Теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами
Предложен управляемый полосно-пропускающий фильтр терагерцевого (ТГц) диапазона с вентильными свойствами на основе неоднородной анизотропной структуры. С этой целью исследована зависимость отражающих свойств анизотропных слоистых сред в ТГц диапазоне от частоты, величины и направления магнитного пол...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106072 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами / К.А. Вытовтов, А.Д. Архипов // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 2. — С. 86-89. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106072 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Вытовтов, К.А. Архипов, А.Д. 2016-09-16T05:46:21Z 2016-09-16T05:46:21Z 2014 Теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами / К.А. Вытовтов, А.Д. Архипов // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 2. — С. 86-89. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106072 548:537.874.35 Предложен управляемый полосно-пропускающий фильтр терагерцевого (ТГц) диапазона с вентильными свойствами на основе неоднородной анизотропной структуры. С этой целью исследована зависимость отражающих свойств анизотропных слоистых сред в ТГц диапазоне от частоты, величины и направления магнитного поля. На основании полученных результатов предложена слоистая структура с произвольными углом падения и ориентацией оси анизотропии. Для получения наиболее приемлемых параметров устройства здесь также решалась задача оптимизации. Актуальность темы обусловлена прежде всего быстрым развитием систем связи ТГц диапазона., В этой связи немаловажна разработка управляемых устройств и уменьшение их габаритных размеров. Таким образом, полученные результаты представляются интересными для использования в современных системах связи. Методы расчета, используемые в данной работе, являются полностью аналитическими и могут без каких-либо ограничений использоваться в изучаемом диапазоне частот. В задаче оптимизации выбор методов Монте-Карло и Ньютона обусловлен многоэкстремумным характером частотно-угловой зависимости коэффициента отражения анизотропных слоистых структур. Запропоновано керований смугопропускний фільтр терагерцового (ТГц) діапазону з вентильними властивостями на основі неоднорідної анізотропної структури. З цією метою досліджено залежність відбивних властивостей анізотропних шаруватих середовищ у ТГц діапазоні від частоти, величини та напрямку магнітного поля. Базуючись на отриманих результатах, запропоновано структуру з довільними кутом падіння й орієнтацією вісі анізотропії. Для отримання найбільш прийнятних параметрів пристрою також розв’язувалась задача оптимізації. Актуальність теми зумовлена перш за все швидким розвитком ТГц систем зв’язку, саме тому особливу важливість отримує розробка керованих пристроїв та зменшення їх габаритних розмірів. Таким чином, отримані результати можуть бути цікавими для використання в сучасних системах зв’язку. Методи розрахунку, використані в роботі, повністю аналітичні та можуть бути використані у даному діапазоні частот без будь-яких обмежень. У задачі оптимізації вибір методів Монте-Карло та Ньютона зумовлено багатоекстремумним характером частотно-кутової залежності коефіцієнта відбиття анізотропних шаруватих структур. Controlled frequency-transmit filter with isolator properties for terahertz band is presented in this work. The filter is based on non-homogeneous anisotropic structure. For this purpose the frequency, axis orientation and field value dependences are investigated for layered anisotropic structures. On the basis of the obtained results a layered structure with arbitrary axis orientation and arbitrary wave incidence is proposed. Optimization problem is solved for the acceptable characteristics obtaining. The theme is important because of fast terahertz telecommunications development. Thereby, development of controlled devices and their minimization is important. The obtained results may be useful for modern telecommunication systems. Calculation methods are fully analytical and may be used in any frequency region. Monte-Carlo and Newton optimization methods were chosen because the frequency-orientation characteristics of reflection coefficient of anisotropic layered structure are a multiextremal function. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Микроволновая и терагерцевая техника Теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами Теоретична модель керованого смугового фільтра терагерцового діапазону з вентильними властивостями Theoretical model of controlled frequency-transmit terahertz band filter with isolator properties Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами |
