Микрополосковые фотонные структуры СВЧ-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков
![Диссертация: Микрополосковые фотонные структуры СВЧ-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков](https://gugn.ru/work/2701582/cover.png)
Исследования выполнялись в рамках НИР «Технология формирования наноструктур и нанокомпозитов, разработка и создание новых технологий измерений параметров материалов, наноструктур и нанокомпозитов на основе низкоразмерных резонансных систем оптического и микроволнового диапазонов» ГК № 02.513.11.3058, ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического… Читать ещё >
Содержание
- 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СВЧ-ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
- 1. 1. Электродинамические свойства СВЧ-фотонных кристаллов с различного рода включениями
- 1. 2. Анализ современного состояния исследований применения СВЧ-фотонных кристаллов для создания функциональных устройств СВЧ-электроники
- 2. РЕЗОНАНСНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ОДНОМЕРНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФОТОННЫХ СТРУКТУР И ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
- 2. 1. Математическая модель взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными микрополосковыми фотонными структурами
- 2. 2. Результаты компьютерного моделирования спектров прохождения микрополосковых фотонных структур
- 2. 3. Результаты компьютерного моделирования спектров прохождения микрополосковых фотонных структур при наличии «нарушения» периодичности в структуре фотонного кристалла
- 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА СВЧ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ" ОДНОМЕРНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФОТОННЫХ СТРУКТУР
- 3. 1. Измерение диэлектрической проницаемости твердых материалов
- 3. 2. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости неполярных жидких диэлектриков на СВЧ
- 3. 3. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости полярных жидких диэлектриков на СВЧ
- 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ С ОДНОМЕРНЫМИ МИКРОПОЛОСКОВЫМИ ФОТОННЫМИ СТРУКТУРАМИ и их
- ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
- 4. 1. Результаты экспериментального исследования спектров прохождения микрополосковых фотонных кристаллов
- 4. 2. Использование микрополосковых фотонных структур для измерения параметров жидких и твердых диэлектриков на СВЧ
4.2.1 Экспериментальное исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения микрополосковых фотонных структур с нарушением периодичности в чередовании отрезков микрополосковой линии передачи с большой и малой шириной полоскового проводника.
4.2.2 Измерение электрофизических параметров диэлектрических пластин по частотным зависимостям коэффициента прохождения микрополосковых фотонных структур с нарушением периодичности в виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков микрополосковой линии.
4.2.3 Экспериментальное исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения микрополосковых фотонных структур, содержащих неоднородности в виде кюветы с неполярными жидкими диэлектриками.
4.2.4 Экспериментальное исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения микрополосковых фотонных структур, содерэюащих неоднородности в виде кюветы с полярными жидкими диэлектриками.
4.2.5 Измерение комплексной диэлектрической проницаемости растворов полярных жидких диэлектриков на СВЧ.
5 РЕЗОНАНСНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ КОРОТКОЗАМКНУТОГО ОТРЕЗКА МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ С
ПОДКЛЮЧЕННЫМ Р—/— Л^-ДИОДОМ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ.
5.1 Исследование частотной зависимости коэффициента отражения короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии передачи с подключенным р—/—и-диодом.
5.2 Измерение диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков с использованием резонансной системы на основе короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии передачи с подключенным р—/—п-диодом.
5.3 Измерение диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков с использованием резонансной системы на основе микрополосковой фотонной структуры с подключенным р—/'—л-диодом.
Микрополосковые фотонные структуры СВЧ-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Разработка современных приборов твердотельной микрои наноэлектроники во многом зависит от уровня развития технологии изготовления полупроводниковых, диэлектрических и металлических слоев, толщиной от нескольких нанометров до десятков микрометров.
Для обеспечения технологии производства слоистых структур с высокой степенью совершенства требуетсяЪздание высокоточных методов измерений электрофизических параметров диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур. Такого рода структуры используются в акустоэлектронике при создании линий задержки, в микрои наноэлектронике и других областях.
Одним из требований, предъявляемых к современным методам измерения электрофизических параметров материалов, является использование возможности проводить их бесконтактно, не разрушая, материал и не изменяя его свойства. К бесконтактным методам измерений относятся СВЧ-методы, которые являются оптимальными при исследовании материалов и структур, используемых при создании приборов полупроводниковой СВЧ-электроники [1—19]. Исследования, например, с помощью низкочастотных методов [20—22] могут давать недостаточно информации для конструирования устройств именно сверхвысокочастотного диапазона с заданными характеристиками.
