^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.315.592
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ ФИЛЬТРОВ ТЕРАГЕРЦОВОГО И СУБТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНОВ ЧАСТОТ
© 2012 г. В. С. Сызранов, А. С. Ермолов, С. П. Лебедев*, В. Н. Мурзин
Физический институт им П.Н. Лебедева РАН Россия, 119991, Москва, Ленинский просп., 53 *Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38 Поступила в редакцию 10.11.2011 г. После доработки 23.01.2012 г.
Представлено устройство фильтрации электромагнитного излучения терагерцового и субтерагер-цового диапазонов, основанное на использовании избирательных частотных свойств запредельного волновода, а также квазиоптических (оптико-волноводных) методов согласования со средой окружения. Приведены конструкция устройства фильтрации излучения в области частот от 100 ГГц до нескольких терагерц, а также результаты измерений амплитудно-частотных характеристик тестовых фильтров в диапазоне 100—700 ГГц. Принцип построения и конструкция фильтра позволяют при незначительном затухании в полосе пропускания получить резкую и предсказуемую границу полосы пропускания при значительном подавлении низкочастотного излучения в области непрозрачности. Экспериментально измеренное в области пропускания фильтров затухание находится на уровне 6—12 дБ, вне полосы пропускания — на уровне 30—60 дБ, при этом полученный результат определяется шумами испытательной установки. Показано, что теоретическое значение затухания вне полосы пропускания может достигать >60 дБ при частоте лишь на 10% меньше критической. Разработанный фильтр может применяться для определения и изучения спектра в субтерагерцовом и терагерцовом диапазонах, особенно в случаях, требующих резкой спектральной границы и исключения длинноволновых компонент излучения.
1. ВВЕДЕНИЕ
Развитие методов фильтрации, регистрации и преобразования электромагнитных волн субтера-герцового и терагерцового частотных диапазонов является одной из актуальных проблем, востребованных в ряде областей науки и техники. Активно ведутся исследования терагерцового излучения для определения его влияния на различные биологические объекты с целью применения в медицине, сферах визуализации, системах безопасности и др. [1]. Изображения, полученные в этом диапазоне, могут регистрироваться с высокой разрешающей способностью, позволяющей различать детали размером в десятые доли миллиметра. Быстро развивающимся является раздел радиоастрономии, связанный с изучением в те-рагерцовом диапазоне свойств космических объектов.
Терагерцовый диапазон занимает в электромагнитном спектре промежуточное положение между оптической областью и радиодиапазоном (0.1—10 ТГц), частично перекрывая диапазоны крайне высоких (к.в.ч.) и гипервысоких частот (г.в.ч.). Применение в этом диапазоне стандартных оптических или радиочастотных методов сопряжено со значительными трудностями [2]. Оптические методы с уменьшением энергии
фотонов и ростом длины волны излучения становятся малоэффективными и чувствительными к искажениям фронта волны. Так, методы, основанные на избирательных (частотных) свойствах материалов (полиметиленовые, фторопластовые и другие [3]), не обеспечивают требуемой избирательности. Интерференционные фильтры, оперирующие выделенными областями спектрального излучения [4], имеют относительно большие габариты для применения их на малых для этих методов частотах и обычно обладают всплесками пропускания в области непрозрачности. Для радиочастотных методов, использующих волноводные, полосковые и резонансные элементы, характерны возрастание энергетических потерь на поверхности проводящих элементов с ростом частоты, а также ряд проблем, связанных с трудностями прецизионного изготовления элементов устройств микрометровых размеров. Для высокочастотных устройств терагерцового диапазона существенное значение может иметь обеспечение возможности эффективного подавления интенсивной низкочастотной компоненты электромагнитного излучения, например, при изучении процессов переключения сверхвысокого быстродействия, характеризующихся широким
спектром частот и зависимостью интенсивности от частоты типа 1//.
Настоящая работа посвящена разработке и исследованию свойств малогабаритных высокочастотных фильтров, сочетающих оптические и вол-новодные элементы и предназначенных для решения задач фильтрации в широком диапазоне частот с.в.ч.-г.в.ч.-излучения. Фильтры позволяют обеспечить решение задач, требующих резкой границы отсечки при значительном и контролируемом подавлении мощного излучения вне полосы частот пропускания.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ВОЗМОЖНОСТИ ФИЛЬТРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАПРЕДЕЛЬНОГО ВОЛНОВОДА
Основной идеей данной работы является использование запредельного волновода с круглым отверстием в качестве высокочастотного фильтра, который не пропускает излучение с длиной волны, превышающей примерно два диаметра отверстия.
Свойства запредельных волноводов хорошо изучены [5—7]. Подавление длинноволновой части излучения в таком фильтре может быть весьма значительным. Другим важным достоинством запредельного волновода в качестве фильтра является резкость частотной границы полосы пропускания. При этом характеристики фильтров могут регулироваться в широких пределах изменением диаметров и длин волноводов.
