НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"
ТАТАРЧУК ДМИТРО ДМИТРОВИЧ
УДК 621.372.413
КОМБІНОВАНІ СТРУКТУРИ НВЧ
З ДІЕЛЕКТРИЧНИМ РЕЗОНАНСОМ ЕТИПУ
05.27.01 твердотільна електроніка
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі мікроелектроніки Національного технічного університету України "КПІ" Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник : | кандидат технічних наук, доцент
Молчанов Віталій Іванович,
Національний технічний університет України "КПІ",
доцент кафедри мікроелектроніки.
Офіційні опоненти : |
доктор технічних наук
Лошицький Павло Павлович,
Національний технічний університет України "КПІ",
професор кафедри біомедичної електроніки
кандидат технічних наук
Наритник Теодор Миколайович,
інститут електроніки та зв'язку, директор
Провідна установа : |
ВАТ Науково-виробниче підприємство "Сатурн" Міністерства промислової політики України /м. Київ/
Захист відбудеться "29" січня 2001 р. о 15 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.08 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут " за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги , 37, навчальний корпус № 12 , ауд. 114 .
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою : 03056, м. Київ, проспект Перемоги,37.
Автореферат розіслано "20 " грудня 2000 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради к.т.н., професор |
Писаренко Л.Д.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність проблеми. Швидкий розвиток інформаційних технологій призвів до виникнення всесвітньої інформаційної мережі, що охоплює весь світ. Надійність і ефективність функціонування такої глобальної мережі значною мірою залежить від якості засобів зв'язку, що, в свою чергу, призводить до необхідності розробки нового більш ефективного і дешевого телекомунікаційного обладнання. До важливих вузлів такого обладнання відносяться різноманітні резонансні пристрої НВЧ. Вони використовуються у панорамних приймачах, антенних решітках, базових станціях щільникових телефонів і т.д.
Проведені нами дослідження показали, що одним з перспективних напрямків розвитку в цій області є використання напівпровідникових комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу (ТМ- типу).
Відомо, що напівпровідникові матеріали, наприклад кремній (Si) або арсенід галію (GaAs), у області НВЧ мають низькі діелектричні втрати, порівняні з втратами у кращих діелектричних матеріалах, що використовуються для виготовлення діелектричних резонаторів (ДР), і в той же час досить високі проникності для збудження діелектричного резонансу. Крім того, оскільки граничні умови для збудження резонансу Е- типу забезпечуються досить просто (нанесенням металу заданої конфігурації на поверхню резонатора), видається реальною можливість створення в монолітному виконанні схем, що поєднують резонансні діелектричні і активні напівпровідникові прилади. При цьому існує принципова можливість електронного керування характеристиками таких систем. Вищевказане є прямою вказівкою на новий напрямок побудови селективних приладів НВЧ з електронним керуванням, що, в свою чергу, робить цікавим вивчення таких структур.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи є продовженням наукової діяльності колективу кафедри мікроелектроніки в області пошуку нових підходів до конструювання мікроелектронних приладів НВЧ з метою поліпшення їх характеристик. Так результати отримані автором дисертаційної роботи були використані при виконанні двох держбюджетних робіт, а саме "Мікроелектронні керуючі пристрої на основі діелектричних резонансних елементів" (номер державної реєстрації 0196U005323) та "Дослідження властивостей смужкових фільтрів з керованою зміною частоти на основі актюаторів, інтегрованих з діелектричними резонаторами" (номер державної реєстрації 0100U000624). Планується подальше використання результатів отриманих в дисертаційній роботі при розробці нових конструкцій резонансних НВЧ приладів з керованими характеристиками , а також для фундаментальних досліджень .
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка нового класу керованих селективних пристроїв НВЧ на основі комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу.
Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати ряд задач, основними з яких являються:
·
розробка теорії комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу;
·
розробка принципів керування параметрами таких структур;
·
розробка електродинамічних моделей , які дають змогу шляхом чисельного експерименту обирати оптимальні конструкції керованих елементів такого типу та пристроїв на їх основі;
·
розробка та дослідження конструкцій керованих селективних пристроїв, що дають змогу керувати резонансною частотою в широкому діапазоні частот при збереженні високої добротності;
·
дослідження напівпровідникових комбінованих структур НВЧ та розробка на їх основі резонансних пристроїв з метою інтеграції активних та пасивних компонентів.
Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження є пристрої НВЧ, що містять комбіновані структури з діелектричним резонансом Е- типу. Предметом дослідження є електродинамічні властивості і характеристики цих структур.
Методи досліджень. Методи аналізу і синтезу НВЧ- пристроїв, обчислювальні методи електродинаміки, методи вирішення математичних задач на ЕОМ, аналітичне і натурне моделювання.
Наукова новизна роботи полягає в слідуючому :
? вперше встановлено, що введення подовжнього включення в однорідну структуру з діелектричним резонансом Е- типу дозволяє керувати НВЧ характеристиками отриманої комбінованої структури шляхом зміни електрофізичних та геометричних параметрів включення;
? вперше встановлено, що в міліметровому діапазоні довжин хвиль ряд напівпровідникових структур виявляє властивості високодобротного діелектричного резонатора Е-типу, що є посилкою для створення на їх основі селективних керованих пристроїв НВЧ в інтегральному виконанні.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:
·
розроблено та експериментально перевірено електродинамічні моделі комбінованих структур з діелектричним резонансом Е-типу, на основі яких запропоновано методи керування їх резонансними частотами, підвищення їх власної добротності та покращення їх температурних властивостей;
·
розроблено рекомендації по практичному застосуванню діелектричних та напівпровідникових комбінованих структур такого типу в техніці НВЧ;
·
розроблено комплекс алгоритмів і машинних програм розрахунку основних характеристик цих структур, що дозволяє автоматизувати розрахунок пристроїв на їх основі;
·
створено конструкції фільтрів сантиметрового діапазону, здатних перестроювати резонансні частоти більше ніж на 30 % при збереженні високої добротності;
·
на основі напівпровідникових структур розроблено ряд селективних керованих приладів НВЧ міліметрового діапазону;
·
в роботі розроблено метод вимірювання НВЧ параметрів матеріалів, що може бути використаний для вивчення НВЧ властивостей діелектриків, а також для технологічного контролю електрофізичних та геометричних параметрів при виготовленні багатошарових діелектричних та напівпровідникових структур.
Результати роботи є теоретичною та експериментальною основою для розробки промислових керованих селективних пристроїв НВЧ різного призначення і уже використані при виконанні двох держбюджетних робіт , а також на підприємствах МЕП ;
Електродинамічні моделі, а також чисельні й експериментальні результати дослідження, отримані при виконанні дисертаційної роботи, можуть бути використані для подальших теоретичних досліджень фундаментального характеру.
Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі узагальнено результати досліджень, які зроблено особисто здобувачем та спільно з Пашковим В.М. і Прокопенко Ю.В. під керівництвом Молчанова В.І.
Особисто здобувачем зроблено:
? уточнення теорії резонансу Е-типу при визначених граничних умовах;
? створення електродинамічних моделей структур з діелектричним резонансом Е- типу та програм для розрахунку їх характеристик;
? розробка конструкцій керованих селективних пристроїв НВЧ на основі комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу;
·
проведення експериментальних досліджень, що становлять основу дисертації;
·
розробка теоретичних засад і рекомендацій по створенню практичних конструкцій пристроїв НВЧ на основі комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу.
Апробація роботи. Основні результати дисертації доповідалися й обговорювалися на міжнародному науковому симпозіумі ISAF ,США, 1996 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми фізичної та біомедичної електроніки", Київ, 1997 р.; Міжнародній науково-технічній конференції з питань безпровідного зв'язку, США , 1997 р. ; 27-й Європейській конференції з питань НВЧ,1997 р.