| spellingShingle |
Теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами Вытовтов, К.А. Архипов, А.Д. Микроволновая и терагерцевая техника |
| title_short |
Теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами |
| title_full |
Теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами |
| title_fullStr |
Теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами |
| title_full_unstemmed |
Теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами |
| title_sort |
теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами |
| author |
Вытовтов, К.А. Архипов, А.Д. |
| author_facet |
Вытовтов, К.А. Архипов, А.Д. |
| topic |
Микроволновая и терагерцевая техника |
| topic_facet |
Микроволновая и терагерцевая техника |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Радіофізика та електроніка |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Теоретична модель керованого смугового фільтра терагерцового діапазону з вентильними властивостями Theoretical model of controlled frequency-transmit terahertz band filter with isolator properties |
| description |
Предложен управляемый полосно-пропускающий фильтр терагерцевого (ТГц) диапазона с вентильными свойствами на основе неоднородной анизотропной структуры. С этой целью исследована зависимость отражающих свойств анизотропных слоистых сред в ТГц диапазоне от частоты, величины и направления магнитного поля. На основании полученных результатов предложена слоистая структура с произвольными углом падения и ориентацией оси анизотропии. Для получения наиболее приемлемых параметров устройства здесь также решалась задача оптимизации. Актуальность темы обусловлена прежде всего быстрым развитием систем связи ТГц диапазона., В этой связи немаловажна разработка управляемых устройств и уменьшение их габаритных размеров. Таким образом, полученные результаты представляются интересными для использования в современных системах связи. Методы расчета, используемые в данной работе, являются полностью аналитическими и могут без каких-либо ограничений использоваться в изучаемом диапазоне частот. В задаче оптимизации выбор методов Монте-Карло и Ньютона обусловлен многоэкстремумным характером частотно-угловой зависимости коэффициента отражения анизотропных слоистых структур.
Запропоновано керований смугопропускний фільтр терагерцового (ТГц) діапазону з вентильними властивостями на основі неоднорідної анізотропної структури. З цією метою досліджено залежність відбивних властивостей анізотропних шаруватих середовищ у ТГц діапазоні від частоти, величини та напрямку магнітного поля. Базуючись на отриманих результатах, запропоновано структуру з довільними кутом падіння й орієнтацією вісі анізотропії. Для отримання найбільш прийнятних параметрів пристрою також розв’язувалась задача оптимізації. Актуальність теми зумовлена перш за все швидким розвитком ТГц систем зв’язку, саме тому особливу важливість отримує розробка керованих пристроїв та зменшення їх габаритних розмірів. Таким чином, отримані результати можуть бути цікавими для використання в сучасних системах зв’язку. Методи розрахунку, використані в роботі, повністю аналітичні та можуть бути використані у даному діапазоні частот без будь-яких обмежень. У задачі оптимізації вибір методів Монте-Карло та Ньютона зумовлено багатоекстремумним характером частотно-кутової залежності коефіцієнта відбиття анізотропних шаруватих структур.
Controlled frequency-transmit filter with isolator properties for terahertz band is presented in this work. The filter is based on non-homogeneous anisotropic structure. For this purpose the frequency, axis orientation and field value dependences are investigated for layered anisotropic structures. On the basis of the obtained results a layered structure with arbitrary axis orientation and arbitrary wave incidence is proposed. Optimization problem is solved for the acceptable characteristics obtaining. The theme is important because of fast terahertz telecommunications development. Thereby, development of controlled devices and their minimization is important. The obtained results may be useful for modern telecommunication systems. Calculation methods are fully analytical and may be used in any frequency region. Monte-Carlo and Newton optimization methods were chosen because the frequency-orientation characteristics of reflection coefficient of anisotropic layered structure are a multiextremal function.
