Результат интеллектуальной деятельности: СВЧ фотонный кристалл

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 изрезанность разрешенной зоны на амплитудно-частотной характеристике и невозможность электрического управления его амплитудно-частотными характеристиками.

Эти недостатки частично устранены в СВЧ-фильтре с регулируемыми положением частотной области пропускания и величиной пропускания в этой области, включающем отрезок волновода, содержащий частотно-селективный элемент и элемент для регулирования затухания, отличающемся тем, что 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, а 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 является изрезанность разрешенной зоны на его амплитудно-частотной характеристике, а также недостаточный диапазон регулировки затухания фотонного кристалла на частоте дефектной моды.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является волноводный СВЧ фотонный кристалл, реализованный на основе периодически расположенных резонансных диафрагм, каждая из которых представляет собой слой металлизации с отверстием, нанесенный на диэлектрическую подложку с щелью, размеры которой совпадают с размерами отверстия в металлизации (Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Мерданов М.К., Евтеев С.Г. Волноводные фотонные структуры на резонансных диафрагмах. Радиотехника. 2015. № 10. С. 108-114).

Недостатком данного фотонного кристалла является изрезанность разрешенной зоны на его амплитудно-частотной характеристике и невозможность электрического управления его амплитудно-частотными характеристиками.

Техническая проблема заключается в создании СВЧ фотонного кристалла с плоской разрешенной зоной на его амплитудно-частотной характеристике, то есть зоной, характеризующейся частотно независимым коэффициентом прохождения электромагнитной волны.

Техническим результатом является достижение частотной независимости коэффициента прохождения электромагнитной волны в разрешенной зоне СВЧ фотонного кристалла при обеспечении возможности электрического управления характеристиками примесной моды затухания колебаний фотонного кристалла.

Указанный технический результат достигается тем, что СВЧ фотонный кристалл, выполненный в виде прямоугольного волновода, содержащего четные и нечетные элементы, периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения, нечетные элементы фотонного кристалла выполнены в виде прямоугольных металлических резонансных диафрагм с прямоугольными отверстиями, длинные стороны которых параллельны широкой стенке волновода, полностью перекрывающими волновод по поперечному сечению, четные элементы фотонного кристалла представляют собой отрезки прямоугольного волновода между диафрагмами, при этом две диафрагмы являются крайними элементами фотонного кристалла, а одна центральной, согласно решению дополнительно содержит согласованную нагрузку, соединенную с одним концом фотонного кристалла, Y-циркулятор, один из выходов которого соединен с противоположным концом фотонного кристалла, источник постоянного напряжения, в отверстии центральной диафрагмы размещена, по крайней мере, одна n–i–p–i–n диодная структура, n-области которой гальванически соединены с длинными сторонами отверстия заземленной диафрагмы, p-область n–i–p–i–n диодной структуры соединена с положительным полюсом источника постоянного напряжения, размеры отверстий резонансных диафрагм, кроме центральной диафрагмы, составляют длина a₀=20⋅a/23 и ширина b₀=b/5, толщина диафрагм составляет 0,0005⋅b<d<0,003⋅b, длина четных элементов L составляет 1,8⋅b<L<2,5⋅b, при этом a и b – размеры широкой и узкой стенок волновода, соответственно.

В первом случае центральная диафрагма имеет одно отверстие, n–i–p–i–n-диодная структура расположена около одной из узких границ прямоугольного отверстия центральной диафрагмы, размеры которой составляют длина a₁=2⋅a/3 и ширина b₁=b/30.

Во втором случае центральная диафрагма имеет два отверстия, отверстия выполнены одинаковыми и расположены параллельно широкой стенке волновода, имеют размеры длиной a₂⋅=a/2 и шириной b₂=b/10, расположены на равном расстоянии от широких стенок волновода и расстоянии h, равном b/2, друг от друга, в каждом отверстии расположены по две n–i–p–i–n-структуры на равном расстоянии от узких сторон отверстий и расстоянии l, равном a₂/3, друг от друга.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами:

Фиг.1. Центральная диафрагма фотонного кристалла с одним отверстием.

