CC BY
19Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniya i radioelektroniki. 2011. № 2 (24). Ch. 1. S. 282-287.
2. Datchik polozhenija Solnca: pat. № 135126 U1 Ros. Federacija. № 2013117198; zajavl. 15.04.2013; opubl. 27.11.2013 v bjul. № 33; il.
3. Arzhanov V. V., Shurygin Ju. A., Shinjakov Ju. A., Arzhanov K. V. Minimizacija jenergopotreblenija jelektroprivodami v fotojelektricheskoj jenergeticheskoj ustanovke // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. 2013. T. 322. № 4. S. 146-150.
© Аржанов К. В., 2014
УДК: 621.3.029.6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКТИВНОЙ СРЕДЫ В МИКРОПОЛОСКОВОМ ФИЛЬТРЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ МОЩНОГО РАДИОИМПУЛЬСА
10 О О О О
Б. А. Беляев , , С. А. Ходенков , А. С. Бутиков , С. В. Ефремова , В. В. Храпунова
1Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38. E-mail: [email protected]
2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Разработан полосно-пропускающий фильтр с высокотемпературным сверхпроводниковым (ВТСП) элементом в качестве активной среды. Полосу пропускания широкополосного фильтра седьмого порядка формируют пять мод колебаний от центрального многомодового резонатора, полосковые проводники которого соединены между собой ВТСП пленкой-перемычкой, а также по одной низшей моде колебаний от каждого крайнего резонатора. В случае воздействия мощного радиоимпульса пленочный ВТСП элемент переходит из сверхпроводящего состояния в высокорезистивное, при этом многомодовый режим работы резонатора нарушается. На амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) наблюдается практически полное отражение электромагнитных волн, что позволяет ограничивать мощность на выходе устройства.
Ключевые слова: полосно-пропускающий фильтр, активная среда, высокотемпературный сверхпроводник.
USING THE ACTIVE MEDIUM IN THE MICROSTRIP FILTER FOR PROTECTION FROM THE POWERFUL RADIO IMPULSE
B. A. Belyaev1, S. A. Khodenkov2, A. S. Butikov2, S. V. Efremova2, V. V. Khrapunova2
:Kirenskiy Institute of Physics Siberian Branch of the Russian Academy of Science 50/38, Academgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation. E-mail: [email protected] 2Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation. E-mail: [email protected]
The band-pass filter with a high-temperature superconductor element as the active medium is developed. The passband of the seventh order broadband filter is formed by five vibrational patterns from the central multimode resonator having strip conductors are connected among themselves by a high-temperature superconductor film. Also a pass-band is formed by one lowest vibration pattern from each single-mode resonator. Under influence of a powerful radio impulse, the film high-temperature superconductor element turns from a superconducting state to high-resistive. Almost full reflection of electromagnetic waves is observed at the amplitude-frequency characteristic. It allows to limit power at the device exit.
Keywords: band-pass filter, active medium, high-temperature superconductor.
Устройства защиты от мощного радиоимпульса применяются для сохранения работоспособности входных цепей приемников различного назначения, как одно из средств в системах электронного противодействия, а также для защиты входных цепей приемника радиолокатора от собственного излучения [1]. Как известно [2], электромагнитное излучение при превышении некоторого порога по мощности способ-
но вывести из строя активные элементы приёмного канала радиосистемы. При поступлении на транзистор или микросхему сигнала, мощность которого превышает их максимальную мощность рассеивания, происходит тепловой пробой р-п перехода. Это приводит к выходу из строя всего приёмного канала.
В настоящее время наиболее широкое применение получили полупроводниковые устройства защиты [3].
Решетневскуе чтения. 2014
Однако они имеют довольно значительное время срабатывания и при малой длительности импульса не способны защитить приёмную аппаратуру от мощного электромагнитного излучения. Применение ВТСП элементов в микрополосковых конструкциях позволяет решить поставленную задачу защиты устройств.
Резонатор с полосковым проводником в форме меандра хорошо исследован [4], однако реализовать на его основе полосно-пропускающие фильтры с высокими частотно-селективными свойствами можно, не только повышая число резонаторов в конструкциях, но и увеличивая число низших рабочих мод колебаний одиночного резонатора, частоты которых формируют полосу пропускания.
Теоретические исследования фильтра шестого порядка с таким многомодовым резонатором, состоящим из полосковых отрезков 2-5, и одномодо-выми крайними резонаторами в виде регулярных полосковых проводников 1 (рис. 1, а) были проведены с помощью электродинамического численного анализа 3Б-моделей. Диэлектрические подложки выбраны из традиционного СВЧ материала -ФЛАН-2.8 с диэлектрической проницаемостью е = 2,8 и толщиной к = 2 мм. В дальнейшем в исследованиях использовался этот же материал с такими же характеристиками. Полосковые проводники всех рассмотренных в работе фильтров обладают осевой симметрией.
Рабочую полосу пропускания широкополосного фильтра (А/7/0 ~ 80 %) формируют два резонанса от крайних четвертьволновых резонаторов (низшая мода колебаний от каждого из них), а также 4 резонанса от центрального резонатора (четыре его низших моды колебаний) (см. рис. 1).
