Волноводный детектор миллиметрового и терагерцового диапазона длин волн

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании приемных волноводных СВЧ-модулей повышенной чувствительности, которые применяются в различных областях радиотехники для целей индикации и измерения интенсивности электромагнитного поля.
Для детектирования миллиметрового и террагерцового электромагнитного излучения используются детекторы с точечным контактом, состоящие из приемного элемента - контакта между металлической иглой и поверхностью полупроводника, размещенного в волноводе с металлическим замыкателем, так чтобы взаимодействие его с полем было максимальным [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова.- М.: Советское радио, 1969, 480 с., с. 123-158], например диод кремниевый точечный типа Д-407, ТУ 3.360.033, предназначенный для работы в преобразователях частоты СВЧ-диапазона.
Конструкции детекторов этого типа и тщательный анализ их работы подробно изложены в книге, составленной по материалам отчетов Лаборатории излучения Массачусетского технологического института [Кристаллические детекторы. Перевод с англ. Под ред. Е.Я. Пумпера.- М.: Советское радио, 1950]. Детекторные диоды на основе указанного точечного контакта выполнялись в керамических корпусах патронного типа или в коаксиальных корпусах и включались в волновод с помощью согласующего устройства - детекторных головок.
Недостатком обычных точечных диодов является их невысокая чувствительность, обусловленная не эффективностью взаимодействия приемного элемента с электромагнитным полем в волноводном тракте.
Известны пироэлектрические детекторы с волноводным входом, состоящие из приемного элемента - пироэлектрического кристалла, установленного в волноводе [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова.- М.: Советское радио, 1969, 480 с., с. 123-158].
Недостатком пироэлектрического детектора с волноводным входом является их невысокая чувствительность, обусловленная не эффективностью взаимодействия приемного элемента с электромагнитным полем в волноводном тракте.
В качестве приемных элементов используют волноводные болометры, размещенного в волноводе с металлическим замыкателем, так чтобы взаимодействие его с полем было максимальным [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова.-М.: Советское радио, 1969, 480 с., с. 123-158].
Недостатком волноводных болометров является их невысокая чувствительность, обусловленная не эффективностью взаимодействия приемного элемента с электромагнитным полем в волноводном тракте.
Наиболее существенным шагом в развитии миллиметровой техники и детекторов, в частности, за прошедшие годы, стал переход от точечных конструкций детекторных диодов к плоскостным диодам с барьером Шоттки (ДБШ), выпрямляющие контакты которых формировались с помощью процесса фотолитографии, и включение бескорпусных ДБШ в волновод с помощью так называемых finline-конструкций, предложенных Мейером [РJ. Meier. Integrated finline: the second decade. Microwave J., 1985, v.28, N11, Nov., p.31; N12, Dec, p.30.], так чтобы взаимодействие его с полем было максимальным.
Наиболее близким к полезной модели аналогом по конструктивному исполнению является детектор СВЧ, описанный в патенте РФ «Детектор СВЧ» № 2457588. Эта конструкция взята в качестве прототипа.
Детектор СВЧ содержит прямоугольный питающий волновод с короткозамыкателем на одном из его торцевых концов, внутри волновода перпендикулярно к широким стенкам установлен детекторный СВЧ-диод.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение чувствительности волноводного детекторного модуля.
Указанная задача достигается тем, что на конце волновода противоположного короткозамыкателю установлена диэлектрическая частица, формирующая фотонную струю при падении на нее электромагнитного излучения и облучающая детекторный СВЧ-диод. При этом диэлектрическая частица выполнена в виде кубика с размерами грани не менее 0.5λ,, где λ длина волны используемого излучения. При этом диэлектрическая частица выполнена в виде сферы с диаметром не менее λ, где λ длина волны используемого излучения.
Заявляемый волноводный детектор миллиметрового и терагерцового диапазона длин волн, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных СВЧ-приемников.
