Фильтр верхних частот

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жданок Сергей Александрович Шпилевский Эдуард Михайлович Васильев Игорь Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Фильтр верхних частот, содержащий конденсаторы и резисторы, отличающийся тем, что фильтр дополнительно содержит диэлектрическую подложку и контактные площадки, а резисторы и конденсаторы выполнены в виде металлодиэлектрической структуры из наночастиц металла и наночастиц диэлектрика, при этом металлодиэлектрическая структура расположена на диэлектрической подложке, а контактные площадки расположены на металлодиэлектрической структуре, причем соотношение металлических и диэлектрических наночастиц определяют диапазон частот, в котором устройство имеет минимальное сопротивление. 2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наночастиц диэлектрика в металлодиэлектрической структуре используют фуллерен С 60, а в качестве наночастиц металла - титан , причем массовая доля диэлектрика (фуллерена С 60) 10 -14 в металлодиэлектрической структуре обеспечивает наименьшее значение частоты для минимума сопротивления. 31172006.10.30 Предлагаемое техническое решение относится к радиоэлектронике, в частности созданию фильтров верхних частот, и может быть использовано для селекции верхних или ослабления низкочастотных электрических сигналов, например, в звуковой аппаратуре. Широко известны фильтры Бесселя, Баттерворта, Чебышева и другие, содержащие частотоопределяющие резистивные, индуктивные и емкостные элементы 1. Недостатками известных устройств при работе на низких частотах являются пологий спад характеристики за частотой среза, наличие громоздких индуктивных элементов,имеющих большие размеры и сложность конструкции. Известен активный фильтр верхних частот, содержащий резистивно-емкостные звенья верхних частот второго порядка, резистивно-емкостные цепи заграждающего фильтра,операционный усилитель, нагрузочные и корректирующие резисторы 2. Недостаток устройства - сложность конструкции, состоящей из большого числа элементов, таких как резисторы, конденсаторы большой емкости и операционный усилитель. Такое устройство имеет большие габариты и элемент, необходимые для настройки схемы,что исключает возможность изготовления данного устройства в интегральном исполнении. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототип) является активный фильтр верхних частот, выполняемый преимущественно в микроэлектронном исполнении, содержащий резистивно-емкостные звенья, операционный усилитель и резистор неитерационной настройки частоты и затухания полюса путем только увеличения сопротивления 3. Недостатком прототипа является то, что активный фильтр верхних частот содержит большое количество элементов и требует специальной настройки частоты и затухания,что усложняет изготовление устройства и уменьшает процент выхода годных изделий. Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции за счет создания фильтра верхних частот, не имеющего резистивно-емкостных звеньев и изготовляемого по интегральной технологии. Задача решается следующим образом в известном фильтре верхних частот, содержащем конденсаторы и резисторы, дополнительно содержится диэлектрическая подложка и контактные площадки, а резисторы и конденсаторы выполнены в виде металлодиэлектрической структуры из наночастиц металла и наночастиц диэлектрика, при этом металлодиэлектрическая структура расположена на диэлектрической подложке, а контактные площадки расположены на металлодиэлектрической структуре, причем соотношение металлических и диэлектрических наночастиц определяет диапазон частот, в котором устройство имеет минимальное сопротивление, а в качестве наночастиц диэлектрика в металлодиэлектрической структуре используют, например, фуллерен С 60, а в качестве наночастиц металла - титан, причем массовая доля диэлектрика (фуллерена С 60) 10 -14 в металлодиэлектрической структуре обеспечивает наибольшее уменьшение электрического сопротивления на рабочих частотах. Результат достигается возможностью выделения или ослабления электрического сигнала с определенной частотной характеристикой с помощью металлодиэлектрической структуры вместо дискретных конденсаторов и резисторов. На фиг. 1 представлен общий вид устройства фильтра верхних частот. На фиг. 2 представлена эквивалентная электрическая схема замещения расчета электрических параметров металлодиэлектрической структуры. На фиг. 3 представлен график зависимости изменения полного сопротивления металлодиэлектрической структуры от частоты подаваемого напряжения при различном содержании диэлектрика С 60 в металлических наночастицах титана. Кривые 1, 2 и 3 соответствуют содержанию С 602,25,3 и 12 в металлодиэлектрической структуре. Предлагаемое устройство содержит металлодиэлектрическую структуру 1, расположенную на диэлектрической подложке 2, а контактные площадки 3 расположены на металлодиэлектрической структуре 1. 