|
| issn |
1028-821X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106072 |
| citation_txt |
Теоретическая модель управляемого полосового фильтра терагерцевого диапазона с вентильными свойствами / К.А. Вытовтов, А.Д. Архипов // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 2. — С. 86-89. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT vytovtovka teoretičeskaâmodelʹupravlâemogopolosovogofilʹtrateragercevogodiapazonasventilʹnymisvoistvami AT arhipovad teoretičeskaâmodelʹupravlâemogopolosovogofilʹtrateragercevogodiapazonasventilʹnymisvoistvami AT vytovtovka teoretičnamodelʹkerovanogosmugovogofílʹtrateragercovogodíapazonuzventilʹnimivlastivostâmi AT arhipovad teoretičnamodelʹkerovanogosmugovogofílʹtrateragercovogodíapazonuzventilʹnimivlastivostâmi AT vytovtovka theoreticalmodelofcontrolledfrequencytransmitterahertzbandfilterwithisolatorproperties AT arhipovad theoreticalmodelofcontrolledfrequencytransmitterahertzbandfilterwithisolatorproperties |
| first_indexed |
2025-11-25T12:07:20Z |
| last_indexed |
2025-11-25T12:07:20Z |
| _version_ |
1850511960448172032 |
| fulltext |
ММИИККРРООВВООЛЛННООВВААЯЯ ИИ ТТЕЕРРААГГЕЕРРЦЦЕЕВВААЯЯ ТТЕЕХХННИИККАА
________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2014. Т. 5(19). № 2 © ИРЭ НАН Украины, 2014
УДК 548:537.874.35
К. А. Вытовтов, А. Д. Архипов
Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара
72, пр. Гагарина, Днепропетровск, 49010, Украина
E-mail: vytovtov_konstan@mail.ru
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЯЕМОГО ПОЛОСОВОГО ФИЛЬТРА
ТЕРАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА С ВЕНТИЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ
Предложен управляемый полосно-пропускающий фильтр терагерцевого (ТГц) диапазона с вентильными свойствами на
основе неоднородной анизотропной структуры. С этой целью исследована зависимость отражающих свойств анизотропных слоис-
тых сред в ТГц диапазоне от частоты, величины и направления магнитного поля. На основании полученных результатов предложе-
на слоистая структура с произвольными углом падения и ориентацией оси анизотропии. Для получения наиболее приемлемых
параметров устройства здесь также решалась задача оптимизации. Актуальность темы обусловлена прежде всего быстрым разви-
тием систем связи ТГц диапазона., В этой связи немаловажна разработка управляемых устройств и уменьшение их габаритных
размеров. Таким образом, полученные результаты представляются интересными для использования в современных системах связи.
Методы расчета, используемые в данной работе, являются полностью аналитическими и могут без каких-либо ограничений ис-
пользоваться в изучаемом диапазоне частот. В задаче оптимизации выбор методов Монте-Карло и Ньютона обусловлен много-
экстремумным характером частотно-угловой зависимости коэффициента отражения анизотропных слоистых структур. Ил. 4. Биб-
лиогр.: 15 назв.
Ключевые слова: терагерцы, антиферромагнетик, слоистые среды, управляемый фильтр, вентиль.
Терагерцевый (ТГц) диапазон частот яв-
ляется объектом активных исследований в по-
следнее десятилетие [1], хотя отметим, что одни
из ранних исследований в этом диапазоне были
проведены еще в 1960-х гг. [2] и обусловлены
появлением первых приемников и передатчиков
специального назначения. На сегодняшний день
разработка новых устройств ТГц диапазона явля-
ется достаточно широким направлением, объеди-
няющим множество разнообразных научно-
технических задач, и разработка управляемых
частотно-избирательных устройств ТГц диапазо-
на представляет собой одну из важных задач
этого направления. Разработке именно такого
устройства и посвящена данная работа.
Наиболее распространенными материа-
лами для построения управляемых устройств в
ТГц диапазоне, таких как фильтры, вентили, фазо-
вращатели, являются анизотропные материалы [2].
Отметим что, они позволяют создавать также и
избирательные по углам падения устройства [3].
В настоящей работе рассчитывается
фильтр на основе неоднородного анизотропного
материала. Особенностью предлагаемого фильт-
ра, кроме возможности управления магнитным
полем, являются его невзаимные свойства, а
именно в полосе пропускания для прямого на-
правления прохождения в обратном направлении
прохождение отсутствует. Таким образом, мы
предлагаем устройство, представляющее собой
одновременно и управляемый фильтр, и вентиль.
Оптимизация параметров слоистых
структур и устройств на их основе является важ-
ной практической задачей [3–5]. Одной из первых
работ, посвященных автоматизации синтеза изо-
тропных слоистых сред, в которой процесс синтеза
полностью автоматизирован, является статья [6].