Публікації. Основний зміст роботи відображено в 7 публікаціях у центральних виданнях і працях міжнародних конференцій.
Структура й об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу 4 розділів із висновками, загального висновку та додатків викладених на 167 сторінках машинописного тексту, списку літератури з 107 найменувань вітчизняної і закордонної літератури на 13 сторінках . Робота містить 37 рисунків, 46 таблиць .
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
В першому розділі виконано аналіз стану проблеми створення ефективних керованих пристроїв НВЧ, розглянуто основні принципи створення сучасних НВЧ систем з керованими характеристиками та особливості їх експлуатації.
Результати дослідження підтвердили той факт, що бурхлива інформатизація суспільства, все більше впровадження засобів зв'язку у повсякденне життя призводить до необхідності опанування нових частотних діапазонів, створення нових засобів зв'язку з більш широкими функціональними можливостями, що потребує пошуку нових рішень у сфері створення засобів зв'язку.
Аналіз результатів дослідження показав, що одним з перспективних шляхів розв'язку цієї проблеми може стати використання діелектричних та напівпровідникових комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу, які завдяки особливостям розподілу поля в таких структурах мають ряд корисних властивостей, а саме:
·
менші габарити та масу порівняно з Н- структурами;
·
вони легко узгоджуються з НВЧ лініями передачі; мають більш розріджений спектр порівняно з аналогічними Н- структурами;
·
впливаючи на Е- складову поля таких структур легко здійснити ефективне керування їх резонансною частотою.
Особливу цікавість при цьому викликають напівпровідникові комбіновані структури такого типу. Відомо, що напівпровідникові матеріали, наприклад кремній (Si) або арсенід галію (GaAs), у області НВЧ мають низькі діелектричні втрати, порівняні з втратами у кращих діелектричних матеріалах, що використовуються для виготовлення діелектричних резонаторів (ДР), і в той же час досить високі проникності для збудження діелектричного резонансу. Крім того, оскільки межові умови для збудження резонансу Е- типу забезпечуються досить просто (нанесенням металу заданої конфігурації на поверхню резонатора), видається реальною можливість створення в монолітному виконанні схем, що поєднують резонансні діелектричні і активні напівпровідникові прилади. При цьому існує принципова можливість електронного керування характеристиками таких систем. Вищевказане є прямою вказівкою на новий напрямок побудови селективних приладів НВЧ з електронним керуванням, що, в свою чергу, робить цікавим вивчення таких структур.
Це спонукало до проведення додаткових досліджень, які показали, що НВЧ характеристики комбінованих структур такого типу суттєво залежать від електрофізичних та геометричних параметрів областей комбінованих структур, тому у другому розділі було зосереджено увагу на розв'язку задачі про власні коливання таких систем і створенні точних математичних моделей, які давали б змогу проектувати на їх основі прилади з заданими характеристиками. Наявність таких моделей необхідна з одного боку для розуміння процесів, що відбуваються в даних структурах, а з другого боку для розрахунку і оптимізації їх характеристик.
Відомо, що для того, щоб отримати суттєве перестроювання частот резонансної структури, необхідно внести сильне збурення в поле цієї структури. Виходячи з розподілу полів в таких структурах (рис.1) таке збурення можна внести за допомогою введення до складу резонансної структури з Е- типом коливань подовжнього включення.
При цьому лінії електричного поля будуть максимально збурені , що призведе до зміни резонансної частоти всієї структури. Таким чином впливаючи на параметри діелектричного включення можна суттєво впливати на характеристики всієї структури в цілому. Виходячи з цього було розглянуто резонансну структуру, що складається з двох шарів із різними електрофізичними характеристиками (рис.2) - основної області (товщиною g з діелектричною проникністю 1) та області включення (товщиною h з діелектричною проникністю 2). Це дозволило побудувати просту модель, яка може бути легко узагальнена на системи з будь-якою кількістю шарів з різними електрофізичними властивостями.
