Свч фотонный кристалл

Использование: для создания СВЧ фотонного кристалла. Сущность изобретения заключается в том, что СВЧ фотонный кристалл выполнен в виде прямоугольного волновода, содержащего периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения металлические элементы, по крайней мере одну n–i–p–i–n диодную структуру в центральном элементе и источник питания, согласно решению металлические элементы выполнены в виде штырей, в количестве не менее пяти, расположенных вдоль продольной оси широкой стенки волновода, при этом центральный штырь гальванически соединен с обеими противоположными стенками волновода, имеет разрыв для размещения диодной n–i–p–i–n структуры, n-области которой соединены с противоположными концами центрального штыря, а p-область соединена с положительным полюсом источника питания, штыри, расположенные справа и слева от центрального, ближайшие к нему, имеют емкостные зазоры у одной из широких стенок волновода и выполнены с возможностью регулировки величины этих зазоров, последующие штыри, расположенные слева и справа от ближайших к центральному, имеют емкостные зазоры меньшей величины у противоположной широкой стенки, при этом диаметр центрального штыря меньше диаметров остальных штырей. Технический результат: обеспечение возможности достижения указанной величины диапазона регулировки мощности при уменьшении продольного размера СВЧ фотонного кристалла и сокращении, даже до одного, количества управляющих элементов в виде полупроводниковых n–i–p–i–n-диодов. 4 ил.

 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в устройствах измерительной техники.

Известен фотонный кристалл, реализованный в виде последовательно соединенных отрезков микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоска (Д.А.Усанов, А.В.Скрипаль, А.В.Абрамов, А.С.Боголюбов, М.Ю.Куликов. Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов. Известия вузов. Электроника 2008, №5, с.25–32).

Недостатком данного фотонного кристалла является невозможность электрического управления его амплитудно-частотными характеристиками.

Этот недостаток частично устранен в СВЧ-фильтре с регулируемыми положением частотной области пропускания и величиной пропускания в этой области. Фильтр включает отрезок волновода, частотно-селективный элемент и элемент для регулирования затухания. Частотно-селективный элемент выполнен в виде одномерного волноводного 11-слойного фотонного кристалла, представляющего собой чередующиеся слои поликора (ε=9.6) толщиной 1 мм и пенопласта (ε=1.1) толщиной 12 мм, с нарушением периодичности в виде уменьшенной до 5.5 мм, 5 мм и 4.5 мм толщины центрального слоя, в котором элемент для регулирования затухания выполнен в виде p–i–n-диодной структуры, расположенной после фотонного кристалла по направлению распространения электромагнитной волны и подключенной к источнику питания с регулируемым напряжением (см. патент на изобретение РФ №2407114, МПК H01P 1/00).

Недостатком данного СВЧ-фильтра с электрически управляемыми характеристиками является ограниченный диапазон регулировки мощности выходного сигнала на частоте дефектной моды фотонного кристалла в схеме на отражение, не превышающий 25 дБ.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является волноводный СВЧ фотонный кристалл, представляющий собой структуру, состоящую из семи периодически расположенных прямоугольных металлических резонансных диафрагм на расстоянии L=20 мм друг от друга в прямоугольном волноводе трехсантиметрового диапазона. Ширина и высота щелей диафрагм фотонного кристалла выбирались равными 20  и 2 мм соответственно. Для эффективного управления резонансными свойствами таких фотонных кристаллов использовалась конструкция с n–i–p–i–n-диодной матрицей, состоящей из четырех диодных элементов, размещенных в центральной диафрагме, выполненной в виде двух прямоугольных щелей, размером 10.5х1.0 мм2 каждая [Усанов Д.А., Никитов С.А., Скрипаль А.В., Мерданов М.К., Евтеев С.Г. Волноводные фотонные кристаллы на резонансных диафрагмах с управляемыми n–i–p–i–n-диодами характеристиками// Радиотехника и электроника. 2018.  № 1. С. 65–71].

Недостатком данного фотонного кристалла является значительный продольный размер и использование сложной конструкции с n–i–p–i–n-диодной матрицей, содержащей значительное (не менее четырех) количество n–i–p–i–n-диодов, для достижения величины диапазона регулировки мощности выходного сигнала на частоте дефектной моды фотонного кристалла в схеме на отражение, превышающей 45 дБ. Уменьшение количества n–i–p–i–n-диодов до одного приводило к уменьшению величины диапазона регулировки мощности выходного сигнала до 20 дБ.

