Реферат СВЧ. Микрополосковые полупроводниковые свч фотонные кристаллы
 Скачать 0.98 Mb.
|
|
Микрополосковые полупроводниковые СВЧ фотонные кристаллы Содержание. Введение . 1. Полосковые линии передачи (виды линий), характеристики 1.1 Щелевая линия. 1.2 Компланарная линия. 2. Модель волноводной структуры на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов. Заключение. Введение. Фотонные кристаллы (ФК) представляют собой особый тип естественных и искусственных структурноорганизованных сред, неоднородности в которых меняются периодически в одном, двух или трех направлениях с характерным пространственным масштабом периодичности порядка оптической длины волны. Под фотонным кристаллом понимается трехмерно-периодически структурированный диэлектрик, который создает в пространстве кристалла периодически неоднородное распределение диэлектрической проницаемости. Такая модуляция диэлектрической проницаемости приводит к возникновению зонной структуры энергетических уровней фотонов. Можно проследить аналогию между фотонными кристаллами и обычными кристаллами. В обычном кристалле ионы (ядра) атомов расположены в трехмерной решетке. Такое расположение создает трехмерно-периодическое распределение электрического потенциала. В поле такого потенциала энергетические уровни электронов распределены по зонам, иными словами, энергия электрона может принимать только определенные значения, соответствующие определенному энергетическому уровню, аналогично тому, как это происходит в поле потенциальной ямы. (Потенциал в кристалле бесконечен и периодичен в пространстве, а в потенциальной яме пространственно ограничен, но и то и другое приводит к возникновению уровней энергии). Фотонные кристаллы интересны как с фундаментальной точки зрения, так и для многочисленных приложений. На основе фотонных кристаллов создаются и разрабатываются оптические фильтры, волноводы (в частности, в волоконно-оптических линиях связи), устройства, позволяющие осуществлять управление тепловым излучением, на основе фотонных кристаллов были предложены конструкции лазеров с пониженным порогом накачки. Помимо изменения спектров отражения, прохождения и поглощения металло-диэлектрические фотонные кристаллы обладают специфической плотностью фотонных состояний. Измененная плотность состояний может существенным образом влиять на время жизни возбужденного состояния атома или молекулы, помещенных внутрь фотонного кристалла, и, следовательно, менять характер люминесценции. Например, если частота перехода в молекуле-индикаторе, находящейся в фотонном кристалле, попадет в запрещенную зону, то люминесценция на этой частоте будет подавлена. ФК делятся на три типа: одномерные, двумерные и трехмерные.  Рис.1 Примеры  Рис.2 Электронный снимок одномерного ФК, используемого в лазере как брэгговское многослойное зеркало. Одномерными являются ФК с чередующимися слоями, сделанными из разных материалов. Двумерные ФК могут иметь более разнообразные геометрии. К ним, например, можно отнести массивы бесконечных по длине цилиндров (их поперечный размер много меньше продольного) или периодические системы цилиндрических отверстий.  Рис.3.Электронные снимки, двумерного прямого и обратного ФК с треугольной решеткой. Структуры трехмерных ФК весьма разнообразны. Наиболее распространенными в этой категории являются искусственные опалы - упорядоченные системы сферических рассеивателей. Различают два основных типа опалов: прямые и обратные (inverse) опалы. Переход от прямого опала к обратному опалу осуществляется заменой всех сферических элементов полостями (как правило, воздушными), в то время как пространство между этими полостями заполняется каким–либо материалом. Ниже представлена поверхность ФК, представляющего собой прямой опал с кубической решеткой на основе самоорганизованных сферических микрочастиц полистирола.  Рис.4 Внутренняя поверхность ФК с кубической решеткой на основе самоорганизованных сферических микрочастиц полистирола. Следующая структура представляет собой инверсный опал, синтезированный в результате многостадийного химического процесса: самосборки полимерных сферических частиц, пропитки пустот полученного материала веществом и удалением полимерной матрицы путем химического травления.  