В.Б. Байбурин1, В.В. Комаров2, В.П. Мещанов3, М.И. Балакин4, В.А. Киркица5

1,2,4,5 Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (г. Саратов, Россия)

3 ООО «НПП «НИКА-СВЧ» (г. Саратов, Россия)

Постановка проблемы. В настоящее время крестообразный несимметричный полосовой фильтр - один из наиболее перспективных и широко применяемых фильтров СВЧ-диапазона. Изменение геометрических параметров такого фильтра приводит к образованию в его частотной характеристике резонанса Фано. Этот резонанс может использоваться при проектировании сверхчувствительных датчиков, сверхкомпактных антенн и других устройств на основе частотно-селективных поверхностей, поскольку открывает возможности расширения рабочего диапазона частот СВЧ-излучения. В связи с этим изучение влияния параметров крестообразного несимметричного полосового фильтра на резонанс Фано является актуальной задачей.

Цель. Исследовать влияние параметров крестообразного несимметричного полосового фильтра на форму резонанса Фано путем моделирования его аналоговой схемы.

Результаты. Показано, что возникающий резонанс Фано обладает чувствительностью к поляризации излучения и геометрическим параметрам, в частности, к асимметрии апертуры. Выявлено, что на частоте 96 ГГц, превышающей резонансную частоту 90 ГГц, возникает резонанс Фано, заключающийся в существенных колебаниях коэффициента передачи. Проведено моделирование аналоговой схемы крестообразного полосового фильтра и амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) при различных значениях параметров схемы (емкость конденсатора, индуктивность и сопротивление катушек, сопротивление нагрузки, число контуров) и проанализировано влияние этих параметров на форму резонанса Фано. Построены частотные характеристики крестообразного несимметричного полосового фильтра при различных значениях параметров аналитической схемы фильтра.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для разработки антенн со сверхчувствительным зондированием, проектирования сверхкомпактных антенн связи и других устройств на основе частотно-селективных поверхностей. Перспективным является возможность применения эффекта Фано (за счет СВЧ-излучения) в решении задач практической медицины, связанных с деконтаминацией (стерилизацией) медицинских инструментов.

Байбурин В.Б., Комаров В.В., Мещанов В.П., Балакин М.И., Киркица В.А. Аналитические модели резонанса Фано для
частотно-селективных поверхностей СВЧ-диапазона // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 10. С. 155-164.
DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202210-18