СВЧ-методы измерения различаются по физическим эффектам, на которых они основаны, по типу используемой схемы измерений и по характеру взаимного расположения образца и электродинамической системы. По типу используемой схемы СВЧ-методы делят на волноводные [5, 23—30], мостовые [31], резонаторные [32—42], микрополосковые [43—53].
При использовании волноводных методов [5, 23—30] рассматривается взаимодействие СВЧ-волны, распространяющейся в волноводе, с помещенным в него образцом, и измеряются интенсивности прошедшей и отраженной волн.
Среди различных типов планарных схем микрополосковые являются наиболее часто используемыми в СВЧ-электронике [54—59]. Микрополосковые схемы достаточно широко используются при реализации СВЧ-методов измерения параметров материалов, в частности, материалов подложек плоских СВЧ-линий передачи [43—53].
При измерениях резонаторными методами [32—42] схема настраивается в резонанс изменением размеров электродинамической системы или частотыгенератора.
Введение
исследуемого образцав измерительную резонаторную систему приводит к смещению резонансной частоты и изменению добротности резонатора, по изменению которых рассчитываются параметры образца. По результатам измеренияизменения характеристик резонатора могут быть определены диэлектрическая проницаемость и электропроводность материала, изменение электропроводности, вызванное наложением магнитного поля, освещением образца и т. д.
Для определения электрофизических параметров диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур, нанометровых металлических пленок можно использовать результаты измерений спектров отражения и прохождения взаимодействующего с ними СВЧ-излучения при условии, что известно их теоретическое описание [60—76]. Нахождение электрофизических параметров связано с необходимостью решать обратную задачу [45—47, 64—67].
Использование открытых СВЧ-линий передачи позволяет сочетать достаточно высокую чувствительность СВЧ-методов измерений с технологичностью изготовления структур и оправок для измерения* и отсутствием жестких требований на размеры образцов. К недостаткам измерительных систем на открытых линиях передачи можно отнести наличие потерь на излучение на открытых концах передающих линий, неоднородностях, например, связанных с необходимостью использования коаксиально-микрополосковых переходов, трудности в проведении локальных измерений.
Интенсивное развитие нанотехнологий стимулировало разработку и создание нового класса периодических структур, получивших название фотонных кристаллов [77—87]. Фотонный СВЧ-кристалл — это структура, в которой периодически чередуются слои из материалов с различной диэлектрической проницаемостью или толщиной. При этом период чередования слоев сравним с длиной волны распространяющегося в фотонном кристалле электромагнитного излучения. На зависимостях коэффициентов отражения и прохождения от частоты СВЧ-сигнала наблюдаются области полного отражения, частотные области «запрещенные» для распространения электромагнитной волны — аналог запрещенной зоны в кристаллах, и области прохождения СВЧ-волны.
Если нарушить периодичность чередования слоев, к примеру, добавить 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 отражения электромагнитной волны [77, 87—89].
В СВЧ-диапазоне одномерный фотонный кристалл может быть создан* как с помощью волноводов с диэлектрическим заполнением [78, 89—92], так и планарных линий передачи с периодически изменяющейся структурой [56, 79—84, 93—95].
Использование микрополосковых и волноводных фотонных СВЧ-кристаллов обеспечивает изменение коэффициента отражения от значений близких к нулю до значений близких к единице в измеряемом диапазоне частот, этим достигается расширение диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов, с другой стороны, обеспечивается возможность создания на их основе функциональных устройств СВЧ-электроники в выбранном частотном диапазоне [77, 78, 95—100].
В связи с этим является актуальным проведение исследований особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона с одномерными микрополосковыми фотонными кристаллами, определение чувствительности 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 и полупроводниковых материалов, включенных в состав одномерных микрополосковых фотонных кристаллов в качестве нарушений периодичности, по* спектрам прохождения, взаимодействующего с ними излучения сверхвысокочастотного диапазона длин волн.