Рис.5 Поверхность кварцевого инверсного опала. Фотография получена с помощью сканирующей электронной микроскопии. Еще одним типом трехмерных ФК являются структуры типа «поленница» (logpiles), образованные скрещенными, как правило, под прямым углом прямоугольными параллелепипедами.  Рис.6 Электронная фотография ФК из металлических параллелепипедов. Одномерные микрополосковые фотонные кристаллы (МФК) являются наиболее удачными аналогами диэлектрических ОФК. В общем случае МФК представляют собой последовательно соединенные чередующиеся отрезки линий с «большой» шириной полоскового проводника, имитирующие слои с высокими показателями преломления, и с «малой» шириной проводника, имитирующие слои с низкими показателями преломления. Кроме того, в микрополосковых линиях передачи основными распространяющимися модами колебаний являются квази-Т-волны , структура высокочастотных полей которых близка к поперечным волнам, распространяющимся в ОФК. Исследования двумерных микрополосковых фотонных кристаллов, представляющих собой периодические по двум направлениям системы взаимодействующих резонаторов находятся только на начальной стадии. На сегодняшний день не существует четких рекомендаций ни в выборе геометрии резонаторов, ни в их размещении внутри микрополоскового фотонного кристалла, при котором возможно реализовать баланс пространственных связей резонаторов друг с другом, а крайних – еще и с входной и выходной линией передачи. Поэтому большинство вопросов, связанных с возможностями реализации на их основе различных полоснопропускающих устройств, остаются открытыми. 1. Полосковые линии передачи (виды линий), характеристики микрополосковых линий передачи Полосковые и микрополосковые линии (MIIJI) в настоящее время является основным видом линий передач микросборок СВЧ и ДЦМ диапазонов. Именно на их использовании в интегральных и гибридных микросхемах основываются разработки широкого класса современных активных и пассивных узлов и устройств указанных диапазонов частот. МПЛ представляет собой модификацию двухпроводной линии и выполняется в виде металлической полоски, размещённой на диэлектрической подложке с экранированной противоположной её стороной. Вариантом подобных линий передач являются щелевые линии, представляющие собой щель, прорезанную на металлизированной поверхности подложки (рис.7). Виды МПЛ (в поперечном сечении)  Рисунок .7 Параметры МПЛ определяется её геометрией (шириной полоски w, высотой подложки h, толщиной полоски t), проводимостью материала проводников, свойствами используемого диэлектрического материала подложки (величинами его ε и tgδ ) Вдоль полоски в МПЛ поле распространяется в виде плоской поперечной волны (волны типа ТЕМ). Структура поля в поперечном сечении несимметричной МПЛ показана на рис.8  Рис.8. Структура поля в несимметричной МПЛ. Для нормальной работы МПЛ толщина полоски t должна быть больше глубины проникновения тока (поля) вглубь полоски Δ, равной для полоски, выполненной из меди, ∆ мкм = 0,39 λ (см). Т.к. часть силовых линий электрического поля Е замыкается через воздух (puc.8), при расчёте параметров МПЛ и узлов на её основе необходимо пользоваться параметром «эффективная диэлектрическая проницаемость ε эф», равным:  где коэффициент р равен: при w ≥ h , при w≤ h ;ε - величина диэлектрической проницаемости материала подложки, w - ширина полоски, - толщина подложки. Длина волны в МПЛ определяется соотношением  где λ 0- длина волны в свободном пространстве,  с - скорость света, f - частота сигнала, распространяющего вдоль МПЛ. Скорость распространения поля в МПЛ:  1.1 Щелевая линия. Щелевая линия применяется в устройствах, где требуется обеспечить большое волновое сопротивление линии передачи, включение последовательных шлейфов и короткозамыкающих элементов, а также в интегральных микросхемах совместно с микрополосковыми линиями. В щелевой линии распространяется волна Н-типа. Выражения в замкнутой форме для волнового сопротивления и длины волны в щелевой линии находятся путем аппроксимации соответствующих кривых, полученных численным расчетом.  