СВЧ фотонный кристалл
MICROWAVE PHOTON 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 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.
2
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 ммкаждая [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:
2
1 – отрезок волновода сечением 23х10 мм;
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);
3
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=10 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.
3
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 10 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.
3
Как следует из результатов расчета, при достижении удельной электропроводности i-областей n–i–p–i–n-структуры значения, равного 10 См/м, сопротивление n–i–p–i–n-структуры уменьшается до нескольких единиц Ом, что приводит к фактическому «исчезновению» разрыва центрального штыря.
11
Результаты расчета частотной зависимости коэффициента отражения S 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.
3
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 10 См/м.
Пример практической реализации устройства.
2
Был создан СВЧ фотонный кристалл 3-сантиметрового диапазона длин волн (размеры поперечного сечения волновода 23×10 мм).
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.
11
Частотные зависимости коэффициентов отражения S 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.
ef
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 σ 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).
n
p
0
0
i
n
p
где μ, μ – подвижность электронов и дырок, n, p– равновесная концентрация электронов и дырок в i – области, l – длина i области, b=m/m.
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.