Техническая проблема заключается в разработке конструкции СВЧ фотонного кристалла, обеспечивающего достижение величины диапазона регулировки мощности выходного сигнала на частоте дефектной моды фотонного кристалла в схеме на отражение, превышающей 47 дБ.

Техническим результатом является достижение указанной величины диапазона регулировки мощности при уменьшении продольного размера СВЧ фотонного кристалла и сокращении, даже до одного, количества управляющих элементов в виде полупроводниковых n–i–p–i–n-диодов.

Указанный технический результат достигается тем, что СВЧ фотонный кристалл, выполненный в виде прямоугольного волновода, содержащего периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения металлические элементы, по крайней мере, одну n–i–p–i–n диодную структуру в центральном элементе, и источник питания, согласно решению, металлические элементы выполнены в виде штырей, в количестве не менее пяти, расположенных вдоль продольной оси широкой стенки волновода, при этом центральный штырь гальванически соединен с обеими противоположными стенками волновода, имеет разрыв для размещения диодной n–i–p–i–n структуры, n-области которой соединены с противоположными концами центрального штыря, а p-область соединена с положительным полюсом источника питания, штыри, расположенные справа и слева от центрального, ближайшие к нему, имеют емкостные зазоры у одной из широких стенок волновода и выполнены с возможностью регулировки величины этих зазоров, последующие штыри, расположенные слева и справа от ближайших к центральному, имеют емкостные зазоры меньшей величины у противоположной широкой стенки, при этом диаметр центрального штыря меньше диаметров остальных штырей.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами:

Фиг.1. СВЧ фотонный кристалл в виде волноводной штыревой системы с переключательным диодом на основе n–i–p–i–n структуры.

Фиг.2. Схема расположения штырей с зазорами.

Фиг.3. Расчетные частотные зависимости коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы.

Фиг.4. Экспериментальные частотные зависимости коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы.

Позициями на чертежах обозначены:

1 – отрезок волновода сечением 23х10 мм2;

2 – положительный полюс источника питания;

3 – n–i–p–i–n структура;

4 – широкие стенки волновода;

5 – штыри;

6 – зазоры;

7 – разрыв величиной 1 мм центрального штыря для размещения n–i–p–i–n структуры;

8 – расчетная частотная зависимость коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы при удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры σ=0 См/м (штриховая линия);

9 – расчетная частотная зависимость коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы при удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры σ=103 См/м (сплошная линия);

10 – экспериментальная частотная зависимость коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы при отсутствии управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А на основе n–i–p–i–n-структуры (штриховая линия);

11 – экспериментальная частотная зависимость коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы при величине управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А на основе n–i–p–i–n-структуры, равной 200 мА (сплошная линия).

В качестве СВЧ фотонного кристалла рассматривался волновод трехсантиметрового диапазона с брэгговской структурой, выполненной в виде периодически расположенных металлических штырей. Штыри располагались по центру широкой стенки волновода на равном расстоянии друг от друга. Диаметр центрального штыря был задан равным 1 мм, диаметр остальных – 2 мм. Продольный размер системы из пяти штырей составил 50 мм. Величина зазоров между крайними штырями и одной и той же широкой стенкой волновода выбиралась равной 0.2 мм, величина зазоров между вторым и четвертым штырями и противоположной широкой стенкой волновода выбиралась равной 0.59 мм.

В качестве центрального штыря выбирался штырь, гальванически соединенный с обеими противоположными широкими стенками волновода и имеющий в центре разрыв величиной 1 мм. Для управления характеристиками СВЧ фотонного кристалла выбиралась n–i–p–i–n-структура, которая располагалась в разрыве центрального штыря.

Конструкция СВЧ фотонного кристалл в виде волноводной штыревой системы с n–i–p–i–n-структурой представлена на фиг. 1.

Схема расположения штырей с зазорами представлена на фиг. 2.

На основе численного моделирования с использованием метода конечных элементов в программе ANSYS HFSS исследовались амплитудно-частотные характеристики коэффициентов отражения фотонного кристалла при различной удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры. Предполагалось, что при прямом смещении удельная электропроводность данного элемента изменялась в диапазоне от 0 до 103 См/м. Такое изменение величины удельной электропроводности , обусловленное обогащением i-областей инжектированными носителями заряда, соответствует величине протекающего тока в диапазоне от 0 до 200 мА с использованием n–i–p–i–n-структуры типа 2A505.