2 31172006.10.30 Предлагаемый фильтр верхних частот работает следующим образом. При подаче переменного напряжения на металлодиэлектрическую структуру 1 с помощью контактных площадок 3 через устройство течет ток, значение которого зависит от полного электрического сопротивления металлодиэлектрической структуры. Структура, в которой электропроводящие частицы металла разделены небольшими промежутками из диэлектрических наночастиц, электрически эквивалентна серии подключенных конденсаторов и, следовательно, ее полное сопротивление уменьшается при увеличении частоты переменного тока. Увеличение доли диэлектрических наночастиц в металлодиэлектрической структуре для переменного тока приводит к изменению значения как емкостной составляющей, так и резистивной. Это изменение приводит к сдвигу минимума сопротивления в область более низких частот. При дальнейшем увеличении концентрации диэлектрических наночастиц, происходит увеличение центров рассеяния носителей заряда и увеличение сопротивления структуры на более высоких частотах. Таким образом, имеется связь между концентрацией диэлектрических наночастиц в металлодиэлектрической структуре и ее электрическими свойствами. Количественные изменения значения электрического сопротивления металлодиэлектрической структуры от частоты подаваемого напряжения демонстрируются на эквивалентной электрической схеме (фиг. 2) и рассчитываются по формуле Задача нахождения значений 1, 2 и С звена эквивалентной схемы рассчитана по данным махм , полученным из измерения изготовленных образцов. 1. мах - абсолютное минимальное значение фазы на графике изменения фазы от частоты. 2.- значение частоты, при которой угол сдвига фаз максимален. 3. м - значение мнимого электрического сопротивления в точке экстремума на графике изменения мнимого сопротивления от частоты. 4.- значение частоты, при которой реактивная часть электросопротивления минимальна. Простые преобразования формул (1), (2) приводят к зависимостям между 1, 2 и мах и м 2 220 4 1 ( 12 ) Решение системы уравнений (3), (4) дает численное значение 1, 2.( ) 1 м 2 ,20 3 31172006.10.30 20 . 21 (12 ) По известным значениям резисторов 1, 2 рассчитано значение С. Например, для металлодиэлектрической структуры, где в качестве наночастиц диэлектрика использованы молекулы фуллерена С 60, а наночастиц металла - титан, изменение значения электрического сопротивления от частоты при различном долевом соотношении диэлектрических и металлических наночастиц приведено в таблице. Изменение значения сопротивления от частоты при различном содержании фуллерена С 60 в металлодиэлектрической структуре. Для малых концентраций наночастиц диэлектрика С 60 в металлодиэлектрической структуре уменьшение сопротивления наблюдается на более высоких частотах. Увеличение концентрации наночастиц диэлектрика С 60 в металлодиэлектрической структуре приводит к сдвигу минимума сопротивления в область более низких частот. Для концентрации 10 -14 получено наименьшее значение частоты для минимума сопротивления. При этом расчетные значения элементов звена эквивалентной схемы для структуры титан - 6012 равнялось 140 000 Ом, 267 000 Ом, С 810-9 ф. Внедрение диэлектрических наночастиц, например фуллерена С 60, с известными свойствами в электропроводящие пленки титана позволяет получить воспроизводимые частотные характеристики устройств миниатюрных фильтров верхних частот, изготовляемых по интегральной технологии, при этом металлодиэлектрическая структура не подвергается воздействию дополнительных операций для получения рисунка (топологии) схемы устройства. Таким образом, устройство, которое содержит металлодиэлектрическую структуру с контактными площадками, которые нанесены на диэлектрическую подложку, является фильтром верхних частот, причем для металлодиэлектрической структуры титан - фуллерен С 60 наибольшее уменьшение электрического сопротивления на рабочих частотах достигается при 10 -14 массы диэлектрика фуллерена 60. Предложенное техническое решение позволяет принципиально по-новому реализовать устройство фильтров верхних частот, используя металлодиэлектрическую структуру микро- и наноразмеров вместо дискректных элементов резисторов и конденсаторов, что экономит материалы и трудозатраты при изготовлении фильтров верхних частот. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.