферограмму и функциональные возможности мета-интерферометра.

В данной работе исследуется волноводный тройниковый мета-интерферометр, который содержит метаструктуры на основе планарных киральных и дипольных электропроводящих элементов, нагруженных варакторами с независимым управлением от разных внешних источников. Одну из метаструктур (М1) поместили в интерферометр в качестве разделителя пучка, а другую (М2) – в закороченное h-плечо на расстоянии s от короткозамыкателя, в результате образовался резонатор Фабри–Перо. Исследовано совместное воздействие управляемых резонансных эффектов при использовании разных М1 (на основе киральных планарных спиралей ПС, планарных двойных разомкнутых колец ПДРК и дипольного кольца ДК1) и разных М2 (на основе планарных дважды разомкнутых одинарных колец ОК и дипольного кольца с двумя разрывами ДК2).

1. МЕТА-ИНТЕРФЕРОМЕТР. МЕТАСТРУКТУРЫ

Мета-интерферометр (рис. 1), выполненный на базе h-плоскостного волноводного тройника, содержит различные комбинации двух проcтранственно разнесенных и независимо электрически управляемых метаструктур с дипольным и киральными электропроводящими элементами: M1 в качестве отражателя пучка и M2 в закороченном h-плече на расстоянии s = 110 мм от короткозамыкателя 5 как отражатель резонатора Фабри–Перо. Фото метаструктур представлены на рис. 2: это резонансные неуправляемые метаструктуры (ряд из шести ПС и ряд из шести ПДРК) и метаструктуры, резонансные свойства которых управляются электрическим напряжением обратного смещения V_ОС на варакторе (ряд из шести планарных двойных разомкнутых колец с дополнительным разрывом во внешнем кольце, нагруженном варактором ПДРК*; ряд из трех планарных ОК с двумя разрывами, нагруженными варакторами; ДК с двумя разрывами, нагруженными варакторами, как два встречных полуволновых диполя).

Рис. 1.

Схема мета-интерферометра: I и O – вход и выход, 1 и 2 – входное и выходное плечи, М1 – метаструктура (разделитель пучка), М2 – метаструктура в закороченном h-плече (отражатель резонатора Фабри–Перо), 3 и 4 – полые отрезки короткозамкнутого h-плеча до передней границы М2 и между задней границей М2 и короткозамыкателем 5.

Рис. 2.

Фото метаструктур: а – ряд из шести планарных киральных спиралей в полтора оборота; б – ряд из шести киральных двойных разомкнутых колец; в – ряд из шести киральных двойных разомкнутых колец с дополнительным разрывом во внешнем кольце, нагруженном варактором; г – ряд из трех планарных киральных дважды разомкнутых одинарных колец, нагруженными двумя варакторами в каждом кольце; д – дипольное кольцо с двумя разрывами, нагруженными варакторами, 1 – варактор, 2 – резистор R_L, 3, 4, 5 – подложки (полиамидная пленка, текстолит, гетинакс).

В метаструктурах были использованы варакторы MA46H120 и BB857, емкость которых меняется в пределах 1.15…0.1 пФ и 6.5…0.55 пФ при изменении напряжения обратного смещения на варакторе V_ОС от 0 до 30 В. В отсутствие метаструктуры тройник трансформируется в интерферометр и обладает свойствами многополосного фильтра. Увеличивая длину h-плеча, можно увеличить число интерференционных полос. Метаструктуры располагали вдоль оси прямоугольного волновода 48 × 24 мм.

Исследовали динамику состояния интерферограммы, измеряя частотную зависимость коэффициента прохождения T на выходе интерферометра в зависимости от резонансных свойств метаструктур. Подача V1_ОС приводила к перестройке интерферограммы в частотной области, соответствующей области возбуждения резонанса в метаструктуре M1, а подача V2_ОС влияет на интерферограмму в частотной области, соответствующей области возбуждения резонанса в M2. Информацию о величинах напряжений представляем в виде (V1–V2), например, (0–0) означает, что V1_ОС = 0 и V2_ОС = 0 В, а (0–10) означает, что V1_ОС = 0, а V2_ОС = 10 В. Размеры элементов выбраны так, чтобы резонансные эффекты проявлялись в заданном диапазоне 3…6 ГГц. Исследовали возможность независимого управления амплитудно-частотными характеристиками интерферограммы при совместном наложении напряжений V1_ОС и V2_ОС на варакторы M1 и M2.