Цель диссертационной работы:
Выявление особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона с одномерными микрополосковыми фотонными кристаллами, содержащими неоднородности в виде слоев твёрдых и жидких диэлектриков, и проведение на этой основе экспериментального и теоретического 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 проницаемости материала подложки и содержащими нарушения периодичности в виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков микрополосковой линии;
2 Исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения электромагнитного излучения, взаимодействующего с микрополосковыми фотонными кристаллами СВЧ-диапазона, реализованными на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической проницаемости материала подложки и содержащими нарушения периодичности в виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков микрополосковой 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 проницаемости материала образцов, выполняющих роль неоднородности в микрополосковых фотонных кристаллах, по спектрам прохождения взаимодействующего с ними электромагнитного излучения СВЧ-диапазона;
5 Экспериментальная реализация резонансной системы, на основе микрополоскового фотонного кристалла с подключённым петлевым элементом связи, в центре которого расположен р — 1 — Пдиод, и обоснование возможности её использования в качестве электрически управляемой измерительной системы для определения диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль неоднородности фотонного кристалла.
Новизна исследованийпроведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем:
1 Разработано теоретическое обоснование возможности измерения параметров материалов образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, а также образцов, находящихся в непосредственной близости над подложкой и полосковым проводником, в широком диапазоне изменения их параметров по спектрам прохождения, 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 пропускания фотонного кристалла СВЧ-диапазона. В* этом случае появление в запрещённой зоне микрополоскового фотонного кристалла «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней частотной границы запрещенной зоны, наблюдается при увеличении электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла, а «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи нижней частотной границы запрещенной зоны, наблюдается при уменьшении электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла.
3 Экспериментально реализованы методы измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и твердых диэлектриков, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, по спектрам прохождения взаимодействующего с фотонным кристаллом электромагнитного излучения.
4 Показана возможность эффективного электрического управления параметрами микрополоскового фотонного кристалла с помощью подключённого петлевого элемента связи, в центре которого расположен р — 1 — п-диод, и обосновано его использование в качестве электрически управляемой измерительной системы для определения диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль неоднородности фотонного кристалла.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается качественным и количественным соответствием выводов теории основным результатам, полученным экспериментально, строгостью используемых математических моделей, корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных процессов. к искомым решениям, выполнимостью предельных переходов к известным решениям. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с использованием стандартных методов.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
1 Реализован метод компьютерного моделирования спектров отражения и прохождения фотонных кристаллов, реализованных на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрическойпроницаемости материала подложки.
2 Разработана программная и аппаратная реализация методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости* жидких и твердых диэлектриков с использованием микрополосковых аналогов одномерных-фотонных кристаллов, по спектрам прохождения-взаимодействующего с фотонным кристаллом электромагнитного излучения.
3 Экспериментально реализована электрически управляемая с помощью петлевого элемента связи, в центре которого расположен р — г — пдиод, измерительная 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 электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, взаимодействующего с микрополосковым фотонным кристаллом, при наличии в нём нарушения в виде изменения диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков микрополосковой линии, в результате решения обратной задачи при известных параметрах периодически чередующихся отрезков возможно определение диэлектрической проницаемости твёрдых и жидких диэлектриков, выполняющих 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 р-1-П-диод, к изменению величины диэлектрической проницаемости образца, выполняющего роль неоднородности фотонного кристалла, регулируется величиной протекающего через* р — 1 — пдиод тока.
3 При равных значениях электрических, длин чередующихся, отрезков микрополоскового фотонного кристаллаобеспечивается равенство ширин запрещённых зон на частотной зависимости коэффициента пропускания фотонного кристалла СВЧ-диапазона. Увеличение в этом случае электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла приводит к появлению взапрещённой зоне микрополоскового фотонного кристалла «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней частотной границы запрещенной зоны, а уменьшение электрической длины, одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла приводит к появлению «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи нижней частотной границы запрещенной зоны.
4 Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости жидкого 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 диэлектрической проницаемостей этого раствора обладает отчетливо выраженным 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 научною конференции иVI российско-японском семинаре «Перспективные технологииоборудование и аналитические системы для материаловедения^ и наноматериалов: Материалы». Усть-Каменогорск^ КазахстанВосточно-Казахстанский государственный. технический университет им. Д. Серикбаева, 24—25 июня 2008 г. [101];
XVII International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications. Wroclaw, Poland, May 19—21 2008 [102];
18-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-—2008». Сёвастополь, Крым, Украина- 8-—12 сентября 2008 г. [103];
38th European Micro wave Conference. Amsterdam, The Netherlands, 27—31 October 2008 [104]- '.
Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия — 2008». Москва, Московский государственный институт электронной техники МИЭТ, 25—27 ноября 2008 г. [105];
Международном Форуме по нанотехнологиям. Москва, 3-—5 декабря.
