авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Микрополосковые фотонные структуры свч-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков

На правах рукописи

КУЛИКОВ МАКСИМ ЮРЬЕВИЧ

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ФОТОННЫЕ СТРУКТУРЫ

СВЧ-ДИАПАЗОНА И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ

01.04.03 – Радиофизика

05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компонен-

ты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Саратов – 2011 2

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского»

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Усанов Дмитрий Александрович доктор физико-математических наук, профессор Скрипаль Александр Владимирович

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Байбурин Вил Бариевич доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Явчуновский Виктор Яковлевич

Ведущая организация: Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Саратов

Защита диссертации состоится 01 июля 2011 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.243.01 в Саратовском государственном университете имени Н.Г. Чернышевского по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, III корп., Большая физическая аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского го сударственного университета имени Н.Г. Чернышевского (Саратов, ул. Университетская, 42).

Автореферат разослан «31» мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Аникин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Разработка современных приборов твердотельной микро- и наноэлектроники во многом зависит от уровня развития технологии изготовления полупроводни ковых, диэлектрических и металлических слоев толщиной от нескольких нано метров до десятков микрометров Для обеспечения технологии производства слоистых структур с высокой степенью совершенства требуется создание высокоточных методов измерений электрофизических параметров диэлектрических и полупроводниковых мате риалов и структур. Такого рода структуры используются в акустоэлектронике при создании линий задержки, в микро- и наноэлектронике и других областях.

Одним из требований, предъявляемых к современным методам измерения электрофизических параметров материалов, является использование возможно сти проводить их бесконтактно, не разрушая материал и не изменяя его свойст ва. К таким методам измерений относятся СВЧ-методы, которые являются оп тимальными при исследовании материалов и структур, используемых при созда нии приборов полупроводниковой СВЧ-электроники [1, 2].

Среди различных типов планарных схем микрополосковые являются наибо лее часто используемыми в СВЧ-электронике. Микрополосковые схемы доста точно широко используются при реализации СВЧ-методов измерения парамет ров материалов, в частности, материалов подложек плоских СВЧ-линий переда чи [3].

Использование открытых СВЧ-линий передачи позволяет сочетать доста точно высокую чувствительность СВЧ-методов измерений с технологичностью изготовления структур и оправок для измерения и отсутствием жестких требо ваний на размеры образцов.

Интенсивное развитие нанотехнологий стимулировало разработку и созда ние нового класса периодических структур, получивших название фотонных кристаллов. Если нарушить периодичность чередования слоев, к примеру, доба вить отдельный слой из материала с другой диэлектрической проницаемостью, то внутри области полного отражения, т.е. в «запрещённой зоне», появится узкое «окно пропускания» – область с минимальным значением коэффициента отра жения электромагнитной волны [4].

В СВЧ-диапазоне одномерный фотонный кристалл может быть создан как с помощью волноводов с диэлектрическим заполнением, так и планарных линий передачи с периодически изменяющейся структурой [5].

Использование микрополосковых и волноводных фотонных СВЧ- кристал лов обеспечивает изменение коэффициента отражения от значений близких к нулю до значений близких к единице в измеряемом диапазоне частот.

В связи с этим является актуальным проведение исследований особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастного диапазона с одномерными микрополосковыми фотонными кристаллами, определение чувст вительности частотной зависимости «окон» прозрачности в запрещенной зоне фотонного кристалла к параметрам нарушения периодичности, установление возможности расширения диапазона и повышения достоверности измерений электрофизических параметров слоев диэлектрических материалов, включенных в состав одномерных микрополосковых фотонных кристаллов в качестве нару шений периодичности, по спектрам прохождения взаимодействующего с ними излучения сверхвысокочастного диапазона длин волн.

Цель диссертационной работы:

Выявление особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона с одномерными микрополосковыми фотон ными кристаллами, содержащими неоднородности в виде слоев твёрдых и жид ких диэлектриков, и проведение на этой основе экспериментального и теорети ческого обоснования возможности измерений их электрофизических параметров в широком диапазоне значений.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:



1 Разработка модели, которая позволяет адекватно описать взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с фотонными кристаллами, реализованными на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической про ницаемости материала подложки и содержащими нарушения периодичности в виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала под ложки одного из отрезков микрополосковой линии;

2 Исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения элек тромагнитного излучения, взаимодействующего с микрополосковыми фотон ными кристаллами СВЧ-диапазона, реализованными на основе микрополос ковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической проницаемости материала подложки и со держащими нарушения периодичности в виде изменения длины или диэлек трической проницаемости материала подложки одного из отрезков микропо лосковой линии.