1. Fano U. Sullo spettro di assorbimento dei gas nobili presso il limite dello spettro d’arco // Nuovo Cim. 1935. V. 12 № 3. P. 154–161.
2. Fano U. Effects of configuration interaction on intensities and phase shifts // Phys. Rev. 1961. V. 124. № 6. P. 1866–1878.
3. Rybin M.V., Khanikaev A.B., Inoue M., Samusev K.B., Steel M.J., Yushin G., Limonov M.F. Fano resonance between Mie and Bragg scattering in photonic crystals // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103 № 2. 023901.
4. Miroshnichenko E., Flach S., Kivshar Y.S. Fano resonances in nanoscale structures // Rev. Mod. Phys. 2010. V. 82. № 3. P. 2257–2298.
5. Luk’yanchuk B., Zheludev N.I., Maier S.A., Halas N.J., Nordlander P., Giessen H., Chong C.T. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials // Nat. Mater. 2010. V. 9. № 9. P. 707–715.
6. Rahmani M., Luk’yanchuck B., Hong M. Fano resonance in novel plasmonic nanostructures // Laser Phot. Rev. 2013. V. 7. № 3.
   P. 329–349.
7. Zhang S., Genov D.A., Wang Y., Liu M., Zhang X. Plasmon-induced transparency in metamaterials // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. № 4. 047401.
8. Hao F., Nordlander P., Sonnefraud Y., Van Dorpe P., Maier S.A. Tunability of subradiant optical sensing // ACS Nano. 2009. V. 3. № 3. P. 643–652 (2009).
9. Verellen N., Sonnefraud Y., Sobhani H., Hao F., Moshchalkov V.V., Van Dorpe P., Nordlander P., Maier S.A. Fano resonances in individual coherent plasmonic nanocavities // Nano Lett. 2009. V. 9. № 4. P. 1663–1667.
10. Liu N., Weiss T., Mesch M., Langguth L., Eigenthaler U., Hirscher M., Sönnichsen C., Giessen H. Planar metamaterial analogue of electromagnetically induced transparency for plasmonic sensing // Nano Lett. 2010. V. 10. № 4. P. 1103–1107.
11. Lassiter J.B., Sobhani H., Fan J.A., Kundu J., Capasso F., Nordlander P., Halas N.J. Fano resonances in plasmonic nanoclusters: geometrical and chemical tenability // Nano Lett. 2010. V. 10. № 8. P. 3184–3189.
12. Fan J.A., Wu C., Bao K., Bao J., Bardhan R., Halas N.J., Manoharan V.N., Nordlander P., Shvets G., Capasso F. Self-assembled plasmonic nanoparticle clusters // Science 2010 V. 328. № 5982. P. 1135–1138.
13. Hentschel M., Saliba M., Vogelgesang R., Giessen H., Alivisatos A.P., Liu N. Transition from isolated to collective modes in plasmonic oligomers // Nano Lett. 2010. V. 10. № 7. P. 2721–2726.
14. Hentschel M., Dregely D., Vogelgesang R., Giessen H., Liu N. Plasmonic oligomers: The role of individual particles in collective behavior // ACS Nano. 2011. V. 5. № 3. P. 2042–2050.
15. Fu Y.H., Zhang J.B., Yu Y.F., Luk’yanchuk B. Generating and manipulating higher order Fano resonances in dual-disk ring plasmonic nanostructures // ACS Nano. 2012. V. 6. № 6. P. 5130–5137.
16. Cetin E., Altug H. Fano resonant ring/disk plasmonic nanocavities on conducting substrates for advanced biosensing // ACS Nano. 2012. V. 6. № 11. P. 9989–9995.
17. Wu, Khanikaev A.B., Adato R., Arju N., Yanik A.A., Altug H., Shvets G. Fano-resonant asymmetric metamaterials for ultrasensitive spectroscopy and identification of molecular monolayers // Nat. Mater. 2011. V. 11. № 1. P. 69–75.
18. Ye J., Wen F., Sobhani H., Lassiter J.B., Van Dorpe P., Nordlander P., Halas N.J. Plasmonic nanoclusters: Near-Field properties of the Fano resonance interrogated with Sers // Nano Lett. 2012. V. 12. № 3. P. 1660–1667.
19. Gallinet B., Martin O.J.F. Ab-initio theory of Fano resonances in plasmonic nanostructures and metamaterials // Phys. Rev. B. 2011. V. 83. № 23. 235427.
20. Gallinet B., Martin O.J.F. Influence of electromagnetic interactions on the line shape of plasmonic Fano resonances // ACS Nano. 2011. V. 5. № 11. P. 8999–9008.
21. Giannini V., Francescato Y., Amrania H., Phillips C.C., Maier S.A. Fano resonances in nanoscale plasmonic systems: A parameter-free modeling approach // Nano Lett. 2011. V. 11. № 7. P. 2835–2840.
22. Fan S.H. Sharp asymmetric line shapes in side-coupled waveguide-cavity systems // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 80. P. 908–910.
23. Genet C., van Exter M.P., Woerdman, J.P. Fano-type interpretation of red shifts and red tails in hole array transmission spectra // Opt. Commun. 2003. V. 255. P. 331–336.
24. Hao F. et al. Symmetry breaking in plasmonic nanocavities: Subradiant LSPR sensing and a tunable Fano resonance // Nano Lett. 2008. V. 8. P. 3983–3988.
25. Rybin M.V. et al. Fano resonance between Mie and Bragg scattering in photonic crystals // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103. 023901.
26. Attaran et al. Circuit Model of Fano Resonance on Tetramers, Pentamers, and and Broken Symmetry Pentamers // Plasmonics. 2014. V. 9. P. 1–11.
27. Butet J., Russier-Antoine I., Jonin C., Lascoux N., Benichou E., Brevet P.-F. Sensing with multipolar second harmonic generation from spherical metallic nanoparticles // Nano Lett. 2012. V. 12. № 3. P. 1697–1701.
28. Butet J., Martin O. J. F. Refractive index sensing with Fano resonant plasmonic nanostructures: A symmetry based nonlinear approach // Nanoscale, Accepted article. 2014. DOI: 10.1039/C4NR05623J.
29. Kanjanasit K., Wang C. H. Fano resonance in a metamaterial consisting of two identical arrays of square metallic patch elements separated by a dielectric spacer // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. № 25. Art. no. 251108.
30. Liao Z., Pan B.C., Shen X., Cui T.J. Multiple Fano resonances in spoof localized surface plasmons // Opt. Express. 2014. V. 22. № 13. P. 15710–15717.
31. Komarov V.V., Zwick T., Marahrens S., Molchanov S. Fano-Resonant Frequency-Selective Surface with Cross-Shaped Apertures // IEEE microwave and wireless components letters. 2019. V. 29. P. 775–778.
32. Porterfield D.W., Hesler J.L., Densing R., Mueller E.R., Crowe T.W., Weikle II R.M. Resonant metal-mesh bandpass filters for the far infrared // Applied optics. 1994. V. 33. P. 6046–6052.
33. Комаров В.В. Оптимизация S-параметров численных моделей диссипативных СВЧ-элементов сложной конфигурации // Электромагнитные волны и электронные системы. 2006. Т. 11. № 2-3. С. 64-73.
34. Мещанов В.П., Алавердян С.А., Кабанов И.Н., Комаров В.В. Разработка и моделирование двумерных периодических структур для узкополосной фильтрации сигналов // Радиотехника. 2014. № 10. С. 9-13.