W praktyce, do uzyskania elektronicznie dostosowywanego filtru pasmowo-odcięciowego w linii transmisyjnej typu SSPP (Spoof Surface Plasmon Polariton) wykorzystuje się dwie diody waraktorowe (MA46H120), oznaczone jako D1 i D2, umieszczone na szczelinach. Te diody umożliwiają zmianę wartości pojemności na szczelinach, co pozwala na dostosowanie pasma odcięcia w szerokim zakresie częstotliwości. Badania wykazały, że pasmo odcięcia może być tunowane w zakresie od 3,5 do 9,5 GHz w zależności od wartości pojemności, które można regulować.

Aby dokładniej zrozumieć działanie tego układu, warto zapoznać się z modelem obwodu elektrycznego jednostkowej komórki trapezoidalnej, przedstawionym na rysunku 4.9a. Model ten uwzględnia indukcyjności (Leq1, Leq2, Leq3), które powstają w wyniku przepływu prądu na powierzchni metalowej, oraz pojemności między torami metalowymi. Indukcyjności obwodu można obliczyć według wzoru (4.1), gdzie parametry 'li', 'wi' oraz 't' określają odpowiednio długość, szerokość i grubość jednostkowej komórki. Grubość komórki nie ma dużego wpływu na indukcyjność, ponieważ jest niewielka w porównaniu z długością czy szerokością komórki.

Pojemność Ceq1, która powstaje pomiędzy parami metalicznych torów, zależy od powierzchni metalowych torów oraz odległości między nimi. Zwiększenie tej pojemności prowadzi do obniżenia częstotliwości odcięcia, natomiast Ceq2 modeluje prądy przeciekowe, które pojawiają się w linii transmisyjnej, podobnie jak prądy przeciekowe w linii mikrofalowej. Pojemność Ceq2 wzrasta w miarę zwiększania wysokości corrugacji lub zmniejszania szerokości corrugacji. Odpowiednie wartości indukcyjności i pojemności zostały obliczone i przedstawione w tabeli 4.1.

W celu analizy działania jednostkowej komórki z wprowadzoną szczeliną, przedstawiono również obwód równoważny, który uwzględnia pojemności diod waraktorowych (C1 i C2), indukcyjność L1, wynikającą z obecności metalowych linii w centrum szczeliny, oraz kondensator blokujący stałe napięcie. Obwody te zostały zsymulowane za pomocą oprogramowania Agilent Advanced Design System (ADS), a wyniki porównano z symulacjami przeprowadzonymi w CST Microwave Studio (rysunek 4.9c).

Zmienność parametrów transmisji dla różnych kombinacji pojemności C1 i C2 w modelu obwodu jednostkowej komórki pokazano na rysunkach 4.9d–f. W zależności od zastosowanej pojemności, można uzyskać jedno lub dwa pasma odcięcia w szerokim zakresie częstotliwości. Na przykład, zmieniając wartości pojemności C1 i C2, pasmo odcięcia można tunować od 3,5 GHz do 10,5 GHz, co pozwala na osiągnięcie zarówno pojedynczego, jak i podwójnego pasma odcięcia.

Walidację teoretycznego modelu przeprowadzono, wykonując prototyp linii transmisyjnej typu slot-loaded SSPP i dokonując pomiarów współczynników transmisji za pomocą analizatora sieci wektorowej (model: PNA-E8364C). Pomiar wykazał, że zmieniając napięcie zasilające diody waraktorowe, można kontrolować częstotliwość pasma odcięcia. Na przykład, przy stałym napięciu na diodzie D1 i zmiennym napięciu na diodzie D2, pasmo odcięcia zmieniało się od 6,5 GHz do 10,5 GHz. Podobne wyniki uzyskano przy zmiennym napięciu na diodzie D1, gdy napięcie na D2 było stałe. Wyniki te wykazują, że pasmo odcięcia można tunować w zakresie od 3,5 GHz do 10,5 GHz, co daje bardzo szeroką możliwość dostosowania w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań.

Eksperymentalne wyniki potwierdziły teoretyczne przewidywania, choć zauważono niewielkie różnice między wynikami symulacyjnymi a rzeczywistymi. Różnice te wynikają z niedokładności w wartościach pojemności podanych w kartach katalogowych komponentów używanych w symulacjach oraz z wpływu strat w diodach waraktorowych i zastosowaniu kondensatorów o niższej jakości.

Warto zauważyć, że zaprezentowana struktura filtru zapewnia szeroki zakres dostosowywania pasma odcięcia w systemach ultra-szerokopasmowych (UWB) z wykorzystaniem mniejszej liczby diod. To wyróżnia omawiane rozwiązanie na tle wcześniejszych konstrukcji pasmowo-odcięciowych, które wymagały większej liczby diod do uzyskania podobnego efektu.

Jak Spoof Surface Plasmon Polariton Zmienia Projektowanie Dzielników Mocy i Przesuwaczy Faz?

Technologia spoof surface plasmon polariton (SSPP) ma wiele zalet w porównaniu do tradycyjnych technologii, co sprawia, że staje się ona obiecującą alternatywą w projektowaniu komponentów w dziedzinach mikrofal, fal milimetrowych i terahercowych. W szczególności zastosowanie SSPP w dzielnikach mocy i przesuwaczach faz pozwala uzyskać wysoce wydajne komponenty, które są bardziej kompaktowe, oferując jednocześnie lepsze parametry techniczne, takie jak szerokopasmowa izolacja czy lepsze właściwości filtracyjne. W tym rozdziale omówimy projektowanie dwóch podstawowych komponentów, które są kluczowe w tej technologii: dzielników mocy i przesuwaczy faz.