2. МНОГОПОЛОСНАЯ УПРАВЛЯЕМАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ С ПРОСТРАНСТВЕННО РАЗНЕСЕННЫМИ МЕТАСТРУКТУРАМИ

2.1. Метаструктуры М1–М2 (V2_ОС)

В данном разделе рассмотрены функциональные возможности мета-интерферометра для случая, когда М1 представляет собой ряд из шести ПС в полтора оборота (резонанс возбуждается микроволновым полем вблизи f = 3.9 ГГц), а М2 содержит ряд из трех планарных ОК с двумя разрывами, нагруженными варакторами (далее – 6ПС_–3ОК), что обеспечивает управление резонансной частотой в широкой полосе частот.

Исследован также случай, когда М1 содержит ряд из шести планарных двойных разомкнутых колец ПДРК, а в качестве М2 по-прежнему использован ряд из трех ОК (6ПДРК-3ОК).

I. Взаимное расположение М1 и М2 в интерферометре наглядно показано на рис. 3а.

Рис. 3.

Измеренные частотные зависимости прохождения T в интерферометре с метаструктурами (М1–М2) – (6ПС_3ОК) в условиях М1–V2_ОС: а – взаимное расположение в интерферометре; б – без М2 кривая 1(с М1) и кривая 2 (без М1); в – без М1 с М2 (V_ОС2); г – с (М1–М2) в условиях (М1–0) (кривая 1) и (М1–8 В) (кривая 2).

Интерферограмма с М1 (интерференционная зависимость T от частоты с полосами запрета F_i) представлена на рис. 3б в сравнении с интерферограммой пустого интерферометра. Из рисунка видно, что внедрение М1 не приводит к нарушению периодичности и изменению вида F_i пустого интерферометра за исключением полосы ${\text{F}}_{3}^{*}$, f* = = 3.9 ГГц (${\text{F}}_{i}^{*}$ – полосы с особенностями в результате воздействия резонанса М1).

На рис. 3в представлена динамика интерферограммы с М2 при изменении напряжения V2_ОС от 7.3 до 7.9 В, которое позволяет управляемому резонансу в ОК возбуждаться в частотной области полосы ${\text{F}}_{3}^{*}$.

Воздействие резонансов М1 и М2 при совмещении их характеристик в одной и той же частотной области полосы F₃ продемонстрировано на рис. 3г. Из рисунка видно, что при V2_ОС = 0 (кривая 1) изменения в интерферограмме связаны с резонансом М1, который приводит к особенности ${\text{F}}_{3}^{*}$. С наложением и увеличением V2_ОС = 8 В (кривая 2) наблюдаем раздвоение полосы ${\text{F}}_{3}^{*}$ при небольшом изменении ее глубины в результате влияния резонанса М2.

Меняя М1 и подбирая необходимые величины V2_ОС, можно управлять и другими частотными полосами интерферограммы ${\text{F}}_{i}^{*}$.

II. Метаструктуры М1 и М2 и их взаимное расположение в интерферометре наглядно показано на рис. 4а.

Рис. 4.

Измеренные частотные зависимости прохождения T в интерферометре с метаструктурами (6 ПДРК_–3 ОК) в условиях (М1–V2_ОС): а – взаимное расположение в интерферометре; б – результаты измерений в условиях V2_ОС= 0 (1), 12.7 (2), 13 (3) и 14 В (4).

Динамика интерферограммы с М1 и М2 продемонстрирована на рис. 4б. Как видим, при V2_ОС = 0, когда влияние М2 не сказывается, существует особенность интерференционной полосы ${\text{F}}_{5}^{*}$ (4.6 ГГц) с изменением ее вида и ширины относительно других полос и полосы F₅ пустого интерферометра. В этом случае проявляется влияние резонансных свойств ПДРК, возбуждаемых микроволновым полем вблизи 4.6 ГГц, в виде особенностей в интерферограмме при сравнении с пустым интерферометром.

Варьируя величину напряжения V2_ОС, можно менять состояние полосы ${\text{F}}_{5}^{*}$. Так, при V2_ОС = 12.7 В наблюдаем сужение, а при V2_ОС = 14 В – раздвоение.

2.2. Метаструктуры М1(V1_ОС)–М2 (V2_ОС)

Исследуем случай, когда резонансы М1 и М2 управляются электрическими напряжениями V1_ОС и V2_ОС, подаваемыми на варакторы. Метаструктура М1 содержит ряд из шести ПДРК* с дополнительным разрывом во внешнем кольце, нагруженным варактором, а в качестве М2 по-прежнему используем ряд из трех ОК с варакторами (далее – 6ПДРК*-3ОК).

Также были рассмотрены представляющие интерес функциональные возможности мета-интерферометра, когда в качестве М1 и М2 использовали два дипольных кольца ДК1 и ДК2 с двумя разрывами и двумя варакторами в каждом кольце (ДК1–ДК2).

I. Метаструктуры М1 и М2 и их взаимное расположение в интерферометре наглядно показано на рис. 5а.

Рис. 5.

