НИЗКОРАЗМЕРНЫЙ СВЧ ФОТОННЫЙ КРИСТАЛЛ
LOW-DIMENSIONAL MICROWAVE PHOTONIC CRYSTAL

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 полоски (Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов. Д.А.Усанов, А.В.Скрипаль, А.В.Абрамов, А.С.Боголюбов, М.Ю.Куликов. Известия вузов. Электроника 2008, №5, с.25-32).
Недостатком данного фотонного кристалла является большой продольный размер, а также ограниченность области применения только малыми и средними уровнями мощности СВЧ-колебаний.
Эти недостатки частично устранены в фотонном кристалле в виде отрезка волновода, содержащего семислойную структуру, представляющую собой периодически чередующиеся нечетные слои, выполненные из поликора толщиной 1 мм, и четные слои, выполненные из фторопласта толщиной 44 мм (Резонансные особенности в разрешенных и запрещенных зонах сверхвысокочастотного фотонного кристалла с нарушением периодичности. Д. А. Усанов, С. А. Никитов, А. В. Скрипаль, Д. В. Пономарев. Радиотехника и электроника 2013, т.58, №11, с.1071-1076).
Недостатком данного фотонного кристалла является большой продольный размер, превышающий более чем в 4 раза длину волны СВЧ-излучения.
Наиболее близким по габаритным размерам к предлагаемому является фотонный кристалл в виде отрезка волновода, содержащего структуру из 11 слоев, представляющую собой периодически чередующиеся нечетные слои, выполненные из поликора толщиной 1 мм, и четные слои, выполненные из пенопласта толщиной 12 мм (см. патент на изобретение RU №2407114, МПК Н01Р 1/00).
Недостатком данного фотонного кристалла является большой продольный размер, превышающий более чем в 2 раза длину волны СВЧ-излучения.
Задачей настоящего изобретения является создание СВЧ фотонного кристалла с продольным размером, меньшим длины волны основного типа.
Техническим результатом является уменьшение продольного размера фотонного кристалла вдоль направления распространения электромагнитной волны до величины, меньшей длины волны основного типа.
<mi>λ</mi>
Указанный технический результат достигается тем, что низкоразмерный волноводный фотонный кристалл выполнен в виде волновода, содержащего элементы, периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения, согласно решению четные элементы фотонного кристалла выполнены в виде диэлектрических слоев, полностью заполняющих поперечное сечение волновода, а нечетные элементы фотонного кристалла выполнены в виде тонких металлических пластин, частично перекрывающих сечение волновода и образующих зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине, при этом зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у одной из широких стенок волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у противоположной широкой стенки волновода, ширина всех зазоров одинакова и находится в интервале от 0,0125λ до 0,0625λ, толщина диэлектрических слоев h находится в интервале от λ/(3) до λ/(9), где
- длина волны основного типа в волноводе, соответствующая середине «запрещенной» зоны фотонного кристалла, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрических слоев.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами: на фиг.1 представлена модель фотонного кристалла, на фиг.2 - расчетные частотные зависимости коэффициента пропускания (непрерывная кривая) и отражения (пунктирная кривая) низкоразмерного фотонного кристалла с диэлектрическими слоями из фторопласта, на фиг.3 - расчетная и экспериментальная частотные зависимости коэффициента отражения низкоразмерного фотонного кристалла с диэлектрическими слоями из пенополистирола, на фиг.4 - расчетная и экспериментальная частотные зависимости коэффициента пропускания низкоразмерного фотонного кристалла с диэлектрическими слоями из пенополистирола. Позициями на фиг.1 обозначены:1 - отрезок прямоугольного волновода, 2 - верхняя стенка волновода, 3 - диэлектрические слои, 4 - нижняя стенка волновода, 5 - тонкие металлические пластины, S - величина зазора, h - толщина слоя диэлектрика.
Сущность изобретения заключается в том, что в качестве элементов волноводного СВЧ фотонного кристалла, образующих периодическую последовательность, используют диэлектрические слои, полностью заполняющие волновод по перечному сечению, и тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине. Оригинальность предлагаемого решения заключается в том, что толщина всех слоев периодической структуры предлагаемого волноводного фотонного кристалла существенно меньше длины волны основного типа в волноводе, при этом в качестве четных слоев используются диэлектрические слои, полностью заполняющие поперечное сечение волновода, а в качестве нечетных элементов - тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине, при этом зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у одной из широких стенок волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у противоположной широкой стенки волновода.