Фиг.2 Нецентральная диафрагма фотонного кристалла.

Фиг.3. Фотонный кристалл с центральной диафрагмой с одним прямоугольным отверстием.

Фиг.4. АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² фотонного кристалла с центральной диафрагмой с одним прямоугольным отверстием

Кривые 12 и 13 соответствуют двум различным значениям управляющего прямого тока, протекающего через n–i–p–i–n-структуру, I, мА: 11 – 0.0, 12 – 550 мА. Кривая 11 соответствует фотонному кристаллу без нарушения.

Фиг.5. Центральная диафрагма фотонного кристалла с двумя отверстиями.

Фиг.6. Фотонный кристалл с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями.

Фиг.7. АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями.

Кривые 18–24 соответствуют различным значениям управляющего прямого тока, протекающего через n–i–p–i–n-структуры, I, мА: 18 – 0.0, 19 – 0.0005, 20 – 0.092, 21 – 0.660, 22 – 3.36, 23 – 8.15, 24 – 193.5. Кривая 17 соответствует СВЧ фотонному кристаллу без нарушения.

Фиг.8. Зависимости коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями от величины управляющего прямого тока, протекающего через n–i–p–i–n-структуру, на частотах примесных мод затухания колебаний фотонного кристалла f_1эксп и f_2эксп, ГГц: 25 – 9.22; 26 – 9.56.

Позициями на чертежах обозначены:

1 – n–i–p–i–n диодная структура;

2 – положительный полюс источника постоянного напряжения;

3 – вход Y-циркулятора;

4 – первый выход Y-циркулятора;

5 – второй выход Y-циркулятора;

6 – Y-циркулятор;

7– СВЧ фотонный кристалл;

8– согласованная нагрузка;

9 – центральная диафрагма СВЧ фотонного кристалла с одним прямоугольным отверстием;

10 – диафрагма СВЧ фотонного кристалла;

11 – экспериментальная АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла без нарушения;

12 – экспериментальная АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с одним прямоугольным отверстием при управляющем токе через n–i–p–i–n-структуру I=0 мА;

13 – экспериментальная АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с одним прямоугольным отверстием при управляющем токе через n–i–p–i–n-структуру I=550 мА;

14 – центральная диафрагма СВЧ фотонного кристалла с двумя прямоугольными отверстиями;

15 – экспериментальная АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла без нарушения;

16 – экспериментальная АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² фотонного кристалла с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями при управляющем токе через n–i–p–i–n-матрицу I=0 мА;

17 – экспериментальная АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями при управляющем токе через n–i–p–i–n-матрицу I=0.0005 мА;

18 – экспериментальная АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями при управляющем токе через n–i–p–i–n-матрицу I=0.092 мА;

19 – экспериментальная АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² сигнала СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями при управляющем токе через n–i–p–i–n-матрицу I=0.660 мА;

20 – экспериментальная АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями при управляющем токе через n–i–p–i–n-матрицу I=3.36 мА;

21 – экспериментальная АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями при управляющем токе через n–i–p–i–n-матрицу I=8.15 мА;

22 – экспериментальная АЧХ коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями при управляющем токе через n–i–p–i–n-матрицу I=193.5 мА;

23 – зависимость коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями на частоте примесной моды затухания колебаний фотонного кристалла f_1эксп=9.22 ГГц от величины управляющего прямого тока, протекающего через n–i–p–i–n-структуру;

24 – зависимость коэффициента прохождения ⎟D⎟² СВЧ фотонного кристалла с центральной диафрагмой с двумя прямоугольными отверстиями на частоте примесной моды затухания колебаний фотонного кристалла f_2эксп=9.56 ГГц от величины управляющего прямого тока, протекающего через n–i–p–i–n-структуру.

Для реализации СВЧ фотонного кристалла, характеризующегося наличием частотно независимого коэффициента прохождения электромагнитного излучения в разрешенной зоне, была использована схема с циркулятором (см. фиг. 3 и фиг. 6).