Современные работы, например [6–8], предлага-
ют методы синтеза слоистых сред, основанные на
преобразовании Фурье [6], комплексные методы,
основанные на стохастических и эквивалентных
принципах [7], также исследуются методы мини-
мизации дефектов производства на свойства
слоистых сред [8]. На сегодняшний день боль-
шинство методик оптимизации разработано и
тестировано для синтеза изотропных слоистых
сред. Вопросы оптимизации анизотропных слои-
стых сред, хотя и являются актуальными, иссле-
дованы не так широко, следовательно, результаты
этой части работы также представляют практиче-
ский интерес.
1. Постановка задачи. Нами прежде все-
го рассмотрено отражение плоской электромаг-
нитной волны от слоистой анизотропной среды с
произвольным направлением оси анизотропии
антиферромагнетика при произвольном угле па-
дения этой волны. Геометрия рассматриваемой
задачи представлена на рис. 1.
Рис. 1. Геометрия рассматриваемой задачи
X′
Y′
Z′
X Y
Z
kотрkпад
α α
К. А. Вытовтов, А. Д. Архипов / Теоретическая модель управляемого…
_________________________________________________________________________________________________________________
87
Здесь kпад, kотр – направление падения и отраже-
ния волны соответственно; XYZ – система коор-
динат, связанная с нормалью к границам раздела;
X′Y′Z′ – система координат, связанная с осью ани-
зотропии (направлением магнитного поля) Z'.
Другими словами, ось анизотропии Z' имеет про-
извольный угол наклона и эта ось не находится в
плоскости падения. Исследуемая структура со-
стоит из слоев антиферромагнетика с произволь-
ным направлением оси анизотропии и изотропно-
го диэлектрика. Свойства антиферромагнетика
описываются тензором магнитной проницаемости
в гиротропной форме [9, 10]
.
00
0
0
zz
xxxy
xyxx
j
j
μ
μμ
μμ
μ −= (1)
В работе учитывается частотная дисперсия
свойств слоев и потери в среде, соответственно,
компоненты в тензоре (1) – комплексные величи-
ны. Тангенс угла потерь в рабочей области при-
близительно равен 0,001. Зависимости компонент
тензора от частоты с учетом потерь для FeF2
представлены на рис. 2.
а)
б)
Рис. 2. Зависимость действительной и мнимой частей компо-
нент μxx (а) и μxy (б) тензоров магнитной проницаемости от
частоты
Целью работы является разработка
управляемого устройства ТГц диапазона, вклю-
чающего в себя управляемый полосовой фильтр и
вентиль на основе одной структуры. Для этого
исследуется зависимость коэффициента отраже-
ния слоистой структуры от частоты, а также на-
правления и величины внешнего магнитного поля.
2. Метод исследования. Для исследования
в работе случае используются аналитические метoды:
4×4 матрицы преобразования [11] и 2×2 матрицы
отражения [12]. В соответствии с методом [11] мат-
рица преобразования М связывает тангенциаль-
ные компоненты полей на обеих границах плоско-
параллельной пластины. Этот метод является ши-
роко распространенным в электродинамике и
в [11] представлен для наиболее общего случая
анизотропной среды. Однако он использовался и
ранее для изучения свойств более простых случа-
ев изотропных слоистых структур [13].
Важно отметить, что для решения по-
ставленной задачи параметры материалов (1)
должны быть приведены в систему координат XYZ
с помощью хорошо известного преобразования
Эйлера [14], таким образом, нами рассматривается
среда уже со всеми девятью ненулевыми компо-
нентами тензора магнитной проницаемости [11].
2×2-матрицы отражения для ТЕ- и
ТМ-волны находится в соответствии с хорошо
известным методом исходя из соотношений [12]
)(1
)(1
1
1
)(1
)(1
1
1
xxy
yy
yy
xx
x
y
y
x
xxy
yy
yy
xx
x
y
y
x
RA
RA
RA
RA
T
T
T
T
RA
RA
RA
RA
T
T
T
T
+
+−
−
−
×=−
−
−−
+
+
×=−
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
M
M
(2)
для ТЕ- и ТМ-волны соответственно. Здесь Ax,
Ay – нормированные тангенциальные компоненты
падающей, Tx, Ty – прошедшей и Rx, Ry – отра-
женной волн; M – 4×4 матрица преобразования
структуры; ρ – волновое сопротивление вакуума.