Как следует из результатов расчета, при достижении удельной электропроводности i-областей n–i–p–i–n-структуры значения, равного 103 См/м, сопротивление n–i–p–i–n-структуры уменьшается до нескольких единиц Ом, что приводит к фактическому «исчезновению» разрыва центрального штыря.

Результаты расчета частотной зависимости коэффициента отражения S11 СВЧ фотонного кристалла представлены на фиг. 3.

Как следует из результатов расчета на АЧХ СВЧ фотонного кристалла в виде периодической структуры со штыревым центральным элементом, замкнутым на обе противоположные широкие стенки волновода, возникает широкая запрещенная зона от 8 ГГц до 12.1 ГГц. Наличие лишь слабого возмущения в запрещенной зоне АЧХ (кривая 9 на фиг. 3) на частоте 10.8 ГГц свидетельствует о незначительности влияния вносимого нарушения в виде центрального сплошного штыря уменьшенного диаметра (1 мм) на распространение СВЧ-волны в созданном СВЧ фотонном кристалле, содержащем цилиндрические штыри равного диаметра (2 мм), расположенные на равном расстоянии друг от друга.

При отсутствии напряжения смещения n–i–p–i–n-структура, являющаяся элементом нарушения фотонного кристалла, при удельной электропроводности i-слоя, равной 0 См/м, совместно с элементами центрального металлического штыря может быть приближенно представлена в виде последовательного R–L–C-контура, где R – сопротивление потерь в сильнолегированных областях, омических контактах и выводах n–i–p–i–n-структуры, С – емкость i-слоя, L– индуктивность элементов центрального металлического штыря.

Как следует из результатов расчета АЧХ (кривая 8 на фиг. 3), в этом режиме на частоте 11,44 ГГц в запрещенной зоне фотонного кристалла возникает ярко выраженная дефектная мода, характеризующаяся коэффициентом отражения равным –33.3 дБ.

Увеличение удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры, приводит к увеличению коэффициента отражения на частоте дефектной моды, который достигает величины –0.03 дБ при величине удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры, равной 103 См/м.

Пример практической реализации устройства.

Был создан СВЧ фотонный кристалл 3-сантиметрового диапазона длин волн (размеры поперечного сечения волновода 23×10 мм2).

СВЧ фотонный кристалл, выполнен в виде прямоугольного волновода 1 и содержит источник питания 2. В волноводе размещены периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения металлические элементы, расположенные вдоль продольной оси широкой стенки волновода 4. Металлические элементы выполнены в виде пяти штырей 5. Центральный штырь гальванически соединен с обеими противоположными стенками волновода 1 и имеет в центре разрыв, с размещенной в нем n–i–p–i–n диодной структурой 3, n-области которой соединены с противоположными концами штыря, а p-область гальванически соединена с положительным полюсом источника питания 2. Штыри, расположенные справа и слева от центрального, ближайшие к центральному, имеют емкостные зазоры равные 0.59 мм, у одной из широких стенок волновода, выполнены с возможностью регулировки зазоров, например, с помощью резьбовой подачи. Последующие штыри, расположенные слева и справа от ближайших к центральному, имеют емкостные зазоры меньшей величины с противоположной широкой стенкой, равные 0.2 мм. Центральный штырь был гальванически соединен с обеими противоположными широкими стенками 4 волновода 1 и имел в центре разрыв величиной 1 мм. Диаметр центрального штыря равен 1 мм, диаметры остальных штырей равны 2 мм. Продольный размер системы из пяти штырей составил 50 мм.

Для управления характеристиками СВЧ фотонного кристалла использовался кремниевый переключательный диод 2А505А на основе n–i–p–i–n-структуры, который располагался в разрыве центрального штыря. p-область n–i–p–i–n-структуры гальванически соединялась через отверстие в узкой стенке волновода с положительным полюсом источника питания.

Частотные зависимости коэффициентов отражения S11 СВЧ фотонного кристалла измерялись с помощью векторного анализатора цепей Agilent Microwave Network Analyzer N5242A PNA-X в диапазоне частот от 8 ГГц до 12.5 ГГц, результаты измерений в диапазоне частот от 10 ГГц до 12.5 ГГц представлены на фиг. 4.

