CC BY
18МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.38.029: 621.382.2
Волноводные фотонные кристаллы с характеристиками, управляемыми р—-п-диодами
Д.А.Усанов, А.В.Скрипаль, А.В.Абрамов, А.С.Боголюбов Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского
В.С.Скворцов, М.К.Мерданов ОАО «НПК «Тристан» (г. Москва)
Реализована одномерная волноводная фотонная структура - фотонный кристалл с управляемыми частотными характеристиками. Перестройка центральной частоты окна прозрачности фотонного кристалла достигалась выбором параметров нарушения периодичности в фотонном кристалле, в то время как управление величиной пропускания на выбранной частоте - изменением напряжения на р-г-п-диоде. Показана возможность реализации на основе волноводного фотонного кристалла СВЧ-устройства 3-сантиметрового диапазона длин волн с полосой пропускания 70 МГц на уровне 3 дБ и коэффициентом пропускания, регулируемым в диапазоне от -1,5 до -25 дБ при изменении напряжения прямого смещения на р-г-п-диоде от 0 до 700 мВ.
В последнее время растет интерес к исследованиям нового класса периодических структур, называемых фотонными кристаллами. Эти структуры состоят из периодически расположенных составляющих, размеры которых сравнимы с длиной волны распространяющегося в них электромагнитного излучения. В спектре пропускания такой структуры имеется частотная область, запрещенная для распространения электромагнитной волны - аналог запрещенной зоны в кристаллах. При наличии нарушений в периодичности слоистой структуры в запрещенной зоне фотонного кристалла могут возникать узкие «окна» прозрачности [1].
В СВЧ-диапазоне одномерный фотонный кристалл может быть реализован как с помощью волноводов с диэлектрическим заполнением [2, 3], так и планарных линий передачи с периодически изменяющейся структурой [4-6].
На основе СВЧ-фотонных кристаллов созданы полосовые фильтры, перестраиваемые резонаторы, миниатюрные антенны [2, 7]. Известна высокая чувствительность частотной зависимости окон прозрачности в запрещенной зоне фотонного кристалла к нарушению периодичности в слоистой структуре.
Во многих случаях требуется реализовать электрическое управление коэффициентами отражения и прохождения в таких устройствах, как полосовые фильтры, антенны, частотно-избирательные поверхности и т.п. [8, 9]. В работе [8] описан способ управления частотно-избирательной поверхностью с помощью напряжения питания на варак-торе. В работе [10] предложен принцип реализации волноводной щелевой антенны с настраиваемой апертурой с использованием планарного р-г-п-диода.
© Д.А.Усанов, А.В.Скрипаль, А.В.Абрамов, А.С.Боголюбов, В.С.Скворцов, М.К.Мерданов, 2010
В современных телекоммуникационных системах также требуются перестраиваемые фильтры, с помощью которых можно осуществлять селекцию различных частот в результате внешнего воздействия. Большое число исследований посвящено проблеме переключения полосы пропускания селективных фильтров с использованием р-г-п-диодов [11]. Авторы [12], например, использовалир-г-п-диоды для управления поляризацией излучения антенны.
В настоящей работе рассматривается возможность реализации одномерного волно-водного фотонного кристалла с перестраиваемым частотным положением окна прозрачности и управляемой с помощью р-г-п-диодов величиной пропускания в этом окне.
Частотные характеристики волноводных фотонных кристаллов. В работах [3, 13] показано, что при создании нарушения в периодической структуре фотонного кристалла в его запрещенной зоне могут возникать узкие окна прозрачности, частотное положение которых регулируется изменением диэлектрической проницаемости или толщины одного из слоев. При этом перестройка может осуществляться во всем диапазоне частот волновода, на основе которого создается фотонный кристалл.
В 3 -сантиметровом диапазоне длин волн рассматривался 11 -слойный волноводный фотонный кристалл, представляющий собой чередующиеся слои поликора (в = 9,6) толщиной 1 мм и пенопласта (в = 1,1) толщиной 12 мм. В кристалл введено нарушение в виде уменьшенной толщины 6-го слоя ё6 (пенопласт).
На рис.1 представлены рассчитанные спектры прохождения фотонного кристалла для различных значений толщины шестого слоя, а на рис.2 - частотные зависимости модуля (сплошная линия) и фазы (пунктирная линия) коэффициента прохождения вблизи окна прозрачности для одного из значений толщины нарушенного 6-го слоя.
