CC BY
36
Мікроелектронна та наноелектронна техніка
МІКРОЕЛЕКТРОННА ТА НАНОЕЛЕКТРОННА ТЕХНІКА
УДК 621.372.543
ЕФЕКТИВНІСТЬ НЕОДНОРІДНОСТЕЙ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ
КРИСТАЛІВ
Назарько А. І., Тимофєєва Ю. Ф., Нелін Є. А.
Електромагнітними кристалами (ЕК) називають фотонні кристали (ФК) радіодіапазону на основі несиметричних мікросмужкових ліній передачі. ФК, як і природні кристали, характеризуються зонною діаграмою з чергуванням дозволених та заборонених зон (ЗЗ). ФК становлять основу різноманітних пристроїв обробки сигналів. ЕК використовують і як аналоги більш складних в конструктивно-технологічному відношенні ФК оптичного діапазону з подальшою їх реалізацією масштабуванням.
ФК — періодичні структури, утворені хвильовими неоднородностями. Ефективність фотоннокристалічних пристроїв визначається зонною вибірністю ФК. Для створення високоефективних пристроїв значний інтерес становить дослідження ефективності окремих неоднородностей ФК. Підвищення ефективності неоднорідностей дозволить зменшити їх кількість, необхідну для формування заданих характеристик пристроїв.
В роботі виконано порівняльний аналіз ефективності поодиноких та подвійних неоднорідностей тривимірним електромагнітним моделюванням за допомогою програмного пакета Microwave Studio [1].
Поодинокі неоднорідності
Розглянемо неоднорідності таких типів: 1) отвір в заземленому шарі мікросмужкової лінії; 2) отвір в заземленому шарі і наскрізний отвір в діелектрику; 3) отвір в заземленому шарі і ненаскрізний металізований отвір в діелектрику. Отвори круглі. Перші два типи є найбільш поширеними в
конструкціях ЕК. Третій запропоновано в роботі.
|Я|, дБ
п
Рис. 1. Частотні залежності коефіцієнта відбиття поодинокої неоднорідності: 1, 2, 3, 3і відповідають типам неоднорідностей
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№40
141
Мікроелектронна та наноелектронна техніка.
На рис. 1 та рис. 2 наведено характеристики поодинокої неоднорідності. Залежність 3і відповідає одновимірній імпедансній моделі [2]. Товщина діелектрика 2,1 мм, товщина мідної фольги 50 мкм, ширина смужкового провідника 2,5 мм, діаметр неоднорідності 8 мм, товщина діелектрика неоднорідності 3 0,1 мм, відносна діелектрична проникність 7,0, тангенс кута діелектричних втрат 0,0025 на частоті 10 ГГц.
rn, дБ
_5 \ “ *■" ^ .V ,
\ Ч \ S ""“/С __ — \— / ’
1 5 . **"* • . s' .* -X у /Ч
1 •ї і
_25 2 3 - - 3і h 'і Jk,
0 2 4 6 8 f, ГГц
Рис. 2. Частотні залежності коефіцієнта проходження поодинокої неоднорідності: 1, 2, 3, 3і відповідають типам неоднорідностей.
Характеристики ілюструють формування ЗЗ ЕК. Як і очікувалося, неоднорідність 2 більш ефективна, ніж неоднорідність 1. Звернемо увагу, що неоднорідність 3 має сформовану ЗЗ. Таким чином, вже декілька таких неоднорідностей достатньо для ЕК. На відміну від неоднорідностей 1 і 2 неоднорідність 3 у першому наближенні можна моделювати наочною одно-вимірною імпедансною моделлю. У порівнянні з однорідним середовищем неоднорідності 1 і 2 збільшують хвильовий імпеданс, а неоднорідність 3 зменшує. Хвильовий імпеданс мікросмужкової лінії дорівнює 50 Ом, а неоднорідності 3 — 5 Ом.
Мінімальні значення коефіцієнта проходження в ЗЗ відповідно дорівнюють -2,8 дБ, -5,9 дБ і -17,4 дБ.
Подвійні неоднорідності
Моделювання подвійної неоднорідності дозволяє проаналізувати ефективність одного періоду ЕК. На рис. 3 приведено характеристики подвійної неоднорідності, утвореної двома поодинокими неоднорідностями відповідних типів з розглянутими параметрами. Відстань між неоднородностями 7 мм. Для взаємного порівняння характеристик частоту нормовано до середньої частоти ЗЗ f0. Подвійна неоднорідність 1 і 2 типу достатня для формування ЗЗ. Середні частоти ЗЗ, мінімальні значення коефіцієнта проходження в ЗЗ, відносна ширина ЗЗ по перших нулях відповідно дорівнюють 4,5 ГГц, 5,72 ГГц, 3,84 ГГц; -6,6 дБ, -16 дБ, -38,4 дБ; 1,0; 1,08; 1,44. Неоднорідність 3 має ЗЗ майже в 1,5 рази більш широку, ніж неоднорід-
142
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№40
Мікроелектронна та наноелектронна техніка
ність 1, яка найчастіше використовується в конструкціях ЕК. Характеристики 3 і 3і в межах ЗЗ практично співпадають, що ілюструє прийнятність імпедансної моделі.
|Я|, дБ
Рис. 3. Частотні залежності коефіцієнта відбиття подвійної неоднорідності: 1, 2, 3, 3і відповідають типам неоднорідностей.
Висновки
Моделювання поодиноких та подвійних неоднорідностей дозволяє проаналізувати особливості формування зонної діаграми ЕК. Поодинока неоднорідність у формі металізованого отвору в діелектричній основі має сформовану ЗЗ, що становить значний інтерес для високоефективних ЕК.
Література
1. Бойко В. О., Березянський Б. М., Нелін Є. А. Моделювання тривимірних кристалоподібних структур // Вісн. НТУУ «КПІ». Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобу-дування — 2007. — Вип. 35. — С. 106—110.
2. Назарько А. І., Тимофєєва Ю. Ф., Нелін Є. А., Іванов О. М. Моделювання мікросмужкового аналога фотонного кристала // Вісн. НТУУ «КПІ». Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування — 2008. — Вип. 36. — С. 101—103.
Назарько А. І., Тимофєєва Ю. Ф., Нелін Є. А. Ефективність неоднорідностей електромагнітних кристалів. Проаналізована ефективність поодиноких та подвійних неоднорідностей електромагнітних кристалів. Наведені характеристики, що ілюструють результати моделювання.
Ключові слова: фотонні кристали, електромагнітні кристали___________________
Назарько А. И., Тимофеева Ю. Ф., Нелин Е. А. Эффективность неоднородностей электромагнитных кристаллов. Проанализирована эффективность одиночных и двойных неоднородностей электромагнитных кристаллов. Приведены характеристики, иллюстрирующие результаты моделирования.
Ключевые слова: фотонные кристаллы, электромагнитные кристаллы______________
Nazarko A. I., Timofeeva J. F., Nelin E. A. Efficiency of electromagnetic crystals discontinuities. Efficiency of electromagnetic crystals single and double discontinuities is analyzed. Characteristics illustrating results of modeling are presented.
Key words: photonic crystals, electromagnetic crystals______________________
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№40
143