Как следует из результатов эксперимента (кривая 11 на фиг. 4), при увеличении управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А, до 200 мА сопротивление i-области переключательного диода 2А505А уменьшается до единиц Ом, что приводит к фактическому «исчезновению» разрыва центрального штыря. На амплитудно-частотной характеристике СВЧ фотонного кристалла в виде периодической структуры со штыревым центральным элементом, замкнутым на обе противоположные широкие стенки волновода, возникает широкая запрещенная зона от 8 ГГц до 12.23 ГГц. При этом в запрещенной зоне АЧХ возникает достаточно слабое возмущение (кривая 11 на фиг. 4) на частоте 10.8 ГГц.

При отсутствии управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А, центральный штырь уменьшенного до 1 мм диаметра, в разрыве которого размещен переключательный диод 2А505А, выступает в качестве нарушения периодичности СВЧ фотонного кристалла на штыревых элементах.

В этом случае, как следует из результатов эксперимента, при отсутствии управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А, в запрещенной зоне СВЧ фотонного кристалла на частоте 11,315 ГГц возникает ярко выраженная дефектная мода, характеризующаяся коэффициентом отражения, равным –47.1 дБ.

При увеличении управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А, происходит монотонное увеличение коэффициента отражения СВЧ фотонного кристалла на частоте дефектной моды, который достигает величины –0.3 дБ, при токе, равном 200 мА.

Сравнение результатов расчета и экспериментальных результатов, полученных при практической реализации устройства, свидетельствует об их хорошем качественном соответствии.

Некоторое количественное несовпадение, выражающееся в небольшом различии частоты дефектной моды и динамического диапазона изменения коэффициента отражения на частоте дефектной моды при вариации уровня инжекции неравновесных носителей заряда в i-области n–i–p–i–n-структуры, может быть связано с ограниченностью модели, описывающей взаимодействие электромагнитного излучения с полупроводниковой n–i–p–i–n-структурой с использованием программы ANSYS HFSS, удельная эффективная электропроводность σef которой определяется как средняя величина удельной электропроводности полупроводниковой структуры s(x) и вычисляется с учетом координатной зависимости распределения неравновесных носителей заряда p(x) в i-области с помощью выражения [Стафеев В.И. ЖТФ. 1958. Т.28. №8. С.1631–1642. Баранов Л.И., Климов Б.Н., Селищев Г.В. Радиотехника и электроника. 1966. Т.11, №8. С. 1441-1446]:

(1).

где μn, μp – подвижность электронов и дырок, n0, p0– равновесная концентрация электронов и дырок в i – области, li – длина i области, b=mn/mp.

Следует отметить, что в случае учета зависимости коэффициентов диффузии электронов и дырок от напряженности электрического поля при высоком уровне инжекции неравновесных носителей заряда в i-области n–i–p–i–n-структуры может быть получена немонотонная зависимость распределения концентрации свободных носителей заряда p(x) вдоль n–i–p–i–n-структуры, то есть наблюдаются, так называемые, пространственные осцилляции плотности заряда в кремниевом p–i–n диоде [Усанов Д.А., Горбатов С.С., Кваско В.Ю., Фадеев А.В., Калямин А.А. Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40. Вып. 21. С. 104–110.].

В этом случае удельная эффективная электропроводность n–i–p–i–n-структуры должна рассчитываться с использованием выражения (1) с учетом немонотонной зависимости p(x).

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет создать СВЧ фотонный кристалл, динамический диапазон изменения коэффициента отражения которого при изменении управляющего тока, протекающего через единственный переключательный диод 2А505А от 0 до 200 мА достигает 47 дБ, при этом линейный размер фотонного кристалла составил 50 мм.

СВЧ фотонный кристалл, выполненный в виде прямоугольного волновода, содержащего периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения металлические элементы, по крайней мере одну n–i–p–i–n диодную структуру в центральном элементе, и включающий источник питания, отличающийся тем, что металлические элементы выполнены в виде по крайней мере пяти штырей, расположенных вдоль продольной оси широкой стенки волновода, центральный штырь гальванически соединен с обеими противоположными стенками волновода и имеет в центре разрыв для размещения в нем n–i–p–i–n диодной структуры, n-области которой соединены с противоположными концами штыря, а p-область соединена с положительным полюсом источника питания, штыри, расположенные справа и слева от центрального, ближайшие к центральному, имеют емкостные зазоры с одной из широких стенок волновода, выполнены с возможностью регулировки зазоров, последующие штыри, расположенные слева и справа от ближайших к центральному имеют емкостные зазоры меньшей величины с противоположной широкой стенкой, при этом диаметр центрального штыря меньше диаметров остальных штырей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники. Волноводный ферритовый переключатель с магнитной памятью содержит волноводное разветвление, в центре которого между диэлектрическими прокладками расположен ферритовый вкладыш с управляющей обмоткой, при этом ферритовый вкладыш состоит из примыкающих вплотную друг к другу одинаковых ферритовых элементов, число которых соответствует числу плеч устройства и в каждом из которых имеется отверстие для управляющей обмотки, представляющих собой в плане выпуклый пятиугольник, образованный из прямоугольника, в котором одна из коротких сторон заменена на ломаную линию из двух равных отрезков.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к диплексерам. Микрополосковый диплексер состоит из диэлектрической подложки, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесены полосковые проводники.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к перестраиваемым полосно-запирающим волноводным фильтрам. Фильтр состоит из металлического корпуса, включающего отрезок прямоугольного волновода с фланцами.