2008 г. [106];
Всероссийской молодежнойвыставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций^ Саратов, Саратовский государственный университет им. H. F. Чернышевского, 27—28 октября.
2009 г. [107];
VTI Международной российско-казахстанско-японской научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». Волгоград, 3—4 июня 2009 г. [108];
• 19-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо—2009». Севастополь, Крым. Украина, 14—18 сентября 2009 г. [109];
• 39th European Microwave Conference. Rome, Italy, 29 September— 1 October 2009 [110];
• 18th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications «MIKON—2010». Vilnius, Lithuania, June 14—16 2010 in];
• 20-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо—2010». Севастополь, Крым, Украина, 13—17 сентября 2010 г. [112];
• Конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области стратегического партнерства вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности. Санкт-Петербург, 2010. [113].
Исследования выполнялись в рамках НИР «Технология формирования наноструктур и нанокомпозитов, разработка и создание новых технологий измерений параметров материалов, наноструктур и нанокомпозитов на основе низкоразмерных резонансных систем оптического и микроволнового диапазонов» ГК № 02.513.11.3058, ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы», НИР «Разработка новых высокочувствительных методов измерения электрических и магнитных свойств нанокомпозитных материалов и структур в СВЧ и оптическом диапазонах и создание компьютерного диагностического комплекса 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 российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (грант Правительства РФ 11. G34.31.0030).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ [101—119], в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК [114— 118]- 13 работ опубликованы в сборниках конференций [101—113], 1 патент РФ на изобретение [119].
Личный вклад автора выразился в участии в проведении, всего объема экспериментальных работ, в создании теоретических моделей, описывающих результаты экспериментов, проектировании и практической реализации экспериментальных структур, проведении компьютерного моделирования и анализе полученных результатов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 150 страницах, содержит 97 рисунков и список литературы из 140 наименований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Таким образом, в ходе выполнения 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 диэлектрической 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 кристалла «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней частотной границы запрещенной зоны, при увеличении электрической длины, одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла и «акцепторных» 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 микрополосковой линии передачи, образующих одномерную фотонную структуру, обеспечивается равенство ширин запрещённых зон на частотной зависимости коэффициента пропускания фотонной структуры в СВЧ-диапазоне;
4 Разработано теоретическое обоснование возможности измерения параметров материалов образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, а также образцов находящихся в непосредственной близости над подложкой и полосковым проводником, в широком диапазоне изменения их параметров по спектрам прохождения, взаимодействующего с фотонным кристаллом сверхвысокочастотного излучения;
5 Изготовлены микрополосковые фотонные структуры, на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической проницаемостью материала подложки, содержащие нарушения периодичности в виде изменения длиньъ одного из отрезков микрополосковой-линиии получено1 хорошее количественное соответствие измеренных частотных зависимостей коэффициента прохождения, электромагнитного излучения, взаимодействующего-с такими структурами, с рассчитанными на основе разработанной математической-модели;
6 Исследовано влияние образцов твердых и жидких диэлектриков с различной комплексной диэлектрической проницаемостью на частотные зависимости коэффициента прохождения электромагнитного излучения, взаимодействующего с микрополосковыми фотоннымиструктурами, в которых исследуемые образцы выполняют функцию неоднородности;
7 Разработана программная и аппаратная" реализация методов измерения комплексной диэлектрической проницаемостижидких и твердых диэлектриков с использованием микрополосковых одномерных фотонных кристаллов, по спектрам прохождения взаимодействующего с фотонным кристаллом электромагнитного излучения;
8 Экспериментально > реализованы методы измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и твердых диэлектриков, выполняющих роль подложки одного из отрезковструктуры микрополоскового фотонного кристалла, в результате решения обратной задачи по измеренным частотным зависимостям коэффициента прохождения электромагнитного излучения, взаимодействующего с микрополосковой фотонной структурой, в которой исследуемые образцы выполняют функцию подложки одного из отрезков структуры.
9 Получены значения комплексной диэлектрической проницаемости водно-этанольных растворов в диапазоне концентраций от 0 до 96% объемного содержания этанола в растворе в диапазоне температур от 20 до 60 °C на частотах от 3,2 до 3,6 ГГц с использованием разработанной методики определения комплексной диэлектрической проницаемости 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 содержащей резонансную систему из конденсатора и петлевого элемента связи, в центре которого расположен р -1 — п-диод, подключенную к короткозамкнутому отрезку микрополосковой линии передачи, и структурой, в которой отрезок микрополосковой линии с такой резонансной системой входит в состав микрополосковой фотонной структуры.
