РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 59, № 11, с. 1079-1084
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 621.372.2
ВОЛНОВОДЫ, СОДЕРЖАЩИЕ РАМОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ РАЗРЕШЕННЫХ И ЗАПРЕЩЕННЫХ ЗОН © 2014 г. Д. А. Усанов1, С. А. Никитов1, 2, А. В. Скрипаль1, А. П. Фролов1, В. Е. Орлов1
1Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Российская Федерация, 410012 Саратов, ул. Астраханская, 83 E-mail: UsanovDA@info.sgu.ru 2Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 125009 Москва, ул. Моховая 11, стр. 7 Поступила в редакцию 03.02.2014 г.
Теоретически на основе численного моделирования с использованием метода конечных элементов и экспериментально показана возможность создания обладающих как запрещенной, так и разрешенной зоной пропускания волноводных структур на основе диафрагмы и размещенных по обе ее стороны рамочных элементов связи. Найдено, что динамический диапазон регулирования коэффициента пропускания с помощью n-i—p—i—n-структуры, помещенной в зазоре между штырем и рамочным элементом, достигает 23.5 дБ при уровне потерь пропускания до 1.5 дБ.
Б01: 10.7868/80033849414110230
ВВЕДЕНИЕ
Среди новых типов твердотельных структур, применяемых в технике СВЧ, можно выделить периодические структуры, получившие название фотонных кристаллов [1—5]. Эти структуры состоят из периодически расположенных элементов, размеры которых сравнимы с длиной волны распространяющегося в них электромагнитного излучения. В спектре такой структуры имеется частотная область, запрещенная для распространения электромагнитной волны, — аналог запрещенной зоны в кристаллах. При наличии нарушений в периодичности слоистой структуры в запрещенной зоне фотонного кристалла могут возникать резонансные частотные особенности — узкие "окна" прозрачности [6, 7].
Авторами [8] исследована структура другого типа, в которой периодичность, а, следовательно, и свойства фотонного кристалла, такие как наличие запрещенной и разрешенной зон, достигаются вследствие многократного отражения от неоднородности в микрополосковой структуре кольцевого типа. Резонансная особенность в запрещенной зоне, называемая примесной модой колебаний [6, 9] или "окном прозрачности" [7], достигалась введением индуктивности, шунтирующей емкостной разрыв в верхней полоске микрополосковой линии.
Представляет интерес создание волноводного устройства кольцевого типа с неоднородностью,
которое обладает свойствами фотонного кристалла. Для этого предлагается использовать волно-водную линию передачи, содержащую диафрагму и систему рамочных элементов (рис. 1). Механизм их взаимодействия с СВЧ-излучением рассмотрен, в частности, в работах [10—12]. Наибольшее практическое значение такая конструкция имеет для коротковолновой части СВЧ-диапазона.
В данной работе проведено численное моделирование и экспериментальное исследование амплитудно-частотных характеристик коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, взаимодействующего с такой системой. Исследованы конструкции, содержащие структуры типа "штырь с зазором" в плоскости рамочного элемента, а также рассмотрена возможность использования в данной системе полупроводниковых диодных п—/—р—/—п-структур с целью создания электрически управляемых вол-новодных СВЧ-элементов, характеризующихся наличием как запрещенных зон с резонансным пиком пропускания, так и разрешенных зон с пиком запирания.
1. Модель СВЧ-элемента на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов
На рис. 1 представлена модель СВЧ-элемента на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, содержащей неоднородности
Рис. 1. Модель СВЧ-элемента на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, содержащей неоднородность в виде конструкций типа "штырь с зазором": 1 — волновод, 2 — диафрагма, 3 — отверстие, 4 — рамочный элемент, 5—7 — неоднородности типа "штырь с зазором".
типа "штырь с зазором". В отрезке волновода 1 сечением 23 х 10 мм перпендикулярно направлению распространения электромагнитного излучения расположена металлическая диафрагма 2 толщиной 0.3 мм. Через отверстие 3 (диаметром 3.5 мм) в диафрагме 2 проходит рамочный элемент 4, изготовленный из медной проволоки диаметром 1 мм, обеспечивающий в определенном диапазоне частот передачу электромагнитного излучения из "одного" плеча волноведущей системы в "другое" и наоборот. Центр отверстия 3 находится на расстоянии 11.5 мм от узкой и 8.2 мм от широкой стенок волновода. Система связанных рамочных элементов 4 состоит из двух рамок, расположенных в волноводе по обе стороны от диафрагмы с отверстием таким образом, что один конец рамок является общим, а свободные концы соединены с металлической диафрагмой 2. Размеры рамок определяют диапазоны частот разрешенных и запрещенных для передачи электромагнитного излучения через диафрагму.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
А. СВЧ-системы на основе диафрагмы и связанных рамочных элементов, характеризующиеся наличием запрещенной зоны. На основе численного моделирования с использованием метода конечных элементов в САПР HFSS Лп80Й исследовалось взаимодействие электромагнитного поля с системой на основе диафрагмы и связанных рамочных элементов, содержащих или не содержащих в качестве неоднородности структуру типа "штырь с зазором".