Входной сигнал подавался на вход 3 Y-циркулятора (фиг. 3 и фиг. 6), к первому выходу 4 Y-циркулятора (фиг. 3 и фиг. 6) был подключен СВЧ фотонный кристалл 7 (фиг. 3 и фиг. 6) с согласованной нагрузкой 8 (фиг. 3 и фиг. 6), выходной сигнал измерялся на втором выходе 5 Y-циркулятора (фиг. 3 и фиг. 6).

Поскольку при подаче входного сигнала на вход 3 (фиг. 3 и фиг. 6) идеального Y-циркулятора сигнал на второй выход 5 Y-циркулятора (фиг. 3 и фиг. 6) поступает только при наличии отраженной волны на первом выходе 4 Y-циркулятора (фиг. 3 и фиг. 6), то при подключении фотонного кристалла 7 с согласованной нагрузкой 8 на первом выходе 4 Y-циркулятора (фиг. 3 и фиг. 6), коэффициент прохождения ⎟D⎟² сигнала с входа 3 Y-циркулятора на второй выход 5 Y-циркулятора (фиг. 2 и фиг. 5) определяется коэффициентом отражения фотонного кристалла ⎟R⎟², с использованием соотношения:

⎟D⎟²=⎟R⎟². (1)

Таким образом, в области частот, определяющих запрещенную зону СВЧ фотонного кристалла, ⎟R⎟²≈1, согласно выражению (1) коэффициент прохождения ⎟D⎟² сигнала с входа 3 Y-циркулятора на второй выход 5 Y-циркулятора (фиг. 3 и фиг. 5) близок к единице, что обеспечивает формирование разрешенной зоны с частотно независимым коэффициентом прохождения электромагнитного излучения в диапазоне частот 8.5 ГГц–9.8 ГГц (кривая 11 на фиг.4 и кривая 15 на фиг. 7).

Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что в фотонных кристаллах на резонансных диафрагмах, выполненных из металлической фольги, для возникновения примесной моды колебаний в запрещённой зоне необходимо изменить расстояние между выбранными диафрагмами или изменить ширину прямоугольного отверстия диафрагмы. При использовании фотонного кристалла с измененной шириной отверстия одной из диафрагм, например центральной, частотное положение примесной моды колебаний определяется шириной отверстия этой диафрагмы и при её уменьшении смещается в сторону высокочастотного края запрещенной зоны.

Для создания СВЧ фотонного кристалла на резонансных диафрагмах с электрически управляемым размером ширины отверстия диафрагмы, выполняющей роль нарушения, может быть использована конструкция, в которой вблизи одного из краёв центральной диафрагмы с отверстием уменьшенной ширины расположена n–i–p–i–n-структура 1 (см. фиг. 1).

Создание нарушения приводит к возникновению резонансной особенности – примесной моды затухания колебаний в разрешенной зоне фотонного кристалла на частоте f_1эксп=9.03 ГГц (см. фиг. 4), которая смещается по частоте на величину, равную 160,0 МГц, в сторону высокочастотного края запрещенной зоны при пропускании достаточно больших прямых токов через n–i–p–i–n-диодную структуру. При этом на частоте примесной моды колебаний 9.03 ГГц наблюдается увеличение коэффициента прохождения от –24.0 дБ при I=0 мА до –3.0 дБ при I=550 мА.

Для создания СВЧ фотонного кристалла на резонансных диафрагмах с электрически управляемыми характеристиками может быть использована конструкция, в которой центральная диафрагма фотонного кристалла содержит два одинаковых параллельных отверстия с размерами a₃⋅=11.5 мм и b₃=1 мм, расположенные на равном расстоянии от широких стенок волновода и расстоянии h, равном 5 мм, друг от друга. В каждом отверстии расположены по две n–i–p–i–n-структуры на равном расстоянии от узких границ отверстий и расстоянии l, равном 3.83 мм, друг от друга.

На основе численного моделирования с использованием метода конечных элементов в программе ANSYS HFSS исследовались амплитудно-частотные характеристики коэффициентов отражения и прохождения фотонного кристалла при различной удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры. Предполагалось, что при прямом смещении удельная электропроводность δ данного элемента изменялась в диапазоне 10^–2…10⁵ См/м. Такое изменение величины удельной электропроводности δ, обусловленное обогащением i-областей инжектированными носителями заряда, соответствует величине протекающего тока от 0 до 300 мА при изменении напряжения смещения от 0 до 0.9 В с использованием n–i–p–i–n-структуры типа 2A505.