Измеренные частотные зависимости прохождения T с метаструктурами (6ПДРК*_–3ОК): а – взаимное расположение в интерферометре; результаты измерений в волноводе: б – с 6ПДРК* при V_ОС = 0 (1), 10 (2), 20 В (3), в – с 3ОК при V_ОС = 7 (1), 8 (2), 10 (3), 15 В (4); г–е – в интерферометре в условиях V2_ОС = 0 при V1_ОС = 0 (г), 10 (д), 20 В (е).

Частотные зависимости коэффициента прохождения ПДРК* и ОК при возбуждении резонанса, измеренные в прямоугольном волноводе при разных величинах V_ОС, представлены на рис. 5б, 5в. Видим, что резонансы, возбуждаемые в ПДРК электрическим микроволновым полем, а в ОК магнитным микроволновым полем, которые проявляются в виде резонансных минимумов на кривой T, плавно смещаются к высоким частотам с увеличением V_ОС в результате уменьшения емкости варактора. Как при этом меняется интерферограмма с ПДРК* (М1) и с ОК (М2), продемонстрировано на рис. 5г–5е; 6а, 6б и 7а,7б.

На рис. 5г–5е приведены результаты измерений динамики интерферограммы с М1 и М2 при управлении резонансом М1 наложением напряжения V1_ОС. Видим особенность в полосе ${\text{F}}_{4}^{*}$ и ${\text{F}}_{5}^{*}$ при V1_ОС = 0, которая постепенно смещается к высоким частотам, затрагивая полосы ${\text{F}}_{5}^{*}$ и ${\text{F}}_{6}^{*}$ при V1_ОС = 10 В, и удаляется к полосе ${\text{F}}_{6}^{*}$ при V1_ОС = 20 В в соответствии с изменением частот резонанса М1.

На рис. 6а, 6б показано, что, управляя резонансом М2, можно изменить интерферограмму в частотной области воздействия резонанса М1, затрагивая полосы запрета ${\text{F}}_{5}^{*}$ и ${\text{F}}_{6}^{*}$ (уменьшение глубины), приложив V2_ОС = 12.7 и 32 В.

Рис. 6.

Измеренные частотные зависимости прохождения T в интерферометре с метаструктурами (6ПДРК*_–3ОК) в условиях V1_ОС = 0 при V2_ОС = 12.7 (а) и 32 В (б).

Далее были исследованы функциональные возможности мета-интерферометра при совместном воздействии резонансов метаструктур М1 и М2. Было выяснено, что, подбирая необходимое условие (V1_ОС–V2_ОС), можно управлять состоянием полосы ${\text{F}}_{6}^{*}$, практически не затрагивая другие полосы интерферограммы при совмещении резонансных характеристик М1 и М2 в одной и той же частотной области (в полосе запрета ${\text{F}}_{6}^{*}$, см. рис. 5е и 6б). Так, на рис. 7а, 7б показано, что, изменяя условия (V1_ОС–V2_ОС), можно управлять глубиной (T_мин) и шириной δ данной полосы без изменения частоты f. В условиях (20–0) наблюдаем следующее состояние полосы ${\text{F}}_{6}^{*}$: f = 5.11 ГГц; T_мин = –20.8 дБ; δ = 0.1 ГГц (на уровне –10 дБ). При (0–32) меняется глубина (T_мин = –6 дБ), а (20–32) приводит к раздвоению и увеличению ширины δ = 0.16 ГГц относительно первоначального (20–0) при некотором изменении глубины (T_мин = –13 дБ…–15 дБ).

Рис. 7.

Динамика интерферограммы при изменении условий внешнего воздействия на метаструктуры (6ПДРК*_–3ОК): а – из условий (20–0) (кривая 1) на (20–32) (кривая 2); б – из (20–0) (кривая 1) на (0–32) (кривая 2).

II. Динамика резонансов ДК1 и ДК2, которые проявляются в одной и той же частотной области заданного диапазона частот как резонансные минимумы коэффициента прохождения T_мин показана на рис. 8а, 8б. Результаты получены на основании измерений в прямоугольном волноводе частотных зависимостей прохождения T, изменяющихся при внешнем воздействии V_ОС. Видим, что резонансы плавно смещаются к высоким частотам с увеличением V_ОС в результате уменьшения емкости варакторов.

Рис. 8

. Измеренные частотные зависимости прохождения T в волноводе: а – с ДК1 при V_ОС = 0 (1), 5 (2), 10 (3), 15 (4), 29 В (5); б – с ДК2 при V_ОС = 0 (1), 10 (2), 20 В (3).