Низкоразмерный волноводный фотонный кристалл представляет собой отрезок волновода, который содержит элементы, периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения.
Четные элементы фотонного кристалла выполнены в виде диэлектрических слоев, полностью заполняющих поперечное сечение волновода. Толщина диэлектрических слоев h определяется по формуле:
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mi>λ</mi><mo>/</mo><mi>k</mi><msqrt><mi>ε</mi></msqrt></mrow>
,
<mi>λ</mi>
где
- длина волны основного типа в волноводе, соответствующая середине «запрещенной» зоны фотонного кристалла, ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, k - численный коэффициент.
<mi>λ</mi>
Нечетные элементы фотонного кристалла выполнены в виде тонких металлических пластин, частично перекрывающих сечение волновода и образующих зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине. Зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у верхней широкой стенки волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у нижней широкой стенки волновода. Ширина всех зазоров одинакова и находится в интервале от 0,0125λ до 0,0625λ, где
- длина волны основного типа в волноводе, соответствующая середине «запрещенной» зоны фотонного кристалла.
Теоретическое обоснование достижения положительного эффекта.
Возможность значительного уменьшения размеров предложенного СВЧ фотонного кристалла по сравнению с известными волноводными СВЧ фотонными кристаллами обосновывается предложенной физической моделью, состоящей в том, что взаимодействие в предложенном устройстве осуществляется не по основному типу волны, а по высшим типам, источником которых является зазор между металлической пластиной и широкой стенкой волновода. В последующем элементе зазор между металлической пластиной и широкой стенкой волновода расположен у противоположной стенки волновода, так что напротив возбуждающихся на зазоре высших типов волн находится металлическая отражающая стенка. В результате этого создаются условия для существования резонанса на высших типах волн. Длины волн высших типов существенно меньше длины волны основного типа. Следствием этого является уменьшенный общий размер фотонного кристалла.
Справедливость предложенной модели обоснована результатами численного моделирования и проведенными измерениями. Численное моделирование осуществлялось с использованием метода конечных элементов в САПР Ansoft HFSS.
max
Исходя из минимального количества тонких металлических пластин равного 5, необходимых для получения в спектре волноводного ФК «разрешенной» и «запрещенной» зон, можно определить максимальную толщину h диэлектрических слоев волноводной фотонной структуры, продольный размер которой не превышает длину волны основного типа в волноводе λ, по формуле
max
1
h=λ /(m-1),
1
где λ - длина волны основного типа в волноводе, m - количество тонких металлических пластин в структуре.
max
В результате численного моделирования было выявлено, что при соблюдении условий h ≤ h и ε ≤ 9,8, для получения в трехсантиметровом диапазоне длин волн в спектре пропускания предлагаемого волноводного фотонного кристалла «разрешенных» зон с потерями в интервале от 6% до 50% от глубины «запрещенной» зоны коэффициент k должен находиться в интервале значений от 3 до 9, а ширина зазора S - в интервале от 0,0125λ до 0,0625λ.
Пример практической реализации устройства.
Реализовывался фотонный кристалл 3-сантиметрового диапазона длин волн. Периодическая структура фотонного кристалла состояла из 9 слоев и размещалась в отрезке волновода сечением 23×10 мм. Четные слои структуры были выполнены из диэлектрика, полностью заполняющего поперечное сечение волновода. В качестве материала диэлектрика использовался пенополистирол (ε=1,02). Толщина диэлектрических слоев h составляла 3 мм. В качестве нечетных слоев фотонного кристалла использовались тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине. Зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом располагались у верхней широкой стенки волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у нижней широкой стенки волновода. Металлические пластины изготовлены из алюминия. Толщина каждой пластины составляла 15 мкм. Минимальная величина толщины металлической пластины должна превышать толщину скин-слоя в выбранном диапазоне частот, а максимальная величина толщины металлической пластины должна быть меньше 0,001λ. Величина каждого из зазоров между металлическими пластинами и широкой стенкой волновода составляла 1 мм. Продольный размер созданного волноводного фотонного кристалла составил 12,25 мм.
Частотные зависимости коэффициентов отражения и пропускания полученной фотонной структуры измерялись в трехсантиметровом диапазоне длин волн с помощью векторного анализатора цепей AgilentPNA-LN5230A. На фиг. 2, 3 представлены расчетные и экспериментальные частотные зависимости коэффициентов отражения и пропускания созданного фотонного кристалла. Таким образом, длина волны основного типа, распространяющейся в полученном фотонном кристалле, более чем в 2 раза превысила его продольный размер.