Filtr pasmowy, jako kluczowy element w wielu systemach telekomunikacyjnych, radarowych i innych zastosowaniach mikrofalowych, odgrywa fundamentalną rolę w selekcji sygnałów o określonych częstotliwościach. W ostatnich latach filtry oparte na spoof powierzchniowych polarytonach plazmonowych (SSPP) zyskują na popularności, oferując szeroki zakres możliwości w projektowaniu urządzeń o niewielkich stratach i dużej efektywności. Dzięki unikalnym właściwościom, takim jak bardzo mała strata wstawki oraz szerokie pasmo przenoszenia, filtry te stają się kluczowym elementem w nowoczesnych systemach komunikacyjnych.

Jednym z najbardziej efektywnych podejść do tworzenia szerokopasmowych filtrów pasmowych (BPF) jest wykorzystanie układów SSPP. Przykładem jest projekt, w którym zastosowano strukturę z asymetrycznie przerwanymi, falistymi paskami, połączonymi za pomocą rowków i wbudowanego pierścienia podziałowego. Dzięki takim rozwiązaniom uzyskano doskonałą charakterystykę tłumienia pasma z częstotliwościami od 3 GHz do 7 GHz, z minimalną stratą wstawki wynoszącą około 1,5 dB w zakresie od 7 do 10 GHz.

Inny przykład dotyczy projektowania bardzo cienkiego i małego filtra falowodowego, który wykorzystuje metalowe pokrycia na bocznych i dolnych powierzchniach podłoża oraz metaliczne elementy wytrawione na powierzchni górnej. W takim przypadku, szerokość falowodu prostokątnego może być użyta do regulowania dolnej częstotliwości granicznej, a długość struktury przypominającej zębatkę — do regulowania górnej częstotliwości granicznej. Tego rodzaju rozwiązanie łączy zalety zarówno układów SSPP, jak i falowodów prostokątnych, pozwalając na precyzyjne dostosowanie charakterystyk pasma.

Jednym z interesujących rozwiązań jest także zastosowanie podwójnie rowkowanej linii SSPP, która umożliwia precyzyjne dostrojenie częstotliwości granicznych w szerokim zakresie. Filtry zaprojektowane w taki sposób oferują doskonałą selektywność pasma przepustowego, osiągając wysokie tłumienie sygnałów spoza pasma oraz minimalną stratę wstawki. Wartością dodatnią jest możliwość dodania do układu komórek w kształcie litery „U”, które pozwalają na dalsze poprawienie selektywności pasma przepustowego. Zastosowanie takich technologii umożliwia uzyskanie pasma przepustowego o szerokości 3 dB wynoszącej 18,9% oraz tłumienie poza pasmem przekraczające 20 dB w zakresie od 6,18 do 10,12 GHz oraz od 12,78 do 19 GHz.

Kolejnym interesującym rozwiązaniem jest użycie struktury spoof SSPP w technologii falowodu współplanarnego (CPW), gdzie wyższa częstotliwość graniczna jest regulowana przez quasi-SSPP, a niższa przez strukturę interdigitalną. Takie podejście umożliwia uzyskanie pasma przenoszenia o szerokości 63,6% w zakresie od 8,8 GHz do 17 GHz, z minimalną stratą wstawki wynoszącą poniżej 0,2 dB, co czyni ten filtr jednym z najbardziej efektywnych w swojej kategorii.

Innowacyjne rozwiązania, takie jak zastosowanie technologii falowodów prostokątnych z corrugowanymi blokami metalowymi w połączeniu z SSPP, pozwalają na niezależne dostosowanie częstotliwości granicznych. Projektowane filtry z taką strukturą oferują niski poziom strat wstawki w zakresie od 80,1 GHz do 93,8 GHz, co czyni je odpowiednimi do zastosowań w pasmach W, wykorzystywanych w nowoczesnych systemach komunikacyjnych.

Filtry oparte na SSPP mają także potencjał w zakresie rozwoju urządzeń pracujących w bardzo wysokich częstotliwościach, jak THz, gdzie zastosowanie takich technologii pozwala na precyzyjne filtrowanie sygnałów w pasmach od 0,65 THz do 2,02 THz. Dzięki możliwości regulacji częstotliwości granicznych i niskim stratom wstawki, filtry te mogą znaleźć zastosowanie w najbardziej wymagających aplikacjach.