3 Разработка метода решения обратной задачи: определение диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков микрополоскового фотонного кристалла, по измеренным частотным зависимостям коэффициента прохождения электромагнитного излучения, взаимодействующего с фотонным кристаллом;

4 Экспериментальная реализация методов измерения диэлектрической про ницаемости материала образцов, выполняющих роль неоднородности в мик рополосковых фотонных кристаллах, по спектрам прохождения взаимодейст вующего с ними электромагнитного излучения СВЧ-диапазона;

5 Экспериментальная реализация резонансной системы, на основе микропо лоскового фотонного кристалла с подключённым петлевым элементом связи, в центре которого расположен p i n -диод, и обоснование возможности её использования в качестве электрически управляемой измерительной системы для определения диэлектрической проницаемости материала образцов, вы полняющих роль неоднородности фотонного кристалла.

Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, со стоит в следующем:

1 Разработано теоретическое обоснование возможности измерения парамет ров материалов образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, а также образцов, нахо дящихся в непосредственной близости над подложкой и полосковым провод ником, в широком диапазоне изменения их параметров по спектрам прохож дения, взаимодействующего с фотонным кристаллом сверхвысокочастотного излучения.

2 Показано, что при равных значениях электрических длин чередующихся отрезков микрополоскового фотонного кристалла обеспечивается равенство ширин запрещённых зон на частотной зависимости коэффициента пропуска ния фотонного кристалла СВЧ-диапазона. В этом случае появление в запре щённой зоне микрополоскового фотонного кристалла «донорных» окон про зрачности, расположенных вблизи верхней частотной границы запрещенной зоны, наблюдается при увеличении электрической длины одного из структур ных отрезков микрополоскового фотонного кристалла, а «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи нижней частотной границы запрещен ной зоны, наблюдается при уменьшении электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла.

3 Экспериментально реализованы методы измерения комплексной диэлек трической проницаемости жидких и твердых диэлектриков, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, по спектрам прохождения взаимодействующего с фотонным кри сталлом электромагнитного излучения.

4 Показана возможность эффективного электрического управления парамет рами микрополоскового фотонного кристалла с помощью подключённого петлевого элемента связи, в центре которого расположен p i n -диод, и обосновано его использование в качестве электрически управляемой измери тельной системы для определения диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль неоднородности фотонного кристалла.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается качественным и количественным соответствием выводов теории основным результатам, полу ченным экспериментально, строгостью используемых математических моделей, корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных про цессов к искомым решениям, выполнимостью предельных переходов к извест ным решениям. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена при менением стандартной измерительной аппаратуры, обработкой эксперименталь ных данных с использованием стандартных методов.

Практическая значимость полученных результатов заключается в сле дующем:

1 Реализован метод компьютерного моделирования спектров прохождения фотонных кристаллов, реализованных на основе микрополосковой линии пе редачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической проницаемости материала подложки.

2 Разработана программная и аппаратная реализация методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и твердых диэлектри ков с использованием микрополосковых аналогов одномерных фотонных кри сталлов, по спектрам прохождения взаимодействующего с фотонным кри сталлом электромагнитного излучения.

3 Экспериментально реализована электрически управляемая с помощью пет левого элемента связи, в центре которого расположен p i n -диод, измери тельная система на основе микрополоскового фотонного кристалла, в которой измеряемый образец выполняет роль неоднородности фотонного кристалла.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 По измеренным частотным зависимостям коэффициента пропускания элек тромагнитного излучения СВЧ-диапазона, взаимодействующего с микропо лосковым фотонным кристаллом, при наличии в нём нарушения в виде изме нения диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрез ков микрополосковой линии, в результате решения обратной задачи при из вестных параметрах периодически чередующихся отрезков возможно опреде ление диэлектрической проницаемости твёрдых и жидких диэлектриков, вы полняющих роль неоднородности микрополоскового фотонного кристалла.

2 Чувствительность измерительной системы на основе микрополоскового фотонного кристалла СВЧ-диапазона с подключённым петлевым элементом связи, в центре которого расположен p i n -диод, к изменению величины диэлектрической проницаемости образца, выполняющего роль неоднородно сти фотонного кристалла, регулируется величиной протекающего через p i n -диод тока.





3 При равных значениях электрических длин чередующихся отрезков микро полоскового фотонного кристалла обеспечивается равенство ширин запре щённых зон на частотной зависимости коэффициента пропускания фотонного кристалла СВЧ-диапазона. Увеличение в этом случае электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла при водит к появлению в запрещённой зоне микрополоскового фотонного кри сталла «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней час тотной границы запрещенной зоны, а уменьшение электрической длины одно го из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла приводит к появлению «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи ниж ней частотной границы запрещенной зоны.

4 Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости жид кого диэлектрика, представляющего собой водно-этанольный раствор, при комнатной температуре в диапазоне частот 3,2–3,6 ГГц монотонно убывает с ростом объемной доли этанола, а зависимость мнимой части комплексной ди электрической проницаемостей этого раствора обладает отчетливо выражен ным максимумом при объемной доле этанола равной ~ 40 %, что обусловлено изменением времён релаксации поляризации раствора с изменением объемной доли этанола.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы доложены на:

Международной казахстанско-российско-японской научной конференции и VI российско-японском семинаре «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов: Материалы».