Для выбора требуемых параметров струк-
туры в работе решалась задача оптимизации. Та-
ковыми являются материальные параметры слоев,
толщины слоев, ориентации оси анизотропии и
порядка их следования для получения заданного
коэффициента отражения. Целевая отражательная
характеристика задана функционалом ),( fT а
эффективность каждого шага оптимизационного
процесса может быть рассчитана как [7]
∫ −=
2
1
,)())()(( 2
f
f
dfffTfRF υ (3)
Re(μxx) ⎯
Im(μxx) − −
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 f, ТГц
μ /μ0
30
20
10
0
–10
–20
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 f, ТГц
Re(μxx) ⎯
Im(μxx) − −
μ /μ0
30
20
10
0
–10
–20
К. А. Вытовтов, А. Д. Архипов / Теоретическая модель управляемого…
_________________________________________________________________________________________________________________
88
где )( fR – полученная отражательная характерис-
тика, )( fυ – весовая функция, определяющая ве-
сомость рассматриваемого частотного диапазона.
При численном расчете частотную зави-
симость коэффициента отражения )( fR невоз-
можно вычислить во всех точках заданного час-
тотного диапазона, поэтому рационально выбрать
конечное количество частот. В таком случае вы-
ражение (2) принимает вид
.))()((
1
2∑
=
−=
L
i
iii fTfRF υ (4)
Задача поиска оптимальной структуры
считается решенной в случае, когда ,δ≤F где
δ – требуемая точность решения.
3. Полученные результаты и обсужде-
ние. В ходе численного эксперимента проведены
исследования зависимости коэффициента отра-
жения от величины подмагничивающего поля для
различных конфигураций анизотропных слоис-
тых сред. Для исследования были выбраны струк-
туры на основе антиферромагнетика FeF2 с пара-
метрами, представленными в работе [15] (рис. 2)
и изотропного диэлектрика SiO2. Важно отметить,
что FeF2 имеет частоту антиферромагнитного
резонанса именно в исследуемом диапазоне час-
тот, а именно 1,5 ТГц. Рассчитанная на основе
этого вещества слоистая среда может эффективно
управляться в диапазоне излучения мощных ис-
точников ТГц излучения, что позволяет использо-
вать структуру в качестве фильтра в перспектив-
ных системах связи ТГц диапазона. Конечно же,
материал имеет недостаток – низкую температуру
Керра, однако при этом обладает малыми поте-
рями в рассматриваемом диапазоне частот.
На рис. 3 представлены результаты чис-
ленных расчетов частотной зависимости коэффи-
циента отражения для 16-слойной структуры,
составленной из чередующихся слоев FeF2 тол-
щиной 0,067…0,15 мм и SiO2 толщиной 0,24 мм.
Результаты соответствуют внешнему магнитному
полю, направленному под углом 10° к поверхнос-
ти структуры и падению ТЕ-волны под углом 45°.
Рис. 3. Частотная зависимость коэффициента отражения для
описываемой слоистой структуры и напряженности внешнего
поля 0,05…0,15 Тл
Сплошной черной линией представлен
график зависимости коэффициента отражения от
частоты для магнитного поля 0,1 Тл. Полоса про-
пускания по уровню 0,5 при этом составляет
0,57 ТГц (1,96…2,53 ТГц). Уровень отсечки по-
бочного излучения при этом 0,01…0,48. При из-
менении внешнего магнитного поля может осу-
ществляться перестройка данного фильтра. Изме-
нение величины подмагничивающего поля при-
водит к сдвигу полосы пропускания по частоте.
Так, для поля 0,05 Тл это диапазон 2,04…2,65 ТГц,
уровень отсечки побочного излучения – 0,45–0,03.
Для поля 0,15 Тл это диапазон от 1,88…2,42 ТГц,
уровень отсечки побочного излучения – 0,5–0,05.
Таким образом, изменение магнитного поля в
пределах 0,05…0,15 Тл приводит к изменению
средней частоты в пределах 2,13…2,32 ТГц.