Warto zauważyć, że w filtrach opartych na SSPP bardzo istotnym czynnikiem jest także ich elastyczność. Przykładem może być filtr pasmowy oparty na strukturze CPW z komórkami w kształcie „bow-tie”, który wykazuje doskonałą selektywność, a jednocześnie może być testowany w różnych stanach – zgiętym, złożonym lub skręconym. Elastyczność ta sprawia, że filtry takie stają się atrakcyjnym rozwiązaniem w aplikacjach, które wymagają niestandardowych konfiguracji, takich jak urządzenia przenośne czy systemy, które muszą funkcjonować w różnych warunkach mechanicznych.

Z perspektywy projektanta filtrów pasmowych, kluczowym zagadnieniem jest zrozumienie, jak parametry struktury SSPP wpływają na charakterystykę pasma przepustowego i tłumienia pasma stopu. Dlatego tak istotne jest dokładne dostosowanie takich parametrów jak szerokość i wysokość komórek SSPP, a także geometria falowodów i ich właściwości materiałowe. Przy odpowiednim doborze tych parametrów możliwe jest uzyskanie filtrów o bardzo wąskim pasmie przepustowym i doskonałych właściwościach tłumienia.

Jak projektować filtry z pasmem odcięcia za pomocą powierzchniowych polarytonów plazmonowych (SSPP)?

Filtry o wąskim paśmie charakteryzujące się wysoką wydajnością mogą zostać zaprojektowane z wykorzystaniem technologii powierzchniowych polarytonów plazmonowych (SSPP), które umożliwiają miniaturyzację komponentów przy zachowaniu niskich strat wtrąceniowych. W szczególności, SSPP i zintegrowane fale mikropaskowe (SIW) współpracują w układach, które wykazują różnorodne charakterystyki pasmowe, odpowiednie do stosowania w pasmach Ka. W takich systemach pasmo przenoszenia jest ograniczone, a granice odcięcia mogą być dostosowane w taki sposób, aby zapewnić wysoką izolację w pożądanym paśmie.

Spośród różnych typów technologii stosowanych do projektowania filtrów, SSPP wyróżnia się ze względu na swoje wyjątkowe cechy: niską dyspersję nieliniową, niski crosstalk, spowolnioną falę oraz subwielkościowe ograniczenie pól. Ponadto, można je łączyć z innymi strukturami SSPP lub liniami transmisyjnymi, co pozwala na uzyskanie jeszcze lepszych wyników. Przykładem może być filtr pasmowo-przepustowy zaprojektowany przy użyciu struktury SSPP w kształcie litery „I”, który wykazuje szeroką charakterystykę pasma z pasmem 3 dB o szerokości zaledwie 3% i stratami wtrąceniowymi wynoszącymi tylko 1,5 dB, przy częstotliwości pracy wynoszącej 30 GHz.

W kontekście aplikacji Ultra-Wideband (UWB), charakterystyka pasma odcięcia odgrywa kluczową rolę. Filtry z pasmem odcięcia w systemach UWB są projektowane w taki sposób, aby skutecznie eliminować zakłócenia w paśmie roboczym. Często uzyskuje się to poprzez dodanie odpowiednich filtrów do systemów UWB, które tworzą pasma z charakterystyką odcięcia. Jednak filtry o stałych pasmach odcięcia mogą być wrażliwe na zmieniające się poziomy zakłóceń wewnątrz pasma. Stąd konieczność dostosowania ich parametrów w zależności od zastosowania.

W technologii SSPP do poprawy izolacji pasmowej wykorzystywane są różne techniki, takie jak wprowadzanie szczelinowych rezonatorów o różnych częstotliwościach rezonansu. Na przykład w transmisyjnej linii SSPP z grawerowanymi pierścieniami split-ring resonators (SRRs) można uzyskać pasmo odrzucenia o szerokości 50 dB w zakresie 128-158 GHz. W takim systemie filtry mogą osiągać szersze pasma odcięcia, a także znacznie lepsze parametry izolacji, co jest istotne w zastosowaniach związanych z częstotliwościami terahercowymi.

Wykorzystanie formowanych struktur SSPP jest również istotnym krokiem w miniaturyzacji układów. Przykładem jest wykorzystanie falowodu SSPP o formowanej linii, gdzie wymiary boczne mogą zostać zmniejszone o 56% w porównaniu do tradycyjnych falowodów. Takie podejście prowadzi do lepszego ograniczenia pola elektromagnetycznego, co pozwala na uzyskanie lepszej miniaturyzacji, a także silniejszego przechwytywania pola.