Усть-Каменогорск, Казахстан, 24–25 июня 2008 г.;

XVII International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communica tions. Wroclaw, Poland, May 19–21 2008;

18-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекомму никационные технологии КрыМиКо–2008». Севастополь, Крым, Украина, 8– 12 сентября 2008 г.;

38th European Microwave Conference. Amsterdam, The Netherlands, 27–31 Octo ber 2008;

Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и на ноинженерия – 2008». Москва, Московский государственный институт элек тронной техники МИЭТ, 25–27 ноября 2008 г.;

Международном Форуме по нанотехнологиям. Москва, 3–5 декабря 2008 г.;

Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций. Саратов, Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, 27–28 октября 2009 г.;

VII Международной российско-казахстанско-японской научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для ма териаловедения и наноматериалов». Волгоград, 3–4 июня 2009 г.;

19-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекомму никационные технологии КрыМиКо–2009». Севастополь, Крым. Украина, 14– 18 сентября 2009 г.;

39th European Microwave Conference. Rome, Italy, 29 September–1 October 2009;

18th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communica tions “MIKON–2010”. Vilnius, Lithuania, June 14–16 2010;

20-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекомму никационные технологии КрыМиКо–2010». Севастополь, Крым, Украина, 13– 17 сентября 2010 г.;

Конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области стратегического партнерства вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности. Санкт-Петербург, 2010.

Исследования выполнялись в рамках НИР «Технология формирования наноструктур и нанокомпозитов, разработка и создание новых технологий изме рений параметров материалов, наноструктур и нанокомпозитов на основе низко размерных резонансных систем оптического и микроволнового диапазонов» ГК № 02.513.11.3058, ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направ лениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 го ды», НИР «Разработка новых высокочувствительных методов измерения элек трических и магнитных свойств нанокомпозитных материалов и структур в СВЧ и оптическом диапазонах и создание компьютерного диагностического комплек са для их реализации» (грант Президента РФ для поддержки молодых ученых докторов наук и кандидатов наук и их научных руководителей (МК-415.2009.8), научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в рос сийских образовательных учреждениях высшего профессионального образова ния (грант Правительства РФ 11.G34.31.0030).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК;

13 работ опубликованы в сборниках конференций, 1 патент РФ на изобретение.

Личный вклад автора выразился в участии в проведении всего объема экс периментальных работ, в создании теоретических моделей, описывающих ре зультаты экспериментов, проектировании и практической реализации экспери ментальных структур, проведении компьютерного моделирования и анализе по лученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 150 страницах, содержит 97 рисунков, список использованной литературы включает 140 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сфор мулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защи ту, описаны структура и объем работы.

В первом разделе проведен критический анализ современного состояния ис следований СВЧ-фотонных кристаллов.

Во втором разделе представлена теоретическая модель, описывающая взаи модействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными мик рополосковыми фотонными структурами, в том числе содержащими нарушения пространственной периодичности параметров структур, и позволяющая рассчи тывать коэффициенты прохождения СВЧ-излучения.

Для расчета коэффициента прохождения электромагнитной волны в микро полосковом фотонном кристалле в квазистатическом приближении использова лась матрица передачи T четырехполюсника сложной структуры, представляю щего собой каскадное соединение элементарных четырехполюсников с извест ными матрицами передачи, которые имеют вид:

N T 1,1 T 1, Ti,i 1 Ti, (1) T TN T 2,1 T 2,2 i где Ti и Ti, j – матрицы передачи четырехполюсников, описывающих соответст венно i-ый отрезок и прямое соединение i-го и (i+1)-го отрезков микрополоско вой линии передачи.

Выражения для матриц передачи Ti и Ti, j соответствующих элементарных четырехполюсников имеют вид:

e i di ri,i 1 1 2 ri,i 1 ri,i 1 1 2 ri,i, (2). (3) Ti Ti,i i di ri,i 1 1 2 ri,i 1 ri,i 1 1 2 ri,i 0 e Здесь di – длина i-го отрезка, – постоянная распространения электромагнит i ной волны в i-ом отрезке, ri,i 1 i 1 i, Wi hi 0,836 – волновое сопротивление 0, где i 377 hi i Wi 1 1,735 i i-го отрезка структуры, i, hi – диэлектрическая проницаемость и толщина под ложки i-го отрезка, Wi – ширина полоскового проводника i-го отрезка.

Коэффициент прохождения СВЧ мощности определяется через элемент T 1, матрицы передачи T : (4) D T 1, Для исследования влияния дефектов периодичности фотонной структуры была рассмотрена девятислойная структура, изображенная на рис. 1, выполнен ная на подложке с диэлектрической проницаемостью 9,6 толщиной 0,5 мм, состоящая из отрезков длиной 7 мм, шириной 2,5 мм и отрезков длиной 7,6 мм, шириной 0,5 мм с изменённой длиной пятого отрезка структуры.

Исследован также микрополосковый фотонный кристалл, выполненный в виде структуры с периодическим изменением диэлектрической проницаемости подложки, при внесении в нее неоднородности в виде изменённой длины одного из них.