11 Описан пример практической реализации электрического управления параметрами микрополосковых фотонных структур, заключающийся в использовании для измерения диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков резонансной системы, содержащей конденсатор и петлевой элемент связи, в центре которого расположен р — 1 — пдиод, подключенной к короткозамкнутому отрезку микрополосковой линии передачи, входящему в состав микрополосковой фотонной структуры.
12 На основании полученных результатов предложен способ определения диэлектрической проницаемости образцов диэлектрических материалов. Патент РФ на изобретение № 2 419 099 Опубл. 20.05.2011. Бюл. 14, заявка на изобретение № 2 010 123 701 от 10.06.2010.
Список литературы
- Усанов Д. А. СВЧ-методы измерения параметров полупроводников. Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 1985. 55 с.
- Викторов В.А., Лункин Б. В., Совлуков A.C. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.
- Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2-х книгах. Кн. 1. Под ред. В. В: Клюева. М.: Машиностроение, 1986. 352 с.
- Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 4. Контроль излучениями: Практ. пособие. Под ред. В. В. Сухорукова. М.: Высш. шк., 1992. 321 с.
- Арапов Ю.Г., Давыдов А. Б. Волноводные методы измерения электрофизических параметров полупроводников на СВЧ // Дефектоскопия. 1978. № 11. С. 63—87.
- Ягудин Г. X., Шибаев А. А., Пономаренко О. Н. Бесконтактные, методы неразрушающего контроля электрофизических параметров полупроводниковых структур. — Обзоры по электронной технике. Сер. Полупроводниковые приборы, 1973, вып. 4(104). 52 с.
- Афсар М. Н., Берч Дж. Р., Кларк Р. Н. Измерение характеристик материалов // ТИИЭР. 1986. Т. 74, № 1. С. 206—220.
- Стариков В.Д. Методы измерения на СВЧ с применением измерительных линий. М.: Сов.радио. 1972. 144 с.
- Брандт A.A. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. 147 с.
- Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. 312 с.
- У санов Д.А., Скрипаль A.B. Физика работы полупроводниковых приборов в схемах СВЧ. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999. 376 с.
- Завьялов А. С., Дунаевский Г. Е. Измерения параметров материалов на сверхвысоких частотах. — Томск: Изд. Томского ун-та, 1985. 214 с.
- Баранов JI. И., Гаманюк В. Б., Усанов Д. А. К вопросу об определении проводимости и диэлектрической проницаемости полупроводников на СВЧ // Радиотехника и электроника. 1972. Т. 17, № 2. С. 426—428.
- Бхар. Исследование полупроводников с помощью СВЧ методов // ТИИЭР. 1963. Т. 51. № п. с. 1597—1605.
- Чэмплин К.С., Армстронг Д. Б. Выражения в явном виде для проводимости и диэлектрической проницаемости объемных полупроводников в волноводе // ТИРИ. 1962. Т. 50, № 2. С. 272—273.
- Нолмс Д.А., ФойхтД.Л. Измерение проводимости и диэлектрической проницаемости полупроводников на СВЧ // ТИИЭР. 1964. Т. 52. № 1. С. 107—108.
- ГаннМ.В. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости полупроводников СВЧ методом // ТИИЭР. 1964. Т. 52. № 2. С. 194.
- Валитов P.A., Сретенский В. Н. Радиотехнические измерения. М.: Сов.радио. 1963. 102 с.
- Ахманаев В.Б., Медведев Ю. В., Петров A.C. Резонатор для бесконтактного измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1981. Выт 4. С. 49—51.
- Павлов JI. В. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: Высш. шк., 1987. 239 с.
- Ковтонюк Н. Ф., Концевой Ю. А. Измерения параметров полупроводниковых материалов. М. 1970, 432 с.
- Б л ад П., Ортон Дж. В. Методы измерения электрических свойств полупроводников. — Зарубежная радиоэлектроника, 1981. ч. I, с. 3—50- ч. 2, № 2, с. 3—49.
- Benedict Т. S., Shockly W. Microwave Observation of the Collision Frequency of Electrons in Germanium. Phys. Rev., 1953, vol. 89, p. 1152— 1153.
- Gabriel G. J., Brodwin M. E. The Solution of Guided Waves in Jnhomogeneous Anisotropic Media by Petru bation and Variational Methods. IEEE Trans., 1965, vol. MTT-13, № 5, p. 364—370.