Введение в каждое прямоугольное отверстие центральной диафрагмы СВЧ фотонного кристалла по две n–i–p–i–n-структуры приводит к возникновению примесной моды затухания колебаний в разрешённой зоне фотонного кристалла на частоте f_1теор=8.91 ГГц.

При увеличении удельной электропроводности i-слоя в диапазоне от 0 до 0.4 См/м коэффициент прохождения уменьшается от –0.65 дБ до –47.5 дБ, а в диапазоне от 0.4 до 10⁴ См/м монотонно увеличивается от –47.5 дБ до –0.3 дБ.

Увеличение удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры до значений больших 20.0 См/м приводит к исчезновению примесной моды колебаний на частоте f_1теор и возникновению на частоте f_2теор=9.47 Гц, отличной от f_1теор. При этом на частоте f_2теор с увеличением удельной электропроводности i-слоя в диапазоне от 0.0 См/м до 270.0 м/м коэффициент прохождения уменьшается от –0.1 дБ до –30.66 дБ. Дальнейшее увеличение удельной электропроводности приводит к монотонному росту коэффициента отражения на частоте f_2теор.

Частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ фотонного кристалла демонстрируют высокую чувствительность к величине удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры. При этом на частотах f_1теор и f_2теор могут быть получены как монотонно возрастающие или монотонно убывающие, так и немонотонные зависимости коэффициента отражения от величины удельной электропроводности i-слоя выбором диапазона её изменения.

Исчезновение примесной моды колебаний на частоте f_1теор и возникновение на другой частоте f_2теор при увеличении удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры до определенной величины обусловлено эффектом изменения типа резонансного отражения электромагнитного излучения от слоистых структур с проводящими слоями (Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С. // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. № 2, с. 13) от так называемого полуволнового резонанса, к четвертьволновому резонансу.

В описанном выше фотонном кристалле роль проводящего слоя играет центральная диафрагма с двумя одинаковыми параллельными отверстиями, в каждом из которых расположены по две n–i–p–i–n-структуры.

При малой толщине и низкой удельной электропроводности проводящего слоя на частоте f_1теор, соответствующей минимуму коэффициента прохождения, реализуется распределение электрического поля в стоячей СВЧ-волне, при котором на границе проводящего слоя образуется пучность, а при больших толщинах и высокой удельной электропроводности проводящего слоя минимум коэффициента прохождения возникает на частоте f_2теор, отличной от частоты f_1теор, что обусловлено возникновением нового распределения электрического поля в фотонном кристалле, при котором на границе проводящего слоя образуется узел электрического поля электромагнитной волны.

Пример практической реализации устройства

Реализовывался фотонный кристалл 3-сантиметрового диапазона длин волн. Фотонный кристалл выполнен в виде прямоугольного волновода, содержащего четные и нечетные элементы, периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения, нечетные элементы фотонного кристалла выполнены в виде прямоугольных алюминиевых диафрагм с прямоугольными отверстиями, размеры прямоугольных отверстий всех диафрагм, кроме центральной, одинаковы и составляют a₀=20 мм и b₀=2 мм (фиг. 2), толщина диафрагм равна d=10 мкм. Количество диафрагм фотонного кристалла рано семи, диафрагмы полностью перекрывают волновод по поперечному сечению. Четные элементы фотонного кристалла представляют собой отрезки прямоугольного волновода между диафрагмами длиной L=20 мм, их количество равно шести. Две диафрагмы являются крайними элементами фотонного кристалла, а одна центральной. Продольный размер созданного волноводного фотонного кристалла составил 120,07 мм.

Были изготовлены и экспериментально исследованы две конструкции, отличающиеся центральной диафрагмой фотонного кристалла.