Dzielnik mocy jest niezbędnym elementem w wielu układach, ponieważ umożliwia podział mocy sygnału na kilka portów wyjściowych. Tradycyjnie stosowane dzielniki, jak T-typowe dzielniki mocy, mogą prowadzić do problemów z izolacją między portami wyjściowymi. Aby temu zaradzić, opracowano dzielnik mocy oparty na technologii SSPP, który wykorzystuje proste rezystory, aby zapewnić dobrą izolację pomiędzy portami. Dzięki temu dzielniki mocy SSPP oferują lepszą jakość izolacji i wyższe parametry wykonania w porównaniu do klasycznych rozwiązań. W dodatku, dzielniki mocy oparte na SSPP pozwalają na realizację szerokopasmowej tłumienia harmonicznych, co jest możliwe dzięki ich charakterystykom dolnoprzepustowym. Różne konfiguracje linii transmisyjnych SSPP, takie jak podwójnie sided z żłobieniami w kształcie łuku, mogą być stosowane w projektowaniu takich dzielników.

Z kolei przesuwacz fazy, który ma kluczowe znaczenie w układach takich jak anteny z fazowaną wiązką, pozwala na precyzyjne sterowanie kierunkiem wiązki sygnału. W klasycznych technologiach przesuwacze fazy są dość rozbudowane, jednak w przypadku technologii SSPP ich konstrukcja jest bardziej kompaktowa, a możliwość modyfikacji fazy uzyskiwana jest przez regulację korygowania, co pozwala na osiągnięcie różnorodnych wariacji fazowych. Takie rozwiązanie jest bardziej elastyczne i efektywne w porównaniu do tradycyjnych przesuwaczy fazy.

Jednym z podstawowych typów dzielników mocy w technologii SSPP jest dzielnik mocy Y-kształtny, który integruje szerokopasmowy filtr odrzucenia. Takie konfiguracje mogą osiągać różne pasma odrzucenia poprzez zastosowanie różnych dekoracji w kształcie T, co pozwala na elastyczne dostosowanie właściwości dzielnika do wymagań aplikacji. Warto dodać, że dzielniki oparte na technologii SSPP pozwalają na integrację różnych funkcji mikrofalowych w jednym komponencie, takich jak anteny, filtry czy przełączniki, co czyni je bardzo uniwersalnymi.

Kiedy mówimy o izolacji w takich dzielnikach, istotne jest zastosowanie odpowiednich rezystorów w układzie, które poprawiają izolację pomiędzy portami wyjściowymi. W dzielnikach SSPP izolacja ta może być osiągnięta za pomocą rezystorów między gałęziami linii transmisyjnych SSPP. Ponadto, nowatorskie rozwiązania, takie jak użycie greckiego krzyża w strukturach fraktalnych, mogą pozwolić na dalsze udoskonalenie właściwości transmisyjnych i tłumienia harmonicznych.

Jednym z istotnych aspektów w projektowaniu dzielników mocy SSPP jest osiąganie odpowiednich współczynników podziału mocy. Ponieważ linie transmisyjne SSPP są mniej wrażliwe na grubość, stałą dielektryczną i tangens stratności materiału niż tradycyjne linie mikrofalowe, mogą stanowić doskonałą alternatywę, zwłaszcza w przypadku rozwiązań wymagających dużej precyzji.

Wspomniane wcześniej połączenie SSPP z falowodami zintegrowanymi z podłożem (SIW) prowadzi do powstania struktur pasmowoprzepustowych. Tego typu rozwiązanie łączy cechy niskoprzepustowego filtra SSPP i wysokoprzepustowego filtra SIW, umożliwiając znaczne poszerzenie zakresu kontrolowania pasma. Istotnym elementem poprawiającym tłumienie pasma poza zakresem jest dodanie struktur interdigitalnych (IS) oraz odpowiednia optymalizacja wymiarów tych struktur.

Dzięki zastosowaniu tej technologii, możliwe jest projektowanie bardziej kompaktowych urządzeń o szerszym paśmie przenoszenia. Jednak warto pamiętać, że skuteczność rozwiązania zależy od wielu czynników, takich jak wybór odpowiednich materiałów czy precyzyjne dopasowanie impedancji.

Podsumowując, w dziedzinie projektowania dzielników mocy i przesuwaczy fazy, technologia spoof surface plasmon polariton oferuje szereg korzyści, w tym kompaktowość, lepszą izolację, szersze pasmo przenoszenia oraz możliwość integracji różnych funkcji w jednym komponencie. Zastosowanie tej technologii w praktyce pozwala na realizację coraz bardziej zaawansowanych i wydajnych układów mikrofalowych, które znajdują swoje miejsce w nowoczesnych systemach komunikacyjnych, radarowych czy także w systemach terahercowych.

Jakie właściwości materiałów piezoelektrycznych determinują ich zastosowanie?
Jakie są skutki uboczne leków reumatologicznych na oczy?
Jakie materiały i technologie umożliwiają tworzenie przewodzącego papieru do nowoczesnych zastosowań?
Jakie wyzwania stoją przed bioprintingiem 3D w kontekście tkanek i organów?
Jak zarządzać znieczuleniem i leczeniem wstrząsu septycznego u noworodków z transpozycją wielkich tętnic?