- Патент РФ 2 262 658 МПК G 01 В 7/06. Способ определения толщины диэлектрического покрытия / Викторов В. А. Опубл. 20. 10.2005. Бюл. 29.
- Патент РФ 2 069 052 МПК G 01 R 29/08, G 01 R 29/12 Способ определения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей радиопоглощающего материала / Ковалев С. В., Нестеров С. М., Скородумов И. А. Опубл. 27.09.2000. Бюл. 27.
- Патент РФ 2 256 168 МПК G 01 N 22/00, G 01 R 27/26. СВЧ способ определения толщины и комплексной, диэлектрической проницаемости диэлектрических покрытий / Федюнин П. А., Дмитриев Д. А., Федоров Н. П. Опубл. 10.07.2005. Бюл. 19.
- Патент РФ 2 012 893 МПК G 01 R 27/26. Измерительная ячейка / Великоцкий В. Н., Двадненко В. Я., Де-Мондерик В.Г., Старшинова Е. И., Чижов В. В., Ярмак И. Н. Заявка № 5 023 918/09. Заявл. 15.07.1991. Опубл. 15.05.1994.
- Чэмплин К. С., Армстронг Д. Б., Гандерсон П. Д. Инерция носителей заряда в полупроводниках. ТИИЭР, т. 52, № 6, с. 720—729.
- Такэтоми К., Кавасаки К. Метод измерения комплексной, диэлектрической постоянной с использованием СВЧ-объемного-резонатора // Гифу коге кото сэмма гаккай кие. 1970. № 3. С. 33—37.
- B. Terselius and В. Ranby, Cavity perturbation measurements of the dielectric properties of vulcanizing rubber and polyethylene compounds // J. Microwave Power, 1978, vol. 13, pp. 327—335.
- A. Parkash, J. K. Vaid, and A. Mansingh, Measurement- of dielectric parameters at microwave frequencies by cavity-perturbation technique // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1979, vol. MTT-27, pp. 791—795.
- Матус JI. Г., Босс С. Б., Риддл А. Н. Настройка и согласование резонатора типа ТМою, с генератором. Приборы для научных исследований, 1983, т. 54, № 12, с. 69—75.
- К. Н. Hong and J. A. Roberts, Microwave properties of liquids and solids using a resonant microwave cavity as a probe // J. Appl. Phys., 1974, vol. 45, pp. 2452—2456.
- S. Li, C. Akyel, and R. G. Bosisio, Precise calculations and measurements on the complex dielectric constant of lossy materials using TM010 cavity perturbation techniques // IEEE Trans. Microwave Theory Tech, 1981, vol. MTT-29, pp. 1041—1048.
- R. J. Cook, J. Chamberlain and G. W. Chantry, Microwave cavity methods in High Frequency Dielectric Measurement // Conf. Proc., March1972, Eds. Guildford, U.K.: IPC Science and Technology Press, 1973, pp. 12—27.
- Хиппель А. Р. Диэлектрики и их применение. М.- Д.: Госэнергоиздат, 1959, 336 с.
- J. R. Birch and R. N. Clarke, Dielectric and optical measurements from 30 to 1000 CHz // Radio Electron. Eng., 1982, vol. 52, no. 11/12, pp. 566— 584, Nov./Dec.
- Двинских В.А., ДувингВ.Г., Усанов Д. А. Полупроводниковый генератор для измерения диэлектрической проницаемости материалов на СВЧ // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1978. № 8. С. 100—102.
- Microwave Electronics. Measurement and Materials Caracterization / L.F. Chen, C.K. Ong, C.P. Neo, V.V. Varadan, V.K. Varadan // John Wiley & Sons Ltd. The Atrium, Sousethern Gate, Chichester, West Sussex, England, 2004. 538 p.
- Hinojosa, J. Faucon, L. Queffelec, P. and Huret, F., S-paramcter broadband measurements of microstrip lines and extraction of the substrate intrinsic properties // Microwave and Optical Technology Letters. 2001. vol. 30, N. l, pp. 65—69.
- Hinojosa, J., S-parameter broad-band measurements on-microstrip and fast extraction of the substrate intrinsic properties // IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2001, vol. 11, N. 7, pp. 305—307.
- Queffelec, P. Gelin, P. Gieraltowski, J. and Loaec, J., A microstrip device for the broad band simultaneous measurement of complex permeability andpermittivity I I IEEE Transactions on Magnetics, 1994, vol. 30, N. 2, pp. 224—231.