Innym interesującym rozwiązaniem jest wykorzystanie struktury interdigitalnej, która zwiększa szerokość pasma odrzucenia w filtrze pasmowo-przepustowym. Dodanie struktury interdigitalnej do jednostki formowanej linii pozwala na osiągnięcie szerokiego pasma stopbandu w porównaniu do klasycznych filtrów pasmowo-przepustowych. Tego typu innowacje zwiększają elastyczność w dostosowywaniu parametrów filtrów, co jest niezbędne w zaawansowanych aplikacjach komunikacyjnych i radiowych.

W projektowaniu filtrów z pasmem odcięcia istotną rolę odgrywają także techniki wprowadzania rezonatorów do linii transmisyjnych. Szczególnie interesującym rozwiązaniem jest wykorzystanie rezonatorów w kształcie podwójnych pierścieni lub ukształtowanych jednostek spiralnych, co pozwala na uzyskanie charakterystyki odrzutu o dużej izolacji. Takie filtry mogą osiągać izolację przekraczającą 30 dB i mogą być używane do tworzenia bardziej zaawansowanych układów filtrujących z wieloma pasmami odcięcia.

Na zakończenie warto zauważyć, że projektowanie filtrów w oparciu o technologie SSPP umożliwia tworzenie niezwykle kompaktowych układów, które charakteryzują się wysoką efektywnością i elastycznością. W zastosowaniach takich jak systemy UWB, terahercowe układy komunikacyjne, czy technologie radarowe, filtry SSPP oferują ogromne możliwości w zakresie projektowania układów o niskiej stracie wtrąceniowej, dużej izolacji oraz szerokim paśmie odcięcia. Istnieje także duży potencjał do rozwoju filtrów o różnych topologiach, takich jak filtry wielopasmowe, które mogą zaspokoić rosnące potrzeby w zaawansowanych aplikacjach komunikacyjnych.

Jak zaprojektować filtr pasmowo-zatrzymujący oparty na plazmonach powierzchniowych (SSPP)?

Filtr pasmowo-zatrzymujący o wąskim pasmie (NWB BPF), wykorzystujący strukturę rezonatora o kształcie góry, składa się z dielektrycznego podłoża, metalowej płaszczyzny gruntowej i wbudowanej linii transmisyjnej SSPP w kształcie litery U. Dzięki tej konstrukcji, filtr ten uzyskuje efektywność w zakresie szerokopasmowego tłumienia pasma. Wąskie pasmo zatrzymania generowane jest za pomocą załadowanej struktury rezonatora, co pozwala na uzyskanie bardzo precyzyjnej selektywności w zakresie od 4,35 GHz do 8,12 GHz, z pasmem zatrzymania 6,2–6,7 GHz oraz tłumieniem przekraczającym -20 dB. Ważną cechą zaprojektowanego NWB BPF jest możliwość niezależnej regulacji zarówno częstotliwości odcięcia pasma przepustowego, jak i położenia pasma zatrzymania poprzez modyfikację parametrów geometrycznych tego filtra.

Również filtry pasmowo-zatrzymujące oparte na fałszywych plazmonach powierzchniowych, stosujące gradientowe półokrągłe rowki wytrawione po obu stronach środkowej linii strip linii falowodów współplanarnych, osiągają wysoką efektywność tłumienia w wybranych pasmach. Zmieniając długość komórki jednostkowej i promień półokrągłych otworów, można regulować częstotliwość zatrzymania pasma oraz szerokość pasma operacyjnego. Wyniki analiz parametrycznych pozwalają lepiej zrozumieć, jak ważne parametry wpływają na wydajność tego rodzaju filtrów, co ułatwia ich praktyczne zaprojektowanie.

Innym podejściem jest zastosowanie filtrów pasmowo-zatrzymujących do ultrawidebandowych falowodów mikrofalowych, opartych na plazmonach powierzchniowych SSPP. Tego typu filtry wyróżniają się mniejszymi rozmiarami, dzięki subwavelengthowemu ograniczeniu, co nie wpływa na ich wydajność. Filtr ten umożliwia tłumienie zakłóceń zarówno z systemów WLAN, jak i komunikacji satelitarnej, osiągając częstotliwość odcięcia na poziomie 20 GHz. Zmieniając parametry struktury, można osiągnąć częstotliwość odcięcia rzędu 17,4 GHz, z tłumieniem lepszym niż 3 dB w całym paśmie przepustowym i przekraczającym 20 dB w pasmach zakłócających, takich jak 5,36 GHz i 9,32 GHz.

