Двосмужкова лінія міліметрового та субміліметрового діапазонів - Автореферат

Подальший розвиток інформаційних технологій та телекомунікаційних систем вимагає збільшення наявного обєму частотного ресурсу та, відповідно, створення планарної надвисокочастотної пасивної елементної бази, що може бути застосована в широкому частотному діапазоні та має високий ступінь інтеграції. Однією з перспективних хвилевідних конфігурацій для вирішення проблеми побудови хвилевідної бази в міліметровому та субміліметровому діапазонах є двосмужкова лінія передачі (планарний двозвязний хвилевід), що досі не знайшла свого широкого застосування. Актуальність теми зумовлена необхідністю розробки, дослідження та створення широкосмугової планарної хвилевідної бази, а також пристроїв на її основі, головним чином, ближньопольових зондів, які можуть бути застосовані в міліметровому та субміліметровому діапазонах. Роботу виконано в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка в межах держбюджетних науково-дослідних тем "Розвиток фізичних основ приладів та програмно-апаратних комплексів для радіофізичних систем енергокомплексу" НДП №06БП-052-03 та "Розвиток фізичних основ приладів та програмно-апаратних комплексів для радіофізичних систем енергокомплексу з покращеними характеристиками елементів" НДП №09БП-052-01. Метою дисертаційної роботи є уточнення вже відомих та визначення нових електродинамічних властивостей електромагнітних квазі-ТЕМ та квазі-ТЕ хвиль, що поширюються в планарному двозвязному хвилеводі та елементах, створених на його основі, задля встановлення можливості побудови широкосмугової планарної хвилевідної бази в міліметровому та субміліметровому діапазонах.В Розділі 2 "Метод кінцевих різниць в просторовій та часовій областях" на основі існуючих та розроблених в рамках даної роботи алгоритмів врахування властивостей середовища була розроблена числова модель планарних багатозвязних хвилевідних структур з використанням FDTD-методу, яка містить наступні програмно реалізовані алгоритми: 1. В Розділі 3 "Результати числового аналізу планарного двозвязного хвилеводу" за допомогою числової моделі було розраховано розподіл електромагнітного поля хвиль в чотирьох основних конфігураціях планарного двозвязного хвилеводу, що показані на рис. Розраховано та досліджено розподіл електромагнітного поля як у випадку поширення в планарному хвилеводі основної ТЕМ-хвилі, так і у багатомодовому режимі в залежності від геометричних параметрів хвилевідної структури та форми її діелектричного заповнення. Було показано, що, завдяки втратам та крайовим неоднорідностям на металевих поверхнях, хвиля у планарному хвилеводі за його довільних геометричних параметрів не може бути чисто ТЕМ-чи ТЕ-хвилею, тобто є гібридною хвилею, що має поздовжні компоненти електричного поля. 2 наведені дисперсійні залежності дійсної частини поздовжнього хвильового числа (постійної поширення хвилі) ( - хвильове число у вільному просторі) квазі-ТЕМ та квазі-ТЕ-хвиль, причому останні можна називати і як гібридні-хвилі, у лінії з повітряним та діелектричним заповненням.У роботі надано розвязок актуальної задачі поширення електромагнітних хвиль міліметрового та субміліметрового діапазонів у планарних метал-діелектричних структурах складної геометрії, побудованих на основі двосмужкової лінії, з урахуванням омічних втрат, втрат в діелектрику та малих неоднорідностей на металевих поверхнях. Проведено всебічне числове та експериментальне дослідження електродинамічних властивостей різного типу електромагнітних хвиль (квазі-ТЕМ, квазі-ТЕ), що поширюються в планарному двозвязному хвилеводі (двосмужковій лінії) та елементах, створених на його основі, в діапазоні 1-180 ГГЦ. Досліджено розподіл електромагнітного поля в хвилевідних структурах, зокрема характеристики ближнього та еванесцентного полів, та показано, що завдяки помірним втратам, відсутності закритичного режиму та великому ступеню інтеграції планарний хвилевід є перспективним для побудови елементів широкосмугової хвилевідної бази міліметрового та субміліметрового діапазонів, головним чином, ближньопольових зондів. Зясовано, що планарний двозвязний хвилевід є широкосмуговим хвилеводом, найнижчим типом хвилі якого є квазі-ТЕМ-хвиля, що має поздовжні компоненти електричного та магнітного полів, максимальна величина амплітуди яких дорівнює-27 ДБ відносно амплітуди поперечних компонент. Показано, що в квазі-ТЕМ-режимі планарний двозвязний хвилевід характеризується хвилевідною дисперсією, що не перевищує 1% в діапазоні 1-1000 ГГЦ.

Основний зміст роботи

У роботі надано розвязок актуальної задачі поширення електромагнітних хвиль міліметрового та субміліметрового діапазонів у планарних метал-діелектричних структурах складної геометрії, побудованих на основі двосмужкової лінії, з урахуванням омічних втрат, втрат в діелектрику та малих неоднорідностей на металевих поверхнях.

У роботі: 1. Проведено всебічне числове та експериментальне дослідження електродинамічних властивостей різного типу електромагнітних хвиль (квазі-ТЕМ, квазі-ТЕ), що поширюються в планарному двозвязному хвилеводі (двосмужковій лінії) та елементах, створених на його основі, в діапазоні 1-180 ГГЦ. До того ж, проведено додатковий електродинамічний аналіз в діапазоні 180-1000 ГГЦ. Досліджено розподіл електромагнітного поля в хвилевідних структурах, зокрема характеристики ближнього та еванесцентного полів, та показано, що завдяки помірним втратам, відсутності закритичного режиму та великому ступеню інтеграції планарний хвилевід є перспективним для побудови елементів широкосмугової хвилевідної бази міліметрового та субміліметрового діапазонів, головним чином, ближньопольових зондів.