Повышение чувствительности волноводного детектора миллиметрового и террагерцового диапазонов длин волн достигается за счет более эффективного взаимодействия электромагнитного поля в волноводе с детекторным СВЧ диодом. Это достигается за счет локализации электромагнитного поля в поперечном размере порядка λ/3 и длиной (3-4) λ,.
Сущность полезной модели поясняется нижеследующими чертежами.
На Фиг. 1 показана схема волноводного детектора миллиметрового и террагерцового диапазонов длин волн.
На Фиг. 2 приведено сравнение диэлектрических частиц формирующих фотонную струю в форме кубика и сферы.
На Фиг. 3 приведены результаты экспериментальных исследований волноводного детектора миллиметрового и террагерцового диапазонов длин волн на частоте 100 ГГц.
Обозначены: 1 - падающее электромагнитное излучение, 2 - диэлектрическая частица, 3 - волновод, 4 - фотонная струя, 5 - СВЧ-диод.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Падающее электромагнитное излучение миллиметрового и террагерцового диапазона длин волн 1 попадает на фокусирующий элемент (диэлектрическую частицу) 2, в результате дифракции электромагнитной волны в его материале формируется система сходящихся волн, которые интерферируют между собой и формируют «фотонную струю» 4, которая фокусирует излучение на СВЧ диод 5, расположенного в волноводе 3.
Диэлектрическая частица 2, формирующие фотонные струи, могут быть выполнены в виде субволновых диэлектрических в виде кубика с размерами грани не менее 0.5λ,, или в виде сферы с диаметром не менее λ, где λ длина волны используемого излучения [Гейнц Ю.Э., Земляков А.А., Панина Е.К. Сравнительный анализ пространственных форм фотонных струй от сферических диэлектрических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2012. т. 25. №5. с. 417-424; V. Pacheco-Pena, М. Beruete, I.V. Minin, O.V. Minin. Nerajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/l0.1063/l/4894243)].
Достоинством устройства 2 является возможность фокусировки электромагнитного излучения на приемное устройство 5 с размерами порядка λ/3 непосредственно за устройством формирующего фотонную струю.
Выполнение волноводного детектора миллиметрового и терагерцового диапазона длин волн с расположенной диэлектрической частицей, формирующей и направляющей «фотонные струи» на СВЧ диод обеспечивает технический результат в виде увеличения чувствительности волноводного детектора по сравнению с известными волноводными детекторами.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у кубика начинается с размера грани 0.5 длины волны используемого излучения. В то время как у сферы при таком диаметре на одной поляризации локализация поля еще не выделена. При этом максимальная интенсивность поля на оси у кубика выше, чем у сферы в 1.4 раза, фиг. 2.
Для характерных размеров кубика и сферы менее λ/2 «фотонная струя» не формируется.
На фиг. 3 показаны результаты экспериментального исследования волноводного приемника и распределения интенсивности поля на выходе диэлектрической частицы на частоте 125 ГГц для двух поляризаций с и без устройства формирования фотонной струи. Получено увеличение сигнала на СВЧ-диоде на 8 дБ. Исследования проводились для характерных размеров устройства формирования фотонной струи, равных длине волны используемого излучения, и коэффициента преломления материала устройства, равного 1.46.
Аналогичные результаты были получены и для кремниевого точечного диода типа Д-407, ТУ 3.360.033 на частоте 75 ГГц.
Устройства формирования фотонных струй в виде мезомасштабных диэлектрических частиц могут изготавливаться из диэлектриков с коэффициентом преломления, лежащим в диапазоне от 1.2 до примерно 2, таких как, например (О.V. Minin, I.V. Minin. Diffractional Optics of Millimetre Waves - IoP, Bristol and Philadelphia, 2004, 396p., pp. 369-373): полистирол, акрил, полиэтилен, полипропилен, поли-4-метилпентен, фторопласт, плавленый кварц, лавсан и других материалов.