- Queffelec, P. Le Floc’h, M. and Gelin, P. Broad-band characterization of magnetic and dielectric thin films using a microstrip line // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1998, vol. 47, N. 4, pp. 956—963.
- Rudy, D. A. Mendelsohn, J. P. and Muniz, P. J. Measurement of RF dielectric properties with series resonant microstrip elements // Microwave Journal, 1998. vol. 41, N. 3, pp. 22—41.
- Hammerstad, E. and Jensen, O. Accurate models for microstrip computer-aided design // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 1980, pp. 407—409.
- Carroll, J. Li, M. and Chang, K. New technique to measure transmission line attenuation // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1995, vol. 43, N. 1, pp. 219—222.
- Amey, D. I. and Horowitz, S. J. Tests characterize high-frequency material properties // Microwave & RE, 1997. vol. 36, N. 8, pp. 68—80.
- Belyaev, B. A. Leksikov, A. A. and Tyurnev, V. V. Microstrip technique for measuring microwave dielectric constant of solids // Instruments and Experimental Techniques, 1995, vol. 38, N. 5, pp. 646—650.
- Belyaev, B. A. Leksikov, A. A. Tyurnev, V. V. and Shikhov, Y. G. A microstrip sensor for measuring microwave dielectric constants of solids // Instruments and Experimental Techniques. 1997, vol. 40, N. 3, pp. 395— 398.
- Row J. S., Chen, R. H., Microwaves, Reconfigurable slot-coupled microstrip antenna with polarisation diversity // Antennas & Propagation. 2007. Vol. 1 Issue: 3. P. 798—802
- Купцов Е. И., Лебедев И. В., Петлевой микрополосковый СВЧ-выключатель // Изв. вузов GGGP.Cep. Радиоэлектроника. — 1984. — Т. 27, № 12. — С. 82—84.
- Nemai Chandra Karmakar, and Mohammad Nurunnabi Mollah Investigations Into Nonuniform Photonic-Bandgap Microstripline Low-Pass Filters // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, VOL. 51, NO. 2, february 2003, p. 564—572.
- Sung-Il Kim, Mi-Young Jang, Chul-Sik Kee, Ikmo Park, H- Lim, Characteristics of microwave filters based on microstrip photonic bandgap ring structures // Current Applied Physics, 2005, N. 5, pp. 619—624
- Chul-Sik Kee, Mi-Young Jang, Sung-Il Kim, Ikmo Park, and H. Lim, Tuning and widening of stop bands of microstrip photonic band gap ring structures // Applied Physics, Letters, 2005, vol. 86, 181 109
- Гроссе П. Свободные электроны в твердых телах. М.: Мир, 1982. 270 с.
- Усанов Д.А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С. Резонансное отражение электромагнитного излучения от структур с нанометровыми металлическими слоями // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2006, Том 9, № 3, с. 59—63.
- Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов А. С. Изменение типа резонансного отражения электромагнитного излучения в структурах нанометровая металлическая пленка — диэлектрик // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 3, вып. 2, с. 13—22.
- Малорацкий Л.Г., Явич JI.P. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. М.: Сов. радио. 1972. 232 с.
- Б. А. Беляев, Н. А., Дрокин, А. А. Лексиков, Исследование1 материалов на сверхвысоких частотах микрополосковыми датчиками // Известия вузов. Физика. 2006. № 9. С. 45—53
- Б. А. Беляев, А. С. Волошин, В. Ф. Шабанов. Исследование микрополосковых моделей полосно-пропускающих фильтров на одномерных фотонных кристаллах // Доклады Академии- Наук, 2005, том 400, № 2, с. 181—185
- Yablonovitch Е., Gimitter Т.J., Meade R.D. Donor and acceptor modes in photonic band structure // Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 67, N. 24. P. 3380— 3383.
- Kuriazidou C.A., Contopanagos H.F., Alexopolos N.G. Monolithic waveguide filters using printed photonic-bandgap materials // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. 2001. V. 49. N. 2. P. 297—306.
- 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.
- Гуляев Ю.В., Никитов С. А. Фотонные и магнитофотонные кристаллы новая среда для передачи информации // Радиотехника. 2003. № 8. С. 26—30.
- 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.
- Yablonovitch E., Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics // Phys. Rev. Lett., vol. 58, no. 20, pp. 2059—2062, 1987.