Состояние интерферограммы с ДК1 и ДК2 отражено на рис. 9–11 (взаимное расположение ДК1 и ДК2 в интерферометре наглядно показано на рис. 9а). Видим, что при наложении (V1_ОС–0) интерферограмма теряет периодичность по сравнению с пустым интерферометром и происходят существенные амплитудно-частотные изменения (рис. 9б). Наблюдаем изменения интенсивностей и частот полос запрета в условиях (4–0) и (15–0), охватывающих, в отличие от ПДРК* и ОК, почти весь измеряемый диапазон в результате воздействия довольно широкого резонанса ДК1.

Рис. 9.

Динамика интерферограммы при изменении условий внешнего воздействия на метаструктуры (ДК1_–ДК2): а – взаимное расположение в интерферометре; б – при (V1_ОС–0) в условиях (0–0) (кривая 1), (4–0) (кривая 2) и (15–0) (кривая 3).

Рис. 10.

Динамика интерферограммы при изменении условий внешнего воздействия на метаструктуры (ДК1_–ДК2): а – при (0–V2_ОС) в условиях (0–20) (кривая 1), (0–10) (кривая 2), б – при (V1_ОС–V2_ОС) в условиях (20–20).

Рис. 11.

Динамика интерферограммы при изменении условий внешнего воздействия на метаструктуры (ДК1_–ДК2): а – из условий (0–20) (кривая 1) на (29–20) (кривая 2); б – из (0–20) (кривая 1) на (10–0) (кривая 2).

Изменения интерферограммы при наложении (0–V2_ОС) в условиях (0–10) и (0–20) приведены на рис. 10а. Наблюдаем увеличение числа полос запрета при небольших амплитудно-частотных изменениях. Состояние интерферограммы при совместном воздействии управляемых резонансных эффектов ДК1 и ДК2 при (V1_ОС–V2_ОС) в условиях (20–20) продемонстрировано на рис. 10б.

Было показано, что, варьируя условиями (V1_ОС–V2_ОС), можно управлять частотой и шириной δ полосы запрета. На рис. 11а видно, что полоса F* смещается на 0.09 ГГц (от 4.275 до 4.366 ГГц) при изменении условий от (0–20) к (29–20). Меняя условие (0–20) на (10–0), наблюдаем уширение полосы F* в несколько раз (на уровне –15 дБ от 0.01 до 0.08 ГГц, как показано на рис. 11б). Отметим, что изменения полосы F* затрагивают, к сожалению, и другие полосы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследованы функциональные свойства управляемой микроволновой интерферометрии с применением резонансных метаструктур на основе киральных и дипольных кольцевых электропроводящих элементов, резонансные отклики которых оказывают воздействие на интерферограмму в зависимости от того, какими обладают свойствами и как расположены в мета-интерферометре.

Исследованы функциональные особенности мета-интерферометра с пространственно разнесенными и независимо электрически управляемыми от разных источников метаструктурами на основе киральных и дипольных элементов: с метаструктурой M1 в качестве разделителя пучка и с M2 в закороченном h-плече как отражателе резонатора Фабри–Перо. Метаструктуры выполнены на основе планарных спиралей и двойных разомкнутых колец, обладающих резонансными откликами на определенных частотах, а также управляемых электрическим напряжением двойных разомкнутых колец с дополнительным разрывом во внешнем кольце, нагруженном варактором, одинарных дважды разомкнутых колец с варакторами и нагруженного варакторами дипольного кольца с двумя разрывами. Исследованы их разные комбинации.

Измерена динамика резонансных откликов метаструктур в прямоугольном волноводе в зависмости от напряжения обратного смещения на варакторах V_ОС и интерферограмма при разных комбинациях (M1–M2).

Показано, что при совместном наложении напряжений V1_ОС и V2_ОС на варакторы M1 и M2 с воздействием на интерферограмму динамических характеристик метаструктур в одной и той же частотной области появляется возможность независимого управления амплитудно-частотными характеристиками интерферограммы.

Показано также, что функциональные возможности мета-интерферометра зависят от выбора метаструктур. Так, с метаструктурами (6ПДРК*-3ОК), варьируя величинами (V1_ОС–V2_ОС), можно управлять глубиной (T_мин) и шириной (δ) индивидуальной полосы запрета без изменения частоты f при незначительном влиянии на соседние полосы, при этом частотный спектр интерферограммы мало отличается от пустого интерферометра. С комбинацией (ДК1–ДК2) можно управлять частотой f и шириной δ, затрагивая и соседние интерференционные полосы при существенном отличии спектра интерферограммы от пустого интерферометра.

Полученные результаты могут служить мотивацией для дальнейших исследований с применением других разнообразных метаструктур и быть полезны при разработке многополосных фильтров с независимым управлением амплитудно-частотными характеристиками, востребованных в многоканальных многофункциональных телекоммуникационных системах.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.