Конструктивной особенностью такого фильтра является то, что смещение и изменение в размерах отрезка полоскового проводника 5 позволяет не только добавить еще одну моду колебаний от многомодового резонатора в полосу пропускания (рис. 2, б) и тем самым расширить ее (А/7/0 ~ 94 %), но и так подобрать размеры проводников, чтобы добиться значительного
отражения электромагнитных волн на частотах полосы пропускания в случае отсутствия этого отрезка. Реализовать два таких состояния в частотно-селективной конструкции можно, используя в качестве перемычки ВТСП пленку 5 (рис. 2, а). Фильтр с пленкой, находящейся в сверхпроводящем состоянии будет иметь АЧХ, представленную на рис. 2, б. Под воздействием мощного радиоимпульса плотность высокочастотного тока превышает критическое значение, и сверхпроводящее состояние пленки разрушается - АЧХ устройства трансформируется (рис. 2, в). В этом случае в некоторой области частот полосы пропускания наблюдается полное отражение электромагнитных волн обратно в тракт СВЧ. Относительно «уязвимый» частотный диапазон (1,92 - 2,08 ГГц) не превышает 1/8 ширины полосы пропускания.
Приведем конструктивные размеры рассмотренных фильтров:
- первая конструкция (Ы = 6), площадь проводников 1, 2, 3, 4, 5 - 42,6x0,9 мм2, 46,80x0,15 мм2, 8,70x4,40 мм2, 47,70x3,80 мм2, 11,20x0,15 мм2 соответственно; зазор между проводниками 1 и 2 - 0,25 мм; смещение свободного края проводника 2 относительно проводника 1 - 3,50 мм;
- вторая конструкция (Ы = 7), площадь проводников 1, 2, 3, 4 - 45.5x0.7 мм2, 46,3x0,2 мм2, 8,6x4,7 мм2, 47,8x3,47 мм2 соответственно; площадь ВТСП пленки 5 - 3,8x0,2 мм2; зазор между проводниками 1 и 2 -0,2 мм; смещение свободного края проводника 2 относительно проводника 1 - 7,1 мм; смещение ВТСП пленки 5 относительно свободного края проводника 4 - 20,7 мм.
Таким образом, предложены конструкции микро-полосковых широкополосных полосно-пропускающих фильтров с высокими частотно-селективными свойствами, показаны возможности расширения полосы пропускания полосно-пропускающего фильтра до А///0 ~ 94 % за счет увеличения числа рабочих мод колебаний многомодового резонатора. Разработана конструкция широкополосного фильтра с защитой от мощного радиоимпульса за счет использования активной среды - ВТСП пленки.
3 . N = 7
L, R, дБ 0
-20
-40
-60
-80
/ / - i н /1
у (V1VI ! 1! \ / 1
/ 11 I «
2
f ГГц
Рис. 2. Топология проводников фильтра 7 порядка с активной средой (а) и его АЧХ (б) и (в) при сверхпроводящем состоянии ВТСП пленки и ее нормальном состоянии соответственно
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук, МК-5942.2014.8 «Исследование и проектирование современных микрополосковых и полосковых устройств частотной селекции, в том числе с использованием активных сред и на основе фотонных кристаллов».
Библиографические ссылки
1. Говорун И. В. Разработка и исследование мик-рополосковых устройств защиты от мощного радиоимпульса с управляющим элементом на основе пленки ВТСП : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Красноярск : СФУ, 2011. 20 с.
2. Пат. 2 440 645 РФ. МПК Н01Р1/04. Микропо-лосковое защитное устройство / Б. А. Беляев, И. В. Говорун, А. А. Лексиков, А. М. Сержантов; заявл. 01.11.2010; опубл. 20.01.2012.
3. Беляев Б. А., Лексиков А. А., Сержантов А. М., Говорун И. В. Микрополосковое устройство защиты от мощного радиоимпульса с ВТСП элементом // ЖРЭ. 2011. № 7. С. 1-12.
4. Pregla R. Analysis of Electromagnetic Fields and Waves : the Method of Lines. New York : Wiley, 2008. 522 р.
References
1. Govorun I. V. Razrabotka i issledovanie mikropoloskovyx ustrojstv zashhity ot moshhnogo radioimpul'sa s upravlyayushhim e'lementom na osnove plenki VTSP : Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata texnicheskix nauk. 2011. Krasnoyarsk: SFU. 20 p.
2. Pat. 2 440 645 RF. MPK H01P1/04.
Mikropoloskovoe zashhitnoe ustrojstvo / B. A. Belyaev, I. V. Govorun, A. A. Leksikov, A. M. Serzhantov; zayavl. 01.11.2010; opubl. 20.01.2012.
3. Belyaev B. A., Leksikov A. A., Serzhantov A. M., Govorun I. V. / Mikropoloskovoe ustrojstvo zshhity ot moshhnogo radioimpul'sa s VTSP e'lementom // ZhRE'. 2011. № 7. P. 1-12.
4. Pregla R. Analysis of Electromagnetic Fields and Waves : the Method of Lines. New York : Wiley, 2008. 522 p.
© Беляев Б. А., Ходенков С. А., Бутиков А. С., Ефремова С. В., Храпунова В. В., 2014
б
а
в