Kolejną interesującą techniką jest projektowanie filtrów pasmowo-zatrzymujących opartych na wielokrotnych pasmach zatrzymania, osiąganych poprzez stosowanie dekoracji w kształcie oznaczeń π na strukturach SSPP. Dzięki dostosowywaniu parametrów geometrycznych tych dekoracji, takich jak szerokość i geometria, możliwa jest precyzyjna regulacja szerokości pasma, izolacji i przesunięcia częstotliwości zatrzymania. Takie filtry pozwalają na osiągnięcie większej kontroli nad filtrami, które mogą pracować w dwóch pasmach częstotliwości jednocześnie, np. w paśmie Ku i K.

W przypadku zastosowań ultrawideband (UWB) stosuje się kontrolowane filtry pasmowo-zatrzymujące oparte na plazmonach powierzchniowych SSPP, które korzystają z rezonatorów pierścieniowych CSRR. Do osiągnięcia odpowiednich właściwości tłumienia pasma w płaszczyźnie gruntu wstawiane są cztery rezonatory CSRR. Głębię rowków SSPP można regulować, aby kontrolować częstotliwość odcięcia filtra. Zmieniając parametry geometryczne i rozmieszczenie rezonatorów CSRR, można precyzyjnie kontrolować częstotliwość i szerokość pasma zatrzymania, bez wpływu na częstotliwość odcięcia. Dla przykładu, przy różnych średnicach rezonatorów CSRR, możliwe jest uzyskanie pasm zatrzymania w różnych zakresach częstotliwości, takich jak 10,5–11,2 GHz lub 7,8–8,6 GHz, przy stałej częstotliwości odcięcia około 13,1 GHz.

Filtry pasmowo-zatrzymujące oparte na kaskadowych plazmonach powierzchniowych SSPP z różnymi pasmami zatrzymania, ale o tej samej strukturze, pozwalają na implementację filtrów z pasmami zatrzymania o szerokim zakresie częstotliwości. Takie filtry zapewniają lepszą niezależną regulację, szersze pasma zatrzymania i bardziej zwarte konstrukcje w porównaniu do tradycyjnych filtrów. Można niezależnie regulować częstotliwość odcięcia, szerokość pasma zatrzymania i częstotliwość centrum pasma zatrzymania.

Również w literaturze pojawiają się techniki wykorzystywania struktur metamaterialnych do regulacji współczynnika tłumienia SSPP. Wprowadzenie struktur metamaterialnych w pobliżu ultracienkich pasków metalowych pozwala na ścisłe sprzężenie i dopasowanie impedancji powierzchniowej, co umożliwia kontrolowanie tłumienia w różnych zakresach częstotliwości, od wąskopasmowych do szerokopasmowych.

Nowością jest również wprowadzenie pojemnościowego sprzężenia serii SSPP, które generuje pasmo zatrzymania. Nowe komórki jednostkowe tworzy się z dwóch tradycyjnych komórek w kształcie litery H, tworząc w ten sposób pojemnościowe sprzężenie. To sprzężenie powoduje rozregulowanie początkowego dopasowania impedancji powierzchniowej, co prowadzi do pojawienia się pasma zatrzymania. Tego typu filtry zachowują pasmo przepustowe w zakresie 5–9 GHz i 9,5–11 GHz, jednocześnie tworząc pasmo zatrzymania w przedziale 9–9,5 GHz.

Tego rodzaju filtry pasmowo-zatrzymujące stają się coraz bardziej zaawansowane dzięki innowacyjnym technologiom wykorzystującym plazmony powierzchniowe SSPP oraz struktury metamaterialne, które zapewniają wysoką efektywność i precyzyjność tłumienia zakłóceń w wymagających zastosowaniach, takich jak komunikacja bezprzewodowa czy systemy satelitarne.

Jak retoryka Donalda Trumpa kształtowała amerykańską debatę publiczną?
Procesy polimeryzacji przy użyciu lasera femtosekundowego i ich zastosowania w mikro/nano wytwarzaniu 3D
Jakie znaczenie mają bieguny i zera funkcji Chebysheva w dyskretyzacji spektroskopowej dla układów opóźnionych?
Jak dbać o nano-texturowane szkło w urządzeniach Apple?
Jak Stosować Metodę Uśredniania Stochastycznego w Układach Nieliniowych Z Drganiami Zewnętrznymi i Szumem?