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано в приемо-передающих модулях активных фазированных решеток (АФАР) и других устройствах для коммутации приемо-передающих каналов.

Изобретение относится к логическим элементам на магнитостатических волнах. Технический результат - создание логического устройства типа инвертор/повторитель на поверхностных магнитостатических волнах с возможностью управления режимами работы.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фазовращателям СВЧ на полупроводниковых приборах. Фазовращатели (ФВ) широко используются в аппаратуре связи, радиолокации и измерительной технике.

Микрополосковый диплексер относится к радиотехнике. Микрополосковый диплексер содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую сторону нанесены полосковые проводники резонаторов и П-образный проводник согласующей цепи, причем резонаторы формируют фильтры низкочастотного и высокочастотного каналов, один конец согласующей цепи короткозамкнут, а ко второму подключен общий вход диплексера, входные резонаторы каналов связаны с согласующей цепью электромагнитно.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к технике СВЧ. Волноводный поляризационный селектор содержит отрезок круглого волновода диаметром D, первый отрезок прямоугольного волновода с поперечным размером широких стенок A>D и поперечным размером узких стенок B<D, волноводный переход, имеющий N ступеней, расположенный между ними и имеющий с ними общую продольную ось, второй отрезок прямоугольного волновода, продольная ось которого перпендикулярна, а широкие стенки параллельны упомянутой общей продольной оси, диафрагму, установленную в месте соединения второго отрезка прямоугольного волновода с отрезком круглого волновода, и продольную диаметральную металлическую пластину, установленную параллельно широким стенкам первого отрезка прямоугольного волновода, одна поперечная грань которой расположена в отрезке круглого волновода, а другая - в волноводном переходе.

Изобретение относится к радиотехнике. Фрактальные взаимосвязанные резонаторы сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний выполнены в виде диэлектрических трехгранных односторонних поверхностей с металлическими обкладками и образуют кольцевую структуру.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использовано в качестве фазовращателя. Устройство содержит, размещенный на подложке микроволновод из пленки железоиттриевого граната (ЖИГ), имеющий раздвоенную среднюю часть, размещенные на сплошных частях микроволновода входной и выходной преобразователи магнитостатических волн, элементы управления, источник внешнего магнитного поля.

Использование: для создания СВЧ фотонного кристалла. Сущность изобретения заключается в том, что СВЧ фотонный кристалл выполнен в виде прямоугольного волновода, содержащего периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения металлические элементы, по крайней мере одну n–i–p–i–n диодную структуру в центральном элементе и источник питания, согласно решению металлические элементы выполнены в виде штырей, в количестве не менее пяти, расположенных вдоль продольной оси широкой стенки волновода, при этом центральный штырь гальванически соединен с обеими противоположными стенками волновода, имеет разрыв для размещения диодной n–i–p–i–n структуры, n-области которой соединены с противоположными концами центрального штыря, а p-область соединена с положительным полюсом источника питания, штыри, расположенные справа и слева от центрального, ближайшие к нему, имеют емкостные зазоры у одной из широких стенок волновода и выполнены с возможностью регулировки величины этих зазоров, последующие штыри, расположенные слева и справа от ближайших к центральному, имеют емкостные зазоры меньшей величины у противоположной широкой стенки, при этом диаметр центрального штыря меньше диаметров остальных штырей. Технический результат: обеспечение возможности достижения указанной величины диапазона регулировки мощности при уменьшении продольного размера СВЧ фотонного кристалла и сокращении, даже до одного, количества управляющих элементов в виде полупроводниковых n–i–p–i–n-диодов. 4 ил.

Наверх