На рис. 2 представлены результаты расчётов частотных зависимостей коэф фициента пропускания фотонной структуры с нарушением периодичности в ви де измененной длины пятого отрезка структуры.

Рис. 2. Частотные зависимости коэффициента Рис. 1. Модель микрополосковых фо пропускания фотонных структур с нарушением тонных структур с нарушением перио периодичности в виде измененной длины пятого дичности в виде измененной длины од отрезка структуры: 1 – 7,6 мм (без нарушения), ного из отрезков 2 – 8,8 мм, 3 – 5,1 мм, 4 – 6,0 мм Компьютерное моделирование частотных зависимостей коэффициента про пускания одномерных фотонных кристаллов СВЧ-диапазона в микрополосковом исполнении показывает, что при создании нарушений в микрополосковом фо тонном кристалле в виде изменения геометрических размеров или электрофизи ческих параметров отельных слоёв в «запрещенной зоне» фотонного кристалла появляются окна прозрачности. При этом «донорные» окна прозрачности, рас положенные вблизи верхней частотной границы запрещенной зоны, появляются при увеличении электрической длины одного из структурных отрезков микропо лоскового фотонного кристалла, а «акцепторные» окна прозрачности, располо женные вблизи нижней частотной границы запрещенной зоны, появляются при уменьшении электрической длины одного из структурных отрезков микрополос кового фотонного кристалла.

Отметим, что при равных значениях электрических длин чередующихся от резков микрополоскового фотонного кристалла обеспечивается равенство ширин запрещённых зон на частотной зависимости коэффициента пропускания фотон ного кристалла СВЧ-диапазона, а уровень затухания электромагнитной волны в частотных диапазонах, соответствующих запрещенным зонам фотонной струк туры увеличивается с ростом числа отрезков микрополосковой линии передачи.

В третьем разделе предложено теоретическое обоснование метода измере ния комплексной диэлектрической проницаемости материалов в широком диа пазоне ее изменения по спектрам прохождения электромагнитного излучения с использованием одномерных микрополосковых фотонных кристаллов.

В процессе такого измерения образцы исследуемых материалов помещаются в микрополосковый фотонный кристалл, где выполняют роль неоднородности.

Рассмотрено влияние диэлектрического образца на частотную зависимость коэффициента пропускания микрополоскового фотонного кристалла на примере одиннадцатислойной структуры, изображенной на рис. 3 и выполненной в виде микрополосковой линии с периодическим изменением диэлектрической прони цаемости подложки. Структура с постоянной шириной полоскового проводника равной 1 мм и постоянной толщиной подложки равной 1 мм образована отрез ками длиной 8 мм на диэлектрической подложке ( 9,6 ) и отрезками длиной 20 мм, выполненными в виде воздушной полосковой линии ( 1 ).

Рис. 3. Модель микрополоскового фотонно го кристалла с образцом исследуемого ди электрического материала Используемый в качестве нарушения периодичности образец диэлектрика с диэлектрической проницаемостью 6 имел одинаковую с подложкой толщину и помещался в один из отрезков воздушной полосковой линии между полоско вым проводником и основанием.

Для нахождения искомой диэлектрической проницаемости исследуемого образца по частотной зависимости D f нами был использован метод наимень ших квадратов, при реализации которого находится такое значение параметра иск, при котором сумма S иск квадратов разностей экспериментальных Dэксп и расчетных D f, иск значений коэффициента пропускания, (5) S Dэксп D f, становится минимальной.

Искомое значение диэлектрической проницаемости исследуемого образца определяется численным методом в результате решения уравнения:

Dэксп D f, S 0, (6) при выполнении которого обеспечивается минимальность этих разностей.

Данные для решения тестовой задачи задавались в виде значений коэффици ента пропускания исследуемой структуры, полученных из выражения (4) с по грешностью ± 0,4 дБ при погрешности в задании частоты ± 0,1 % (± 5 МГц).

При решении тестовой задачи для образца с 6,0 искомое значение ди электрической проницаемости измеряемого образца составило иск 6,011 Отно сительная погрешность определения диэлектрической проницаемости образца по тестовым данным составила ± 0,2 %.

Моделировался также фотонный кристалл с уже существующим нарушени ем периодичности, в котором измеряемый образец создаёт дополнительное на рушение периодичности.

Рассмотрен способ введения нарушения в микрополосковый фотонный кри сталл, заключающийся в размещении исследуемого диэлектрического образца, соприкасающимся с одним из отрезков микрополосковой линии, образующих фотонный кристалл (см. рис. 4).

Расчет частотных зависимостей коэффициента пропускания описанной структуры с образцом, представленных на рис. 5, производился с помощью па кета программ AWR Microwave Office.

Рис. 4. Модель микрополоскового фотон- Рис. 5. Частотные зависимости коэффициента ного кристалла с нарушением периодич- пропускания фотонного кристалла с наруше ности и измеряемым образцом, соприка- нием периодичности и измеряемым образцом, сающимся с участком нарушения перио- соприкасающимся с участком нарушения пе дичности риодичности, рассчитанные при различных значениях диэлектрической проницаемости образца: 1 – 1 (без образца), 2 – 4, 3– 7, 4 – Расчёты показывают, что чувствительность частоты пика пропускания к ве личине диэлектрической проницаемости образца составляет 74 МГц/ед..