При длине рамки 21 мм и высоте 7 мм в диапазоне частот 8.8...10.2 ГГц реализуется режим пол-
ного отражения электромагнитного излучения, т.е. образуется запрещенная зона (рис. 2а) [8].
Для создания в запрещенной зоне исследуемой системы резонансной особенности в виде окна прозрачности (см. рис. 2б) были введены неоднородности типа "штырь с зазором" (см. рис. 1, позиции 5—7), выполненные из медной проволоки диаметром 1 мм.
Полученные зависимости (см. рис. 2) доказывают тот факт, что система связанных рамочных элементов обладает свойствами структур с запрещенной зоной, а введение в систему неоднород-ностей типа "штырь с зазором" обеспечивает появление резонансной особенности в запрещенной зоне исследуемой системы, называемой примесной модой колебаний, или "окном прозрачности".
Б. СВЧ-системы на основе диафрагмы и связанных рамочных элементов, характеризующиеся наличием разрешенной зоны. Для применения в СВЧ-технике представляют интерес СВЧ-элементы с характеристиками, демонстрирующими наличие как запрещенных, так и разрешенных для распространения электромагнитного излучения частотных областей.
Проведено компьютерное моделирование при длине рамочных элементов 30 мм (рис. 3). Как следует из результатов расчета, представленных на рис. 4, при длине рамочных элементов 30 мм возможна реализация в диапазоне частот 8.12 ГГц разрешенной зоны. При наличии неоднородности в конструкции в виде структуры типа "штырь с зазором" в разрешенной зоне возникает пик запирания.
Для управления характеристиками СВЧ-излу-чения в рассматриваемых системах в качестве
(а)
М2, 1^12 I2, дБ
(б)
8
9
10
11 /, ГГц
1&11 I2, 1^12 I2, дБ
-20
-40
-60
1 1
1 г
\
---- / 2 . 2
/ * !
Резонансная * * 1 *
особенность 1 1
- % 1
1 «
1 *
8
9
10
11 /, ГГц
Рис. 2. Расчетные частотные зависимости коэффициента отражения (кривые 1) и коэффициента прохождения (кривые 2) СВЧ-элемента на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, не содержащей (а) и содержащей неоднородности типа "штырь с зазором" (б).
0
Рис. 3. Конструкция СВЧ-элемента на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов с неоднородностью типа "штырь с зазором", расположенной на расстоянии 20 мм справа от диафрагмы, и полупроводниковой п-— р-г—п-структурой, расположенной в зазоре между штырем и рамочным элементом.
электрически управляемого элемента может быть использована п-г—р—г—п-структура (см. рис. 3).
При расчете полагалось, что полупроводниковая п-г—р—г—п-структура имеет форму цилиндра, высота которой к = 1 мм и радиус поперечного сечения г = 0.4 мм (см. рис. 3). Предполагалось, что при прямом смещении удельная электропроводность а данного элемента изменялась в диапазоне 10-2...105 См/м.
На рис. 4 представлены результаты расчета амплитудно-частотных характеристик коэффициента пропускания вблизи пика запирания в разре-
шенной зоне, на вставке - те же результаты в диапазоне частот 8.12 ГГц.
Как следует из полученных результатов, изменение величины удельной электропроводности управляющего элемента от 10-3 до 105 См/м приводит к изменению коэффициента пропускания на частоте 9.44 ГГц, соответствующей пику запирания, в диапазоне значений -36.79.-1.01 дБ, при этом положение пика запирания изменяется от 9.69 до 9.44 ГГц. Таким образом, можно сделать вывод, что расчетный динамический диапазон изменения коэффициента пропускания на часто-
Рис. 4. Расчетные амплитудно-частотные характеристики коэффициента прохождения вблизи пика запирания разрешенной зоны СВЧ-элемента с неоднородностью типа "штырь с зазором" и п—г—р—г—п-структурой: а = 10-3 (1), 1.0 (2), 10.0 (3), 102 (4), 103 (5), 104 (6), 105 (7), кривая 8 — случай отсутстувия штыря и управляющего элемента.
те 9.44 ГГц составляет 36 дБ при прямых потерях 0.3 дБ.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
А. СВЧ-элемент на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, характеризующихся наличием запрещенной зоны. Высокочастотные характеристики исследуемого СВЧ-элемента на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов исследовались с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA-L Network Analyzer N5230A.
Экспериментально исследовалась система из двух связанных рамочных элементов длиной 21 мм каждый, содержащая неоднородности в виде конструкций типа "штырь с зазором". Контактные площадки прямоугольной формы, размером 2 мм х 1 мм каждая, напаивались на обе стороны зазора конструкции типа "штырь с зазором", расположенной на расстоянии 14 мм справа от плоскости диафрагмы. Полупроводниковая n—i—p—i—n-струк-тура механически зажималась между контактными площадками. Подключение источника питания к n—i—p—i—n-структуре осуществлялось с помощью тонкого проволо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.