Был изготовлен фотонный кристалл, центральная диафрагма которого содержит одно отверстие с размерами a₁=15.33 мм и b₁=0.33 мм (фиг. 1). В отверстии около одной из узких сторон расположена n–i–p–i–n-диодная структура 1 типа 2A505 (фиг.1), при этом n-области n–i–p–i–n диодной структуры гальванически соединены с длинными сторонами отверстия заземленной диафрагмы, p-область n–i–p–i–n диодной структуры соединена с положительным полюсом источника постоянного напряжения 2.

Частотные зависимости коэффициентов пропускания фотонного кристалла измерялись в трехсантиметровом диапазоне длин волн с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA-L N5230A.

Амплитудно-частотные характеристики коэффициента прохождения ⎟D⎟² сигнала с входа 3 Y-циркулятора на второй выход 5 Y-циркулятора 6 при подключении к первому выходу 4 Y-циркулятора 6 фотонного кристалла 7 (фиг. 3), центральная диафрагма 9 которого содержит прямоугольное отверстие и n–i–p–i–n диодную структуру типа 2A505, расположенную у одной из узких сторон этого отверстия, представлены на фиг.4. Кривые 12 и 13 соответствуют двум различным значениям управляющего прямого тока, протекающего через n–i–p–i–n диодную структуру, I, мА: 12 – 0.0, 13 – 550 мА. Кривая 11 соответствует фотонному кристаллу без нарушения.

Был изготовлен фотонный кристалл, центральная диафрагма которого содержит два одинаковых параллельных отверстия с размерами a₂⋅=11.5 мм и b₂=1 мм, расположенные на равном расстоянии от широких стенок волновода и расстоянии h, равном 5 мм, друг от друга.

В каждом отверстии находились по две n–i–p–i–n диодные структуры 1 типа 2A505 (фиг. 5), расположенные на равном расстоянии от узких сторон отверстий и расстоянии l, равном 3.83 мм, друг от друга, при этом n-области n–i–p–i–n диодных структур гальванически соединены с длинными сторонами отверстий заземленной диафрагмы, p-области n–i–p–i–n диодных структур соединены с положительным полюсом источника постоянного напряжения 2.

Управление СВЧ сигналом осуществлялось при пропускании прямого тока через n–i–p–i–n диодные структуры типа 2A505.

Частотные зависимости коэффициентов пропускания фотонного кристалла измерялись в трехсантиметровом диапазоне длин волн с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA-L N5230A.

Амплитудно-частотные характеристики коэффициента прохождения ⎟D⎟² сигнала с входа 3 Y-циркулятора 6 на второй выход 5 Y-циркулятора 6 при подключении к первому выходу 4 Y-циркулятора 6 фотонного кристалла 7 (фиг. 6), центральная диафрагма которого содержит два одинаковых параллельных отверстия и четыре n–i–p–i–n диодные структуры, расположенные по две в каждом отверстии, представлены на фиг. 7.

Кривые 16–22 соответствуют различным значениям управляющего прямого тока, протекающего через n–i–p–i–n диодные структуры, I, мА: 16 – 0.0, 17 – 0.0005, 18 – 0.092, 19 – 0.660, 20 – 3.36, 21 – 8.15, 22 – 193.5. Кривая 15 соответствует фотонному кристаллу без нарушения.

Зависимости коэффициента прохождения ⎟D⎟² сигнала с входа с входа 3 Y-циркулятора 6 на второй выход 5 Y-циркулятора 6 при подключении к выходу 4 Y-циркулятора 6 фотонного кристалла 7 (фиг. 6), центральная диафрагма 14 которого содержит два одинаковых параллельных отверстия и четыре n–i–p–i–n диодные структуры, расположенные по две в каждом отверстии, от величины управляющего прямого тока, протекающего через n–i–p–i–n диодные структуры, на частотах примесных мод затухания колебаний фотонного кристалла f_1эксп и f_2эксп, ГГц: 23 – 9.22; 24 – 9.56 представлены на фиг. 8.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет создать фотонный кристалл с частотно независимым коэффициентом прохождения электромагнитной волны в разрешенной зоне и с электрически управляемыми характеристиками примесной моды затухания колебаний фотонного кристалла.