Предложен метод определения электрофизических параметров как неполяр ных жидкостей, так и полярных жидкостей, основанный на использовании мик рополоскового фотонного кристалла, один из элементов которого – отрезок воз душной полосковой линии конструктивно выполнен в виде измерительной кю веты.

Измеряемый жидкий диэлектрик заливается в кювету, полностью заполняя ее, и занимает все пространство между полосковым проводником и основанием, образуя тем самым отрезок микрополосковой линии, в котором жидкий диэлек трик выполняет роль подложки.

Рассматриваемая структура выполнена в виде микрополосковой структуры с постоянной шириной полоскового проводника равной 1 мм и постоянной тол щиной подложки равной 1 мм, периодическая часть которой образована отрез ками длиной 8 мм на диэлектрической подложке ( 9,6 ) и отрезками длиной 20 мм, выполненными в виде воздушной полосковой линии ( 1 ). В централь ном отрезке микрополосковой структуры длиной 32 мм и диэлектрической про ницаемостью подложки 9,6 создана кювета для измерения жидких диэлек триков в виде участка с воздушной полосковой линии длиной 10 мм.

Данные для решения тестовой задачи задавались в виде значений коэффици ента пропускания исследуемой структуры с комплексной диэлектрической про ницаемостью 4 j 0,5, полученных из выражения (4) с погрешностью ± 0,2 дБ при погрешности в задании частоты ± 0,1 % (± 5 МГц).

Как следует из результатов расчета, функция невязок S, определяемая вы ражением (5), представленная на рис. 6, для этого случая обладает ярко выра женным глобальным минимумом в пространстве координат,, S, что по зволяет однозначно определять действительную и мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости неполярного жидкого диэлектрика 4,002 j 0,494 из решения уравнения (6).

иск а б Рис. 6. Вид функций невязок в пространстве искомых параметров (а) и контурная карта функ ции невязок в плоскости искомых параметров и (б) для жидкого диэлектрика с комплекс ной диэлектрической проницаемостью иск 4,002 j 0, Моделировалось измерение диэлектрической проницаемости полярных жид ких диэлектриков с диэлектрической проницаемостью 40 j 6,0, помещаемых в кювету длиной 1 мм.

Относительная погрешность определения действительной части комплекс ной диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика по тестовым данным составила ± 0,06 %, мнимой части составила ± 1,24 %.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных иссле дований взаимодействия СВЧ-излучения с одномерными микрополосковыми фотонными структурами. Экспериментально была исследована частотная зави симость «окна» прозрачности в запрещенной зоне (диапазон частот 9–12 ГГц) микрополоскового фотонного кристалла при размещении над четвертым высо коомным отрезком микрополосковой линии исследуемого образца с диэлектри ческой проницаемостью.

Сопоставление расчетных и экспериментальных частотных зависимостей ко эффициента пропускания фотонного кристалла с нарушенным четвёртым отрез ком, при расположении над ним образцов с различной диэлектрической прони цаемостью в виде пластин свидетельствует об их хорошем количественном сов падении, что позволяет сделать вывод о возможности использования данной конструкции микрополоскового фотонного кристалла для реализации достаточ но простого с технической точки зрения метода измерения диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков.

Для измерения комплексной диэлектрической проницаемости неполярных жидких диэлектриков была изготовлена микрополосковая измерительная струк тура, соответствующая описанной модели, представленной на рис. 6.

Частотная зависимость коэффициента прохождения измерялась при комнат ной температуре с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA-L Net work Analyzer N5230A 10 MHz–40 GHz.

Определение комплексной диэлектрической проницаемости по j частотным зависимостям коэффициента прохождения D f электромагнитного излучения для этого случая так же может быть осуществлено в результате реше ния уравнения (6), сформулированного для функции невязок S ( ) с использова нием выражения (5).

Полученные данные хорошо согласуются с известными из литературы для таких неполярных жидкостей, как толуол, трансформаторное масло, вакуумное масло на частотах f f макс, соответствующих максимуму коэффициента про пускания разрешенного уровня микрополоскового фотонного кристалла.

При измерениях комплексной диэлектрической проницаемости полярных жидкостей использовалась микрополосковая структура с узкой кюветой.

На рис. 7 представлены экспериментально измеренные частотные зависимо сти (пунктирные кривые) коэффициента прохождения Dэксп электромагнитной волны через устройство с кюветой заполненной полярной жидкостью, а также зависимости Dрасч (непрерывные кривые), рассчитанные с использованием со отношения (4) при значениях комплексной диэлектрической проницаемости ж, определяемых из решения уравнения (6).