Отметим, что данное устройство является
невзаимным: при падении волны под углом –45°
на данную структуру коэффициент отражения в
рабочей полосе частот не превышает 0,02. Это
позволяет рассматривать данное устройство не
только как управляемый фильтр, но и как вентиль
ТГц диапазона. Другими словами, здесь предло-
жено устройство, состоящее из двух элементов на
одной анизотропной СВЧ-структуре. Такое реше-
ние позволяет проектировать более компактные
устройства ТГц диапазона. Физически такое яв-
ление объясняется тем, что при падении волны
под углом α и под углом –α угол между волно-
вым вектором и осью анизотропии оказывается
разным. Как следствие, разными будут волновые
числа и компоненты полей этих волн. Очевидно,
что разными оказываются коэффициенты отра-
жения и прохождения для углов падения α и –α.
Кроме того, в рассматриваемой структуре при-
сутствует и эффект Фарадея, который также оп-
ределяет вентильные свойства структуры.
Рассмотрим влияние угла наклона оси
анизотропии на амплитудно-частотную характе-
ристику фильтра. Нами были проведены исследо-
вания влияния угла наклона оси анизотропии на
характеристики фильтра и в качестве примера
представлен один из результатов (рис. 4).
Рис. 4. Частотная зависимость коэффициента отражения опи-
сываемой структуры для измененной ориентации внешнего
поля и напряженности внешнего поля 0,05…0,15 Тл
0,05 Тл − ⋅
0,10 Тл ⎯
0,15 Тл − −
1 1,5 2 2,5 3 3,5 f, ТГц
R
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 f, ТГц
R
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,05 Тл ⎯
0,10 Тл − −
0,15 Тл − ⋅
К. А. Вытовтов, А. Д. Архипов / Теоретическая модель управляемого…
_________________________________________________________________________________________________________________
89
Здесь угол наклона оси 15°, полоса отра-
жения по уровню 0,5 равна 0,61 ТГц, максималь-
ный коэффициент отражения равен 0,71, уровень
отсечки побочного излучения равен 0,35. Таким
образом, увеличение угла наклона на 5° приводит
к расширению полосы отражения сигнала в
1,1 раза, ослаблению отсечки побочного излучения
до 35 раз, а также уменьшению коэффициента
отражения в 1,13 раз.
Исходя из сказанного выше, данное уст-
ройство не может управляться механически посред-
ством изменения направления магнитного поля.
Выводы. Приведены результаты иссле-
дований зависимости коэффициента отражения
слоистой среды от частоты, направления и вели-
чины внешнего магнитного поля. С использова-
нием методов оптимизации были выбраны пара-
метры структуры, позволяющие использовать ее
как управляемый полосовой фильтр ТГц диапазо-
на, обладающий вентильными свойствами. Пока-
зано, что изменения величины магнитного поля
на ±0,05 Тл приводят к смещению средней часто-
ты фильтра, однако изменения направления маг-
нитного поля ведут к нарушению избирательных
свойств коэффициента отражения от частоты.
Полученная структура может найти свое приме-
нение в системах связи ТГц диапазона, как в пе-
редающей, так и в приемной части тракта.
Библиографический список
1. Kleine-Ostmann T. A review on terahertz communications
research / T. Kleine-Ostmann, T. Nagatsuma // J. of Infrared,
Millimeter, and Terahertz Waves. – 2011. – 32, iss. 2. –
P. 143–171.
2. Lee Yun-Shik. Principles of terahertz science and technology /
Yun-Shik Lee. – N. Y.: Springer Verlag, 2009. – 340 p.
3. Design principles for infrared wide-angle perfect absorber
based on plasmonic structure / Mingbo Pu, Chenggang Hu,
Min Wang et al. // Opt. Express. – 2011. – 19, iss. 18. –
P. 17413–17420.
4. Baumeister P. Design of multilayer filters by successive ap-
proximations / P. Baumeister // J. Opt. Soc. Am. – 1958. – 48. –
P. 955–958.
5. Dobrowolski J. A. Completely automatic synthesis of optical
thin film systems / J. A. Dobrowolski // Appl. Opt. – 1965. –
4. – P. 937–946.
6. Gradient-index optical filter synthesis with controllable and
predictable refractive index profiles / Xinbin Cheng, Bin Fan,
J. A. Dobrowolski et al. // Opt. Express. – 2008 – 16. –
P. 2315–2321.
7. Tikhonravov A. V. Modern design tools and a new paradigm in
optical coating design / A. V. Tikhonravov, M. K. Trubetskov //
Appl. Opt. – 2012. – 51, iss. 30. – P. 7319–7332.