2. Вперше розроблено числову математичну модель багатозвязних метал-діелектричних хвилевідних структур складної геометрії, що дозволяє проведення їх повного електродинамічного аналізу з урахуванням втрат та дисперсії електродинамічних параметрів матеріалів.

3. Зясовано, що планарний двозвязний хвилевід є широкосмуговим хвилеводом, найнижчим типом хвилі якого є квазі-ТЕМ-хвиля, що має поздовжні компоненти електричного та магнітного полів, максимальна величина амплітуди яких дорівнює -27 ДБ відносно амплітуди поперечних компонент. До того ж, було встановлено, що величина амплітуди поздовжніх компонент поля квазі-ТЕМ-хвилі є найбільшою поблизу країв структури.

4. Показано, що в квазі-ТЕМ-режимі планарний двозвязний хвилевід характеризується хвилевідною дисперсією, що не перевищує 1% в діапазоні 1-1000 ГГЦ. Значна дисперсія в такому хвилеводі виникає тільки за рахунок дисперсії діелектричної проникності матеріалу заповнення.

5. Показано, що планарний двозвязний хвилевід, у порівнянні зі стандартною несиметричною мікросмужковою лінією, має в гіршому випадку на 10% менші втрати та в два рази більший ступінь інтеграції.

6. Розрахунки електродинамічних процесів з урахуванням крайових неоднорідностей показали, що розглянутий хвилевід характеризується втратами на випромінювання в ТЕМ-режимі навіть у випадку повністю повітряного заповнення та за відсутності омічних втрат.

7. Визначена можливість реалізації багатошарових інтегрованих хвилевідних структур на базі багатомодового варіанту розглянутого хвилеводу, завдяки малості величини компонент електромагнітного поля певних мод із зовнішньої сторони металевих поверхонь.

8. На основі планарного хвилеводу створено електричний та магнітний ближньопольові зонди, модулятор на основі PIN-діоду та фільтри. Показано, що ближньопольові зонди запропонованих конструкцій можуть бути використані для мікрохвильової мікроскопії як при дослідженні локальних електродинамічних параметрів діелектричних та магнітних матеріалів, так і при дослідженні параметрів ближнього, зокрема, еванесцентного полів відкритих хвилевідних структур.

9. Наприклад, за допомогою магнітного зонду було отримано поверхневий розподіл значень резонансних частот доменної структури монокристалічної плівки гексафериту барію. В свою чергу, була показана можливість точного вимірювання окремо дійсної та уявної частин діелектричної проникності за допомогою резонансного електричного зонду при умові, що та . На відміну від пристроїв, що створені на основі обємних хвилеводів, вище перераховані пристрої демонструють добру повторюваність електродинамічних характеристик та технологічність при виготовленні.

1. Данилов В.В. Планарный ТЕМ фильтр с кольцевым резонатором / В.В. Данилов, С.Л. Скрипка, А.Ю. Нечипорук // Известия Вузов. Радиоэлектроника. - 2006. - Т. 49, №12. - С. 54-57.

2. Данилов В.В. Режекторные и ответвляющие фильтры в планарном исполнении / В.В. Данилов, С.Л. Скрипка, А.Ю. Нечипорук // Известия Вузов. Радиоэлектроника. - 2009. - Т. 52, №2. - С. 72-75.

3. Скрипка С.Л. Планарний ТЕ ближньопольовий зонд / С.Л. Скрипка, В.В. Данилов, Р.В. Осіюк, А.Ю. Нечипорук // Вісник КНУ ім. Тараса Шевченка. Серія: "фіз.-мат. науки". - 2008. - №4. - С. 271-274.

4. Скрипка С.Л. Электродинамика волновых процессов в двухсвязных планарных волноведущих структурах / С.Л. Скрипка // Известия Вузов. Радиоэлектроника. - 2009. - Т. 52, №6. - С. 65-74.

5. Скрипка С.Л. Планарные фотонные структуры сверхвысокочастотного диапазона / С.Л. Скрипка // Доповіді Національної академії наук України. - 2010. - №1. - С. 83-86.

6. Скрипка С.Л. Планарный ТЕМ фильтр с кольцевым резонатором терагерцового диапазона / С.Л. Скрипка, А.Ю. Нечипорук // Современные проблемы радиотехники и коммуникации "РТ - 2007": Междунар. молодеж. науч.-тех. конф., 16-21 апреля 2007 г. : Мат-лы конф. - Сев., 2007. - C. 104.

7. Danilov V.V. Planar waveguides and resonators of mm- and submm bands / V.V. Danilov, S.L. Skripka, O.U. Nechyporuk // Sixth international Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter wave and workshop on terahertz technologies, June 25-30 2007: Symp. Proc. - Kh., 2007. - №1. - P. 234-236.

8. Skripka S.L. Planar TE near-field probe / S.L. Skripka, O.U. Nechyporuk // Современные проблемы радиотехники и коммуникации "РТ - 2008": Междунар. молодеж. науч.-тех. конф., 21-25 апреля 2008 г. : Мат-лы конф. - Сев., 2008. - C. 129.

9. Skripka S.L. Microwave magnetic near field probe / S.L. Skripka, V.V. Danilov, O.Y. Nechyporuk // Applied Physics: International Conference, 11-13 June: Conf. Proc. - K., 2008. - P. 195-196.

10. Skripka S.L. Triangular wave channel analysis by FDTD method / S.L. Skripka, V.V. Danilov, O.Y. Nechyporuk // Electronics and Applied Physics: International Conference, 24-27 November: Conf. Proc. - K., 2005. - P. 189-190.

Размещено на .ru