1^121, дБ 0
-10
-20 -30 -40
8 9 10 11 12 13 /ГГц
Рис.1. Частотные зависимости модуля коэффициента прохождения 11 -слойного фотонного кристалла поликор-пенопласт для различных значений толщины нарушенного слоя ё6, мм: 2 - 7,0; 3 - 4,0; 4 - 3,0; 5 - 1,0 (кривая 1 соответствует фотонному кристаллу без нарушений)
1^121. ДБ а^о), рад
9 10 11 12 £ ГГц
Рис.2. Частотные зависимости модуля (сплошная линия) и фазы (пунктирная линия) коэффициента прохождения 11-слойного фотонного кристалла поликор-пенопласт для й6 = 3 мм
На рис.3 показаны рассчитанные зависимости частоты, соответствующей максимуму коэффициента прохождения в окне прозрачности, от толщины нарушенного слоя для различных значений его диэлектрической проницаемости. При этом чувствительность положения окна прозрачности на частотной зависимости коэффициента прохождения фотонного кристалла к варьированию толщины нарушенного слоя (поликоровая пластина) толщиной около 1 мм в диапазоне частот 12-13 ГГц достигает 1 МГц/мкм.
Таким образом, выбором параметров нарушения, таких как толщина и диэлектрическая проницаемость, на частотной зависимости коэффициента пропускания одномерного волноводного фотонного кристалла в 3-сантиметровом диапазоне частот можно реализовать узкое окно пропускания с заданной центральной частотой.
Управление величиной пропускания.
Для реализации управления величиной пропускания в окне прозрачности использовалась p-i-n-диодная матрица типа М34216-1 [14], которая включалась в волноводный тракт совместно с одномерным волноводным фотонным кристаллом. В экспериментальных исследованиях использовался 11 -слойный фотонный кристалл, представляющий собой чередующиеся слои поликора (в = 9,6) толщиной 1 мм и пенопласта (в = 1,1) толщиной 12 мм. В кристалл вводилось нарушение в виде уменьшенной до 5,5 мм (5 мм и 4,5 мм) толщины 6-го слоя (пенопласт). Расположение фотонного кристалла и p-i-n-диодной структуры представлено на рис.4.
К матрице p-i-n-диодов прикладывалось управляющее напряжение в диапазоне 0-700 мВ. Матрица и волноводный фотонный кристалл размещались в волноводе 3-сантиметрового диапазона длин волн и включались в 50-омный коаксиальный тракт векторного анализатора цепей Agilent PNA-L N5230A с помощью коаксиально-волноводных переходов. С помощью этого анализатора измерялись частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения.
Матрица p-i-n-диодов в отсутствие напряжения смещения вследствие ее малых размеров вносит слабое возмущение в фотонный кристалл и его характеристики остаются практически неизменными. С увеличением напряжения смещения это возмущение становится сильным в связи с обогащением /-областей носителями заряда и характерное для фотонного кристалла резонансное пропускание исчезает.
Экспериментальные частотные зависимости модуля и фазы коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения в области окна прозрачности вол-новодного фотонного кристалла для различных значений напряжения на p-i-n-диодной матрице при толщине нарушенного шестого слоя d6 = 5,0 мм представлены на рис.5.
На рис.6 показаны зависимости амплитуды и фазы коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения на фиксированной частоте (вблизи минимума окна прозрачности) от величины напряжения на p-i-n-диоде для различных значений толщины d6 нарушенного слоя.
Анализ фазовых характеристик, представленных на рис.6, показывает, что при изменении напряжения на p-i-n-диодной матрице, приводящем к резкому изменению величины прошедшего и отраженного СВЧ-сигнала, фаза отраженного сигнала в полосе пропускания окна прозрачности на уровне 3 дБ изменяется сравнительно слабо (не более 5°). Такое изменение фазы отраженного сигнала в полосе пропускания окна прозрачности при изменении напряжения питания на p-i-n-диодной матрице позволяет использовать одномерный фотонный кристалл с управляемым p-i-n-диодами пропусканием в качестве аттенюатора с малой величиной фазовой ошибки.