Рис. 7. Расчетные (сплошные) и изме ренные (пунктирные) частотные зави симости коэффициента пропускания экспериментальной микрополосковой фотонной структуры с неоднородно стью в виде пустой кюветы (кривые 1) и кюветы, заполненной полярными жидкостями: 2 – деионизованная вода, 3 – этиловый спирт, 4 – глицерин Полученные данные хорошо согласуются с известными из литературы для таких полярных жидкостей, как деионизованная вода, этанол, глицерин на час тотах f f макс, соответствующих максимуму коэффициента пропускания раз решенного уровня микрополоскового фотонного кристалла.

Предложенная методика была использована для измерения комплексной ди электрической проницаемости ряда водноэтанольных растворов с объемным со держанием этанола от 0 % (дистиллированная вода) до 96 %.

Результаты измерений действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости водно-этанольных растворов с различным объ емным содержанием этанола представлены на рис. 8.

Рис. 8. Экспериментальные зависи мости и водно-этанольного рас твора от объемной доли X этанола в растворе Как следует из результатов измерений, представленных на рис. 8, с ростом объемной доли X содержания этанола в водном растворе наблюдается моно тонное уменьшение действительной части относительной диэлектрической про ницаемости раствора от 76,6 до 10,5. При этом мнимая часть относительной ди электрической проницаемости раствора ведет себя немонотонным образом, дос тигая максимального значения при объемной доле этанола ~ 40 %.

В пятом разделе приведены результаты экспериментальных исследований системы, содержащей конденсатор и петлевой элемент связи, в центре которого расположен p i n -диод, и подключенной к короткозамкнутому отрезку мик рополосковой линии передачи или микрополосковому фотонному кристаллу.

Исследованы частотные зависимости потерь затухания на отражение элек тромагнитного излучения, взаимодействующего со структурой, состоящей из короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии передачи с подключенным p i n -диодом, при различных значениях протекающего через p i n -диод то ка (см. рис. 9).

Рис. 9. Частотные зависимости потерь затухания на отражение электромагнитного излучения, измеренные при различных значе ниях протекающего через p i n -диод прямого тока I :

1 – 0, 2 – 0,45 мА, 3 – 0,2 мА, 4 – 0,5 мА, 5 – 1,2 мА, 6 – 6,4 мА, 7 – 200 мА Экспериментально установленные частотные зависимости потерь затуха ния при различных значениях тока, протекающего через p i n -диод, позволя ют использовать предлагаемую структуру для создания выключателей и пере ключателей СВЧ-сигнала. В зависимости от выбранной частоты СВЧ-сигнала может быть реализован как прямой, так и инверсный режим их работы.

Исследована возможность использования данной структуры для измерения диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков. Образцы с различной диэлектрической проницаемостью размещались непосредственно на структуре в определенном месте, выбранном с целью достижения максимального влияния образца диэлектрика на частотные зависимости потерь затухания эксперимен тальной структуры.

Рис. 10. Зависимости потерь затухания на Рис. 11. Зависимости потерь затухания на отражение от диэлектрической проницае- отражение от диэлектрической проницае мости образца, полученные на частоте мости образца, полученные на частоте f 5,35 ГГц при различных токах управ- f 5,33 ГГц при различных токах управ ления: 1 – I 0,4 мА, 2 – I 0,641 мА, ления: 1 – I 0,5 мА, 2 – I 0,69 мА, 3 – I 1 мА 3 – I 1,2 мА На рис. 10 и 11 изображены зависимости потерь затухания от диэлектриче ской проницаемости образца, полученные при различных токах управления, на фиксированных частотах f 5,35 ГГц и f 5,33 ГГц. На данной частоте, в зави симости от выбранного управляющего тока, удается получить монотонно воз растающую зависимость коэффициента затухания от диэлектрической прони цаемости образца (см. рис. 10 и 11, кривые 1), зависимость с максимумом при некотором значении (кривые 2) и монотонно убывающую зависимость (кри вые 3).

Исследована возможность использования структуры, содержащей конден сатор и петлевой элемент связи, в центре которого расположен p i n -диод, и подключенной к микрополосковому фотонному кристаллу для измерения ди электрической проницаемости твердых диэлектриков.

При этом образцы с различной диэлектрической проницаемостью распола гались так, как показано на рис. 12, непосредственно на фотонной структуре, над одним из ее отрезков, который выполняет роль нарушения фотонной структуры.

Рис. 12. Модель структуры на основе микрополоско вого фотонного кристалла, подключённого к кон денсатору и петлевому элементу связи, в центре ко торого расположен p i n -диод, с образцом из по ликора, расположенным непосредственно на фотон ной структуре Выбором частоты зондирующего СВЧ-излучения и управляющего тока p i n -диода могут быть получены как монотонные, так и немонотонные зави симости потерь затухания на отражение от диэлектрической проницаемости ис следуемого образца.

В заключении приведены основные результаты и сформулированы выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1 Разработана модель, которая позволяет адекватно описать взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с многослойными фотонными структурами, реализованными на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлек трической проницаемостью материала подложки и содержащими нарушения периодичности в виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков структуры.