Рис.9. Щелевая линия. 1.2 Компланарная линия. Компланарные волноводы широко применяются в интегральных СВЧ схемах. Использование компланарных волноводов в СВЧ устройствах повышает гибкость конструирования, упрощает исполнение при реализации некоторых функциональных устройств. Конфигурация компланарного волновода показана на рис. 2.4,а. Другая конфигурация (рис. 2.4,б) называется компланарной полосковой линией. Обе конфигурации относятся к категории «компланарных линий», в которых все проводники расположены в одной плоскости (на одной стороне подложки). Достоинством линий этих типов является возможность более простого монтажа пассивных и активных компонентов последовательно или параллельно с линией. При этом нет необходимости в высверливании отверстий или изготовлении пазов в подложке.  Рис.10 Компланарный волновод (а) и компланарная полосковая линия (б) 2. Модель волноводной структуры на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов. В отрезке волновода сечением 23 мм×10 мм, перпендикулярно направлению распространения электромагнитного излучения, расположена металлическая диафрагма толщиной 0.3 мм. Через отверстие (диаметром 3.5 мм) в диафрагме проходит рамочный элемент, изготовленный из медной проволоки диаметром 1 мм, обеспечивающий в определённом диапазоне частот передачу электромагнитного излучения из «одного» плеча волноведущей системы в «другое» и наоборот. Размеры рамок определяют диапазоны частот разрешённых и запрещённых для передачи электромагнитного излучения через диафрагму. Для создания в запрещенной (разрешенной) зоне исследуемой системы резонансной особенности в виде окна прозрачности (окна запирания) вводится неоднородность типа «штырь с зазором». Количество и геометрические размеры (такие как диаметр и высота штыря) неоднородностей определяют 22 электродинамические характеристики исследуемой системы. Результаты экспериментального исследования СВЧ-элемента на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов Экспериментально были реализованы конструкции, основанные на результатах компьютерного моделирования и обеспечивающие: • возникновение запрещенной зоны в диапазоне частот 8.8–10.2 ГГц; • возникновение разрешённой зоны в диапазоне частот 8.67–11.12 ГГц. Волноводная структура на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, характеризующаяся наличием запрещенной зоны Экспериментально исследовалась система из двух связанных рамочных элементов длиной 21 мм каждый, содержащая неоднородность типа «штырь с зазором». Первый штырь с зазором располагался на расстоянии 10 мм слева от плоскости диафрагмы, второй – на расстоянии 7 мм справа от плоскости диафрагмы, третий – на расстоянии 14 мм справа от плоскости диафрагмы. Полупроводниковая n–i–p–i–n-структура механически зажималась между контактными площадками третьего штыря и рамочного элемента. Подключение источника питания к n–i–p–i–n-структуре осуществлялось с помощью тонкого проволочного вывода через отверстие в узкой стенке волновода. На рис. 11 представлены экспериментальные амплитудно-частотные характеристики коэффициента отражения вблизи пика пропускания запрещённой зоны СВЧ-элемента для такой конструкции.  Рис.11. Амплитудно-частотные характеристики коэффициента отражения для различных значений протекающего через n–i–p–i–n-структуру тока: 1– I= 0 мА; 2– I= 20 мА; 3– I= 30 мА; 4– I=40 мА; 5– I= 60 мА; 6– I= 80 мА; 7– I= 140 мА; 8– I= 320 мА Таким образом, полученные экспериментальные зависимости показывают возможность эффективного управления характеристиками резонансной особенности, в запрещенной зоне исследуемой структуры с использованием n–i–p–i–n-структуры. Волноводная структура на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, характеризующаяся наличием разрешенной зоны Экспериментально исследовалась система из двух связанных рамочных элементов длиной 30 мм каждый.  