8. Tilsch M. Optical Interference Coatings Design Contest 2004 /
M. Tilsch, K. Hendrix, P. Verly // Appl. Opt. – 2006. – 45,
iss. 7. – P. 1544–1554.
9. Гуревич А. Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферро-
магнетиках / А. Г. Гуревич. – М.: Наука, 1973. – 592 с.
10. Микаэлян А. Л. Теория и применение ферритов на сверх-
высоких частотах / А. Л. Микаэлян. – М.: Госэнергоиздат,
1963. – 664 c.
11. Berreman D. W. Optics in stratified and anisotropic media:
4×4 matrix formulation / D. W. Berreman // J. Opt. Soc. Am. –
1972. – 62, iss. 12. – P. 502–510.
12. Teitler S. Refraction in stratified anisotropic media / S. Teitler,
B. W. Henvis // J. Opt. Soc. Am. – 1970. – 60, N 6. – P. 830–834.
13. Борн М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф; пер. с англ.
под ред. Г. П. Мотулевич. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.
лит. – 1973. – 720 с.
14. Лурье А. И. Аналитическая механика / А. И. Лурье. – М.:
Физматлит, 1961. – 824 с.
15. Fourier Transform Spectroscopy of Magnetic Materials at
Terahertz Frequencies / M. R. F. Jensen, S. A. Feiven, T. Dume-
low et al. // Terahertz Science and Technology. – 2009. – 2,
N 4. – P. 105–119.
Рукопись поступила 07.11.2013.
K. A. Vytovtov, A. D. Arkhipov
THEORETICAL MODEL OF CONTROLLED
FREQUENCY-TRANSMIT TERAHERTZ BAND
FILTER WITH ISOLATOR PROPERTIES
Controlled frequency-transmit filter with isolator prop-
erties for terahertz band is presented in this work. The filter is
based on non-homogeneous anisotropic structure. For this purpose
the frequency, axis orientation and field value dependences are
investigated for layered anisotropic structures. On the basis of the
obtained results a layered structure with arbitrary axis orientation
and arbitrary wave incidence is proposed. Optimization problem is
solved for the acceptable characteristics obtaining. The theme is
important because of fast terahertz telecommunications develop-
ment. Thereby, development of controlled devices and their mini-
mization is important. The obtained results may be useful for
modern telecommunication systems. Calculation methods are fully
analytical and may be used in any frequency region. Monte-Carlo
and Newton optimization methods were chosen because the fre-
quency-orientation characteristics of reflection coefficient of ani-
sotropic layered structure are a multiextremal function.
Key words: terahertz, antiferromagnetic, layered
media, controlled filter, isolator.
К. А. Витовтов, А. Д. Архіпов
ТЕОРЕТИЧНА МОДЕЛЬ
КЕРОВАНОГО СМУГОВОГО ФІЛЬТРА
ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ
З ВЕНТИЛЬНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ
Запропоновано керований смугопропускний фільтр
терагерцового (ТГц) діапазону з вентильними властивостями
на основі неоднорідної анізотропної структури. З цією метою
досліджено залежність відбивних властивостей анізотропних
шаруватих середовищ у ТГц діапазоні від частоти, величини
та напрямку магнітного поля. Базуючись на отриманих ре-
зультатах, запропоновано структуру з довільними кутом па-
діння й орієнтацією вісі анізотропії. Для отримання найбільш
прийнятних параметрів пристрою також розв’язувалась задача
оптимізації. Актуальність теми зумовлена перш за все швид-
ким розвитком ТГц систем зв’язку, саме тому особливу важ-
ливість отримує розробка керованих пристроїв та зменшення
їх габаритних розмірів. Таким чином, отримані результати
можуть бути цікавими для використання в сучасних системах
зв’язку. Методи розрахунку, використані в роботі, повністю
аналітичні та можуть бути використані у даному діапазоні
частот без будь-яких обмежень. У задачі оптимізації вибір
методів Монте-Карло та Ньютона зумовлено багатоекстремум-
ним характером частотно-кутової залежності коефіцієнта
відбиття анізотропних шаруватих структур.
Ключові слова: терагерци, антиферомагнетик, ша-
руваті середовища, керований фільтр, вентиль.
|