2 Описано появление в запрещённой зоне микрополоскового фотонного кри сталла «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней час тотной границы запрещенной зоны, при увеличении электрической длины од ного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла и «ак цепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи нижней частотной границы запрещенной зоны, при уменьшении электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла.

3 Показано, что при равных значениях электрических длин чередующихся отрезков микорополосковой линии передачи, образующих одномерную фо тонную структуру, обеспечивается равенство ширин запрещённых зон на час тотной зависимости коэффициента пропускания фотонной структуры в СВЧ диапазоне.

4 Разработано теоретическое обоснование возможности измерения парамет ров материалов образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, а также образцов нахо дящихся в непосредственной близости над подложкой и полосковым провод ником, в широком диапазоне изменения их параметров по спектрам прохож дения, взаимодействующего с фотонным кристаллом сверхвысокочастотного излучения.

5 Изготовлены микрополосковые фотонные структуры, на основе микропо лосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоско вого проводника или диэлектрической проницаемостью материала подложки, содержащие нарушения периодичности в виде изменения длины одного из от резков микрополосковой линии, и получено хорошее количественное соответ ствие измеренных частотных зависимостей коэффициента прохождения элек тромагнитного излучения, взаимодействующего с такими структурами, с рас считанными на основе разработанной математической модели.

6 Исследовано влияние образцов твердых и жидких диэлектриков с различ ной комплексной диэлектрической проницаемостью на частотные зависимо сти коэффициента прохождения электромагнитного излучения, взаимодейст вующего с микрополосковыми фотонными структурами, в которых исследуе мые образцы выполняют функцию неоднородности.

7 Разработана программная и аппаратная реализация методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и твердых диэлектри ков с использованием микрополосковых одномерных фотонных кристаллов, по спектрам прохождения взаимодействующего с фотонным кристаллом элек тромагнитного излучения.

8 Экспериментально реализованы методы измерения комплексной диэлек трической проницаемости жидких и твердых диэлектриков, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, в результате решения обратной задачи по измеренным частотным зависимостям коэффициента прохождения электромагнитного излучения, взаимодействующего с микрополосковой фотонной структурой, в которой ис следуемые образцы выполняют функцию подложки одного из отрезков струк туры.

9 Получены значения комплексной диэлектрической проницаемости водно этанольных растворов в диапазоне концентраций от 0 до 96 % объемного со держания этанола в растворе на частотах от 3,2 до 3,6 ГГц с использованием разработанной методики определения комплексной диэлектрической прони цаемости из решения обратной задачи по спектрам прохождения СВЧ излучения через измерительную структуру с помещенным в нее исследуемым раствором.

10 Проведено исследование частотных зависимостей коэффициента отражения электромагнитного излучения, взаимодействующего со структурой содержа щей резонансную систему из конденсатора и петлевого элемента связи, в цен тре которого расположен p i n -диод, подключенную к короткозамкнутому отрезку микрополосковой линии передачи, и структурой, в которой отрезок микрополосковой линии с такой резонансной системой входит в состав мик рополосковой фотонной структуры.

11 Описан пример практической реализации электрического управления пара метрами микрополосковых фотонных структур, заключающийся в использо вании для измерения диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков резонансной системы, содержащей конденсатор и петлевой элемент связи, в центре которого расположен p i n -диод, и подключенной к короткозамкну тому отрезку микрополосковой линии передачи, входящему в состав микро полосковой фотонной структуры.

12 На основании полученных результатов предложен способ определения ди электрической проницаемости образцов диэлектрических материалов. Патент РФ на изобретение № 2419099 Опубл. 20.05.2011. Бюл. 14, заявка на изобре тение №2010123701 от 10.06.2010.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю.

Фотонные структуры и их использование для измерения параметров мате риалов // Известия вузов. Электроника. 2008. №5. С. 25–32.

2. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю., Скворцов В.С., Мерданов М.К. СВЧ-фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов и создания функциональных уст ройств СВЧ-электроники // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2008. Т. 11, № 3. С. 51–59.

3. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю., Пономарев Д.В. Микрополосковые фотонные кристаллы и их использование для измерения параметров жидкостей // Журнал технической физики. 2010.

Т. 80, вып. 8. С. 143–148.

4. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Романов А.В., Куликов М.Ю., Пономарев Д.В. Фотонные структуры в СВЧ-диапазоне и их применение для измерения параметров композитов с включениями из угле родных нанотрубок и жидких диэлектриков // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010. Т. 13. № 3. С. 26–34.

5. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Куликов М. Ю. Микрополосковый p–i–n диодный СВЧ-выключатель // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2011. Т. 54, № 4. С. 51–54.

В других изданиях 6. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю., Скворцов В.С., Мерданов М.К. Использование микрополосковых и волно водных фотонных кристаллов для измерения параметров материалов и нано структур // Перспективные технологии, оборудование и аналитические сис темы для материаловедения и наноматериалов: Материалы I Международной казахстанско-российско-японской научной конференции и VI российско японского семинара / Под ред. проф. Л.В. Кожитова. М.: Интерконтакт Нау ка, 2008. С. 336–344.