f, ГГц
14-
9 _,_,_,_J
0,5 0,75 1 1,25 d6, мм
Рис.3. Зависимости частоты максимума окна прозрачности от толщины нарушенного слоя ё6: 1 - е6 = 2 (фторопласт); 2 - е6 = 9,6 (поликор); 3 - е = 50 (керамика) 4 - е = 96 (керамика)
Рис.4. Расположение фотонного кристалла и p-i-n-диодной матрицы
^ дБ
0 -10
-20
-30 -40
9,3 9,4 9,5 9,6 £ ГГц
-10
-20
-30
^и1, дБ
- у
| | 1
9,3 9,4 9,5 9,6 £ ГГц в
л/2 аг^^Х рад
л/4
5 9,7 у; ГГц
-л/2 б
л/2
а^ц), рад
л/4
У \ | 0
93 /9,5 9,7 £ ГГц
-Зл/^К. У- л/4
—л/2 г
Рис.5. Экспериментальные зависимости модуля (а, в) и фазы (б, г) коэффициента прохождения (а, б) и отражения (в, г) электромагнитного излучения в области окна прозрачности фотонного кристалла для различных значений напряжения
на р-г-п-диоде (^ = 5,0 мм): - и = 0; ........ и = 400 В;----и = 500 В;
---и = 600 В; -•-•-• и = 700 В
а
0
|5л1, !%!
0
-10
-20
-30
0 200 400 600 и, мВ
а
Рис. б. Экспериментальные зависимости модуля (а) и фазы (б, в) коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения на фиксированной частоте, соответствующей минимуму окна прозрачности фотонного кристалла при нулевом напряжении на /»¿«-диоде, от напряжения на рт-диоде для различных значений толщины нарушенного слоя с/6 : • 5,5 мм; А - 5,0мм; ■ - 4,5 мм;-|5П|;-------
л/2 а^(£п), рад
б
в
Таким образом, показана возможность реализации одномерного волноводного фотонного кристалла с управляемыми частотными характеристиками. Перестройка центральной частоты окна прозрачности фотонного кристалла достигалась выбором параметров нарушения в фотонном кристалле, в то время как управление величиной пропускания на выбранной частоте осуществлялось напряжением на p-i-n-диоде. Показана возможность реализации на центральной частоте окна прозрачности одномерного волноводного фотонного кристалла аттенюатора, обладающего малой величиной фазовой ошибки, с управляемым p-i-n-диодами пропусканием в 3-сантиметровом диапазоне длин волн, величина которого регулируется в диапазоне от -1,5 до -25 дБ при изменении напряжения прямого смещения на p-i-n-диоде от 0 до 700 мВ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (грант Президента РФ для поддержки молодых российских ученых - кандидатов наукMK-2205.2008.8 иМК-415.2009.8).
Литература
1. Donor and acceptor modes in photonic band structure / E. Yablonovitch, T.J.Gimitter, R.D.Meade et al. // Phys. Rev. Lett. - 1991. - Vol. 67, N 24. - P. 3380-3383.
2. Kuriazidou C.A., Contopanagos H.F., Alexopolos N.G. Monolithic waveguide filters using printed pho-tonic-bandgap materials // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. - 2001. - Vol. 49, N 2. - P.
297-306.
3. Measurement of the metal nanometer layer parameters on dielectric substrates using photonic crystals based on the waveguide structures with controlled irregularity in the microwave band / D.A.Usanov, Al.V.Skripal, A.V.Abramov et al. // Proc. of 37-rd European Microwave Conf. (Munich, Germany. 8-12th October 2007). - 2007. - P. 198-201.
4. Tae-Yeoul and Kai Chang. Uniplanar one-dimensional photonic-bandgap structures and resonators // IEEE Transactions on Microwave theory and techniques. - 2001. - Vol. 49, N 3. - P. 549-553.
5. Гуляев Ю.В., Никитов С.А. Фотонные и магнитофотонные кристаллы - новая среда для передачи информации // Радиотехника. - 2003. - № 8. - С. 26-30.
6. Беляев Б.А., Волошин А.С., Шабанов В.Ф. Исследование микрополосковых аналогов полосно-пропускающих фильтров на одномерных фотонных кристаллах // Радиотехника и электроника. - 2006. -Т. 51, № 6. - С. 694-701.