Наиболее низкочастотной в цилиндрическом волноводе является мода волн Н11, определяющая границу отсечки фильтра. Соответствующая критическая длина волны составляет примерно 1.7Ы, где d — диаметр волновода [5—7]. Амплитуда волны, распространяющейся в волноводе, может быть определена как
Е | (2) = Ео| ехр(¡у1),
(1)
где Z — координата вдоль волновода; Е — напряженность электрического поля в точке ^ Е0 — напряженность электрического поля в исходной точке; у — постоянная распространения, описываемая в виде
У =
2п
^ кр ^
(2)
Если X < Х^, имеем обычную волну, распространяющуюся с амплитудой Ео в волноводе. Для волн с X > Хкр величина у становится мнимой. При этом показатель экспоненты iyZ становится отрицательной величиной, и волна экспоненциально затухает вдоль волновода.
Таким образом, отсекающие частотные свойства запредельного волновода описываются экс-понентой, показатель которой линейно зависит от длины канала. Соответствующим подбором этой длины можно добиться сильного подавления низкочастотного излучения. Несложные оценки по формулам (1) и (2) показывают, что, например, при длине канала Z = Ь = 3Хкр на частоте 0.99®^ сигнал по амплитуде Е ослабляется примерно в 14 раз (—23 дБ), а при частоте 0.96®^ — уже почти в 200 раз (—46 дБ). При дальнейшем уменьшении частоты падающей волны фильтр оказывается практически непроницаемым. В этих условиях пропускание фильтрующего устройства может определяться прохождением излучения в обход запредельного волновода через щели и иными путями.
Затухание волны излучения, прошедшего фильтр, должно экспоненциально возрастать с увеличением длины канала фильтра. Это позволяет изменением длины канала фильтрующего устройства получать фильтры с разными предсказуемыми характеристиками подавления. При этом выражение (2) для частотной зависимости достаточно точно теоретически описывает пропускание фильтра в области сильного подавления. Вблизи же области прозрачности крутизна фильтра постепенно уменьшается с ростом частоты и начинает зависеть от множества других параметров, т.е. при определении характеристических параметров в этой области решающими являются данные экспериментальных исследований.
3. КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФИЛЬТРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ ЗАПРЕДЕЛЬНОГО ВОЛНОВОДА
При практическом применении запредельного волновода в качестве фильтра в терагерцовом диапазоне частот возникает ряд проблем, которые определяют особенности конфигурации и конструкции фильтра, а также технологию и методы его изготовления.
Первое обстоятельство связано с необходимостью перехода на фильтрующие каналы малого диаметра. Диаметр цилиндрического канала волновода в диапазоне частот фильтрации 0.1—3 ТГц должен составлять около половины длины волны, т.е. от 0.05 до 1.5 мм. Для подвода (отвода) излучения в этом частотном диапазоне становятся проблематичными изготовление и использование направляющих систем, имеющих близкий диаметр и соответствующие длины. Кроме того, при столь малых диаметрах и больших длинах могут наблюдаться значительные потери энергии излучения.
С целью уменьшения потерь в экспериментальных установках диаметр пучка обычно намного превышает длину волны излучения, дости-
1 2 3 5 4 3 2 1
А Б В
Рис. 1. Принципиальная схема конструкции фильтрующего модуля. А — оптико-волноводное устройство ввода излучения, Б — центральная металлическая часть модуля со сменным фильтрующим цилиндрическим каналом, В — оптико-волноводное устройство вывода излучения; 1 — полиэтиленовые линзы (диаметр 13 мм) для ввода излучения в фильтрующий канал и вывода из него, 2 — волноводные конусы (длина 8 мм, угол расходимости -30°), 3 — направляющие отверстия для втулки с запредельным волноводом, 4 — сменная металлическая втулка (внешний диаметр 4 мм) с цилиндрическим запредельным волноводом (диаметр канала: 1.5, 1.2, 0.48, 0.4, 0.24 мм) и продолжением волновод-ного конуса, 5 — металлическая муфта с резьбой для крепления устройств ввода/вывода фильтрующего модуля (длина 12 мм, внешний диаметр 14 мм).
Рис. 2. Элементы конструкции фильтрующего модуля.
гая единиц или даже десятков сантиметров. При этом характеристики распространения излучения приближаются к характеристикам распространения в открытом пространстве. В этих условиях возникает проблема волнового согласования пучка излучения большого диаметра экспериментальной установки с отверстием фильтра существенно меньшего диаметра.
Первоначально делалась попытка решить эту проблему путем применения простых рупорных систем большого диаметра. Однако исследования показали, что относительно эффективные рупоры получаются лишь для частот <100 ГГц. Для более высоких частот рупоры имели слишком большую длину, что оказалось сложным в изготовлении и приводило к большим потерям. Для решения проблемы было предложено использовать
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.