7. Usanov D.A., Skripal A.V., Abramov A.V., Bogolubov A.S., Kulikov M.Y. Appli cation of waveguide and microstrip photonic crystals for measurement of parame ters of materials and structures // XVII International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications. Poland, Wroclaw, 2008. V. 3. P. 904–907.

8. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С., Кули ков М. Ю. Использование микрополосковых фотонных кристаллов для изме рения параметров материалов // Материалы 18-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМи Ко–2008». Украина, Крым, Севастополь: Изд-во Вебер, 2008. С. 765–766.

9. Usanov D. A., Skripal A. V., Abramov A. V., Bogolubov A. S., Kulikov M. Y.

Microstrip Photonic Crystals and their Application for Measurement Parameters of Materials // Proceedings of the 38th European Microwave Conference. The Nether lands, Amsterdam, 2008. P. 785–788.

10. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю., Скворцов В.С., Мерданов М.К. Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов, микро- и нанометровых слоев и создания функциональных устройств СВЧ-электроники // Микроэлектроника и нано инженерия – 2008. Международная научно-техническая конференция: Тезисы докладов. М.: МИЭТ, 2008. С. 173–174.

11. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю., Скворцов В.С., Мерданов М.К. Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов, микро-и нанометровых слоев и создания функциональных устройств СВЧ-электроники // Междунар. Форум по нано технологиям. М.: Роснанотех, 2008. Т. 1. С. 152–154.

12. Пономарев Д.В., Куликов М.Ю. Сенсоры на основе СВЧ фотонных кристал лов // Всероссийская молодежная выставка-конкурс прикладных исследова ний, изобретений и инноваций. Сборник материалов. Саратов: Изд-во Сарат.

ун-та, 2009. С. 28.

13. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю., Пономарев Д.В. Микрополосковые фотонные кристаллы и их использование для измерения жидкостей // Перспективные технологии, оборудование и ана литические системы для материаловедения и наноматериалов: Труды VII Международной российско-казахстанско-японской научной конференции / Под ред. проф. Л.В. Кожитова. М.: Изд-во МГИУ, 2009. С. 540–548.

14. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю.

Пономарев Д.В. Микрополосковые фотонные кристаллы и их использование для измерения полярных жидкостей // Материалы 19-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо–2009». Украина, Севастополь: Изд-во Вебер, 2009. С. 845–846.

15. Usanov D. A., Skripal A. V., Abramov A. V., Bogolubov A. S., Kulikov M. Y., Ponomarev D. V. Microstrip Photonic Crystals and Their Utilization for Measure ment of Liquids // Proceedings of the 39th European Microwave Conference. Italy, Rome, 2009. P. 1049–1052.

16. Usanov D.A., Skripal Al.V., Skripal An.V., Abramov A.V., Bogolubov A.S., Ku likov M.Y., Ponomarev D.V. Photonic Structures in the Microwave Band and Their Applications // Proc. of 18th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications MIKON-2010. Lithuania, Vilnius, 2010. V. 2.

P. 686–694.

17. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С., Кули ков М. Ю., Пономарев Д. В. Использование микрополосковых фотонных кристаллов для измерения электрофизических параметров водноэтанольных растворов // Материалы 20-й Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-2010». Украина, Севастополь: Изд-во Вебер, 2010 С. 1063–1064.

18. Куликов М.Ю. Микрополосковый p–i–n-диодный СВЧ-выключатель // Сбор ник конкурсных научно-исследовательских работ аспирантов и молодых уче ных в области стратегического партнерства вузов и предприятий радиоэлек тронной промышленности. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. С. 26–30.

Патенты 19. Пат. 2419099 Российская Федерация, МПК G01R 27/26. Устройство для из мерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла ди электрических потерь жидкости / Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю., Пономарев Д.В.;

заявитель и патентооблада тель Сарат. гос. ун-т. Заявл. 14.01.2010;

опубл. 20.05.2011. Бюл. 14. 11 с.: ил.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Усанов Д.А., Скрипаль А.В. Физика работы полупроводниковых приборов в схемах СВЧ. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999. 376 с.

2. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения пара метров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.

3. Microwave Electronics. Measurement and Materials Caracterization / Chen L.F., Ong C.K., Neo C.P., Varadan V.V., Varadan V.K. England, Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 2004. 538 p.

4. Donor and acceptor modes in photonic band structure / Yablonovitch E., Gimit ter T.J., Meade R.D. et al. // Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 67, N 24. P. 3380–3383.

5. Гуляев Ю.В., Никитов С.А. Фотонные и магнитофотонные кристаллы – новая среда для передачи информации // Радиотехника. 2003. № 8. С. 26–30.

Подписано в печать 26.06.11. Формат 60х84 1/16.

Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать офсетная.

Печ. л. 1, Тираж 100 экз. Заказ №.

Типография Издательства Саратовского университета.

410012, Саратов, Астраханская, 83.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.