Рис.12 Конструкция СВЧ-элемента на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, с неоднородностью типа «штырь с зазором и полупроводниковой n–i–p–i–nструктурой, расположенный в зазоре между штырем и рамочным элементом  Рис.13. Амплитудно-частотные характеристики коэффициента прохождения: 1– I= 0 мА; 2– I= 1 мА; 3– I= 3 мА; 4– I= 10 мА; 5– I= 40 мА; 6– I= 60 мА; 7– I= 190 мА; 8– I= 300 мА Неоднородность типа «штырь с зазором» с электрически управляемым элементом в виде полупроводниковой n–i–p–i–n-структуры, размещенным в зазоре между рамочным элементом и штырем, располагалась на расстоянии 20 мм справа от плоскости диафрагмы (см. рис. 12). На рис. 13 представлены экспериментальные амплитудно-частотные характеристики коэффициента прохождения вблизи пика запирания разрешенной зоны исследуемого СВЧ-элемента для различных значений тока, протекающего через n–i–p–i–n-структуру. Таким образом, показана возможность создания волноводных структур, обладающих как запрещенной, так и разрешённой зоной пропускания, на основе диафрагмы и рамочных элементов, помещенных в волноведущую секцию. Показано, что введение в конструкцию неоднородностей типа «штырь с зазором» обеспечивает создание в запрещенной частотной зоне резонансной особенности типа окна прозрачности, а в разрешённой зоне резонансной особенности типа пика заграждения. Величина динамического диапазона регулировки коэффициента пропускания в резонансной особенности, с помощью введенной n–i–p–i–nструктуры, достигает 23.5 дБ при уровне потерь пропускания 1.5. Заключение. В данной работе было получено представление о фотонных кристаллах, микрополосковых фотонные кристаллах, были изучены свойства фотонных кристаллов .Та же были изучены полосковые линии передачи (их виды), характеристики В работе приведены волноводные структуры на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, сделаны выводы о возможности создания волноводных структур, обладающих как запрещенной, так и разрешённой зоной пропускания. Список используемой литературы. 1. Гуляев Ю.В., Никитов С.А. Фотонные и магнитофотонные кристаллы – новая среда для передачи информации // Радиотехника. 2003. №8. С. 26–30. 2. Усанов Д.А., Орлов В.Е., Безменов А.А. Рамочные элементы связи в волноводе // Электронная техника. Электроника СВЧ. 1977. Т.1. № 3. С. 37- 41. 3. Усанов Д.А., Орлов В.Е. Использование рамочной связи в полупроводниковых устройствах для управления СВЧ мощностью // Электронная техника. Электроника СВЧ. 1975. №1. С. 35-37. 4. Волошин, А.С. Исследование микрополосковых моделей сверхрешеток / А.С. Волошин, Б.А. Беляев // Электронные средства и системы управления: материалы всероссийской науч.-практ. конференции, 21—24.10.2003, г. Томск. — Томск: Изд-во ТУСУР, 2003. — С. 75—78. 5. Волошин, А.С. Исследование микрополосковых моделей полоснопропускающих фильтров на сверхрешетках / А.С. Волошин, Б.А. Беляев, В.Ф. Шабанов // Доклады академии наук. – 2004. – Т. 395, № 6. – С. 756-760. 6. Волошин, А.С. Исследование микрополосковых моделей фильтров на сверхрешетках с плавным изменением диэлектрических свойств / А.С. Волошин, Б.А. Беляев // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. всероссийской научно-техн. конференции, 5-7.05.2004, г. Красноярск. – Красноярск: Изд-во КГТУ, 2004. – С. 313 – 317. 7. Волошин, А.С. Микрополосковый электрически управляемый СВЧ фазовращатель на жидких кристаллах / А.С. Волошин, Б.А. Беляев, А.А. Лексиков // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы VII международной конференции, 21-23.09.2004, г. Новосибирск. – Новосибирск: Издво НГТУ, 2004. — С. 265—270. 8. А.Ф. Белянин «Выращивание плазменными методами плёнок алмаза и родственных материалов…» Диссертация на соискание учёной степени доктора наук. М, 2002 г. 9. «Целевые механизмы вакуумного технологического оборудования. Атлас типовых конструкций» под ред. Ю.В. Панфилова; М, изд. МГТУ им Н.Э. Баумана, 1998. 10. Ю.В. Панфилов «Расчёт режимов процесса нанесения тонких плёнок в вакууме и параметров оборудования»; М, изд. МВТУ им Н.Э. Баумана, 1988. |