- Andrew L. Reynolds, Ulf Peschel, Falk Lederer, Peter John Roberts, Thomas-F. Krauss, and Peter J. I. de Maagt, Coupled Defects in Photonic Crystals // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 49, No. 10, October 2001, P. 1860—1867
- Б. А. Беляев, А. С. Волошин, В. Ф. Шабанов, Исследование добротности резонанса примесной моды в микрополосковой моделиодномерного фотонного кристалла // Доклады Академии Наук, 2005, том 403, № 3, с. 319—324
- Д. А. Усанов, А. В- Скрипаль, А. В. Абрамов- А. С. Боголюбов, В. С. Скворцов, Mi К. Мерданов, Волноводные фотонные кристаллы с характеристиками-, управляемыми p-i-n-диодами // Изв. вузов: Электроника. — 2010. — № 1. С. 24—29.
- Б. А. Беляев, A. M. Сержантов исследование коэффициентов связи резонаторов в микрополосковош модели одномерной сверхрешетки // Радиотехника и электроника, 2005. том 50, № 8, с. 91.0-—917
- Hsien-Shun Wu, Ching-Kuang C. Tzuang Miniaturized High-Gain Synthetic Rectangular Waveguide Antenna of Near-Omnidirectional Radiation Pattern // 34th European Microwave Conference Amsterdam, 2004, p. 1189—1192.
- A. Ziroff, M. Nalezinski, W. Menzel, Improved Performance of Flip Chip assembled MMIC Amplifiers on LTCC using a Photonic Bandgap Structure // Proc. of 34th European Microwave Conference. Amsterdam, Netherlands. 12—14th October 2004. Vol. 2. P. 93—96.
- Усанов Д.А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А.С.,
- Усанов Д.А.,. Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов A.C., Куликов М.ІО. Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов / Известия вузов. Электроника., 2008. № 5. С. 25—32.
- 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
- Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Куликов М. Ю. Микрополосковый р-i-n-диодный СВЧ-выключатель // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2011. Т. 54, № 4. С. 51—54.
- Акиба С., Утака К. Динамические одночастотные полупроводниковые лазеры. — М.: Мир, 1989:
- Harry Contopanagos, Nicolaos G. Alexopoulos, and Eli Yablonovitch High-Radio-Frequency Structures Using One-Dimensionally Periodic. Metallic Films // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, VOL. 46, NO. 9, September 1998, p. 1310—1312.
- Б. А. Беляев, А. С. Волошин, В. Ф. Шабанов. Исследование микрополосковых моделей полосно-пропускающих фильтров на сверхрешетках // Доклады Академии Наук, 2004, том 395, № 6, с. 756— 760.
- Б. А. Беляев, С. А. Ходенков, В. Ф. Шабанов, Исследование полосно-пропускающих фильтров на одномерных диэлектрических фотонных кристаллах // Известия высш. учеб. заведений. Физика. 2008. Т. 51, С. 150—153.
- H.B. Бритун, В. В. Данилов, Электронное управление параметрами структур с фотонной запрещенной зоной // Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып. 7, с. 27—32.
- Md. Nurunnabi Mollaha, Nemai С. Karmakar, Jeffrey S. Fu, Uniform circular photonic bandgap structures (PBGSs) for harmonic suppression of a bandpass filter // International Journal of Electronics and Communications (AEU), vol. 62, 2008, p. 717—724.
- Jodie M. Bell, and Magdy F. Iskander, Experimental Analysis of an Ultrawideband Hybrid EBG/Ferrite Ground Plane // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, VOL. 58, NO. 8, august 2009, p. 2899— 2905.
- T. K. Ishii, Handbook of Microwave Technology // San Diego, CA: Academic Press, vol. 1, 1995, 691 p.
- 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.
- Chang T. K., LangleyR. J., Parker E. A, Active frequency selective surfaces // IEE Proc. H. — 1996. — Vol. 143. — P. 62—66.
- 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— 31st October 2008. — 2008. — P. 258—261.
- 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.
- Reiter G., Beres V. A pin-diode switch with high isolation and low loss // Proc. 6th Colloq. Microwave Commun. — Budapest, 1978. — P. IV — 6/40.4.
- ВайсблатА. В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах // М.: Радио и связь, 1987. — 120 с.
- Karl D. Stephan, Frank Н. Spooner, and Paul F. Goldsmith. Quasioptical Millimeter-Wave Hybrid and Monolithic PIN Diode Switches // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 41, no. 10, Oct. 1993, pp. 1791—1798