7. Burns Crystal Gerard W., Thayne I. G., Arnold J. M. Improvement of planar antenna efficiency when integrated with a millimetre-wave photonic // Proc. of European Conf. on Wireless Technology (Amsterdam, Netherlands. 11-12-th October 2004). - 2004. - P. 229-232.
8. Munir A., Fusco V., Malyuskin O. Tunable Frequency Selective Surfaces Characterisation // Proc of the 38-th European Microwave Conf. (Amsterdam, Netherlands. 27-31st October 2008). - 2008. - P. 813-816.
9. Chang T.K., Langley R.J., Parker E.A. Active frequency selective surfaces // IEE Proc. H. - 1996. -Vol. 143. - P. 62-66.
10. Yashchyshyn Y., Derzakowski K., Modelski J. Extending functionalities of waveguide slot antennas by means of reconfigurable aperture // Proc. of the 38-th European Microwave Conf. (Amsterdam, Netherlands. 27-31-st October 2008). - 2008. - P. 258-261.
11. Rauscher C. Reconfigurable bandpass filter with a three-to-one switchable passband width // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. - 2003. - Vol. 51, N. 2. - P. 573-577.
12. Abeygunasekera A., Henry M., Free C. A novel radiation enhanced active antenna with switched dual circular polarization // Proc. of the 38-th European Microwave Conf. (Amsterdam, Netherlands. 27-31-st October 2008). - 2008. - P. 250-253.
13. Microstrip photonic crystals and their application for measurement parameters of materials / D.A.Usanov, A.V.Skripal, A.V.Abramov et al. // Proc. оf European Microwave Week 2008: 38-th European Microwave Conf. (Amsterdam, Netherlands. 27-31st October 2008). - 2008. - P. 785-788.
14. Выключатель М-34216-1 Х-диапазона. - URL:http://www.oao-tantal.ru/tovar.php?id=1585
Статья поступила 10 августа 2008 г.
Усанов Дмитрий Александрович -доктор физико-математических наук, профессор, проректор по НИР, заведующий кафедрой физики твердого тела СГУ им. Н.Г. Чернышевского, заслуженный деятель науки РФ. Область научных интересов: твердотельная, микро- и наноэлектроника, радиофизика. E-mail: UsanovDA@info.sgu.ru
Скрипаль Александр Владимирович - доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики твердого тела СГУ им. Н.Г. Чернышевского. Область научных интересов: твердотельная, микро- и наноэлектроника, радиофизика.
Абрамов Антон Валерьевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики твердого тела СГУ им. Н.Г. Чернышевского. Область научных интересов: физика полупроводников, твердотельная электроника.
Боголюбов Антон Сергеевич - кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры физики твердого тела СГУ им. Н.Г. Чернышевского. Область научных интересов: физика полупроводников, твердотельная электроника.
Скворцов Владимир Сергеевич - заместитель генерального директора по НИР ОАО «НПК «Тристан» (г. Москва). Область научных интересов: твердотельная, микро- и наноэлектроника, радиофизика.
Мерданов Мердан Казимагомедович - заместитель генерального директора по инновациям ОАО «НПК «Тристан» (г. Москва). Область научных интересов: твердотельная, микро- и наноэлектроника, радиофизика.
Издательско-полиграфический комплекс Московского государственного института электронной техники
информирует
Вышло в свет учебное пособие
Филиппов A.A., Рабоволюк A.B., Лохов A.JI.
Проектирование систем на печатных платах на САПР Mentor Graphics. - 4.5 / Под ред. С.П. Тимошенкова. - М.: МИЭТ, 2009
t. Филиппов, А.В. Рабов
Проектяраванк свстсм на печпных платах in САПР Mentor Graphics
ISBN 978-5-7256-0562-4 Формат 60 х 84 1/16, объем 368 е.: ил.
Настоящее учебное пособие по курсу HyperLynx, являющемуся логическим продолжением курса Expedition PCB, раскрывает вопросы пред- и посттопологического анализа целостности сигналов и электромагнитной совместимости.
Данный курс позволяет овладеть методологией проектирования высокоскоростных печатных плат, разработать работоспособное электронное средство без создания прототипа, сократив тем самым различного рода затраты на проектирование.
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению 551100 «Проектирование и технология электронных средств», а также для слушателей курсов повышения квалификации и специалистов, занимающихся созданием перспективных высокоскоростных изделий современной электронной техники и микроэлектроники.