Крім того було враховано той факт, що, внаслідок високої симетрії прямокутних і циліндричних коливальних систем, в них можливе незалежне існування симетричних Н- та Е- типів коливань, які відрізняються поляризацією полів. Тому для збудження потрібного типу коливань необхідно задати жорсткі умови на межах резонансної системи , які забезпечили б збудження необхідного типу коливань. У випадку полів Е- типу такі умови можна реалізувати шляхом нанесення на торцеві поверхні резонансної системи металу, що реалізує умови електричної стінки. Ці умови у поєднанні з реалізацією слабкого зв'язку діелектричного резонатора з лінією дозволяють створити умови для явного збудження коливань Е- типу. Тому такі металічні стінки було введено в розглядувану модель (рис.2). Однак точне врахування таких стінок досить складне, тому при моделюванні для спрощення вважалося, що резонансна структура знаходиться між двома паралельними нескінченими металічними площинами.
Розв'язок такої задачі пов'язаний із знаходженням власних значень та власних функцій однорідного рівняння Гельмгольця (1) при умовах на межах розділу областей з різними електрофізичними властивостями (2) та умові Зоммерфельда на нескінченності).
де відповідно електричний та магнітний вектори Герця, - модуль хвильового вектора.
де - поверхневі густини заряду та току, -вектор нормалі до поверхні розділу середовищ.
де відповідно 1 для тривимірного і 0. 5 для двовимірного випадку розглядуваної задачі, -радіус-вектор точки у, у якій спостерігається поле.
При цьому власні значення визначають резонансні частоти, а власні функції описують електромагнітні поля відповідних типів коливань.
На основі співвідношень (1-3) за допомогою методу Бубнова-Гальоркіна, а також умови існування нетривіального розв'язку однорідної лінійної системи було побудовано систему рівнянь. Ця система була доповнена дисперсійними рівняннями (4) і була розв'язана чисельно з використанням ЕОМ.
де - номер діелектричної області резонатора, - хвильові числа.
Для перевірки точності моделі було проведено експериментальне і розрахункове дослідження даних структур. При цьому, оскільки і в напівпровідникових і в діелектричних матеріалах діелектричний резонанс збуджується аналогічним чином, мало сенс моделювання та експеримент провести на діелектричних матеріалах з високою добротністю в сантиметровому діапазоні довжин хвиль, оскільки на цих матеріалах в сантиметровому діапазоні простіше відтворити геометричні розміри системи з високою точністю, їх електрофізичні параметри можуть бути точно виміряні відомими методами при порівняно невеликих матеріальних затратах. В ролі подовжньої неоднорідності було використано повітряний зазор, ширина якого (h) в ході експериментальних досліджень змінювалася за допомогою мікрометричного гвинта. Це дозволило провести дослідження резонансних частот та добротності в широкому діапазоні зміни товщини повітряного зазору. Слід відзначити , що результати розрахунку добре узгоджуються з експериментальними даними. На рис.3 наведено залежність резонансної частоти від величини повітряного зазору для різних відношень товщини основної області до радіуса резонансної структури g/R при діелектричній проникності основної області . Різниця між розрахунковими і експериментальними значеннями не перевищувала 3% для циліндричних та 5% для прямокутних зразків у всьому діапазоні вимірювань.
Отримані результати дозволяють зробити висновок, що власні частоти цих структур істотно залежать від геометричних та електрофізичних параметрів подовжнього діелектричного включення при малих його розмірах у порівнянні з габаритним поперечним розміром резонатора, що може бути використане для керування резонансною частотою. Ефективність перестроювання резонансної частоти Е- типів коливань при керуванні величиною повітряного включення збільшується із зменшенням відношення товщини основної області резонатора до поперечного розміру резонатора. При цьому відносне перестроювання частоти може бути досить значним, що робить можливим побудову на їх основі фільтрів з керованими характеристиками.
Так для зразків із кераміки з на частотах порядку 4 ГГц було отримано перестроювання частот більш ніж на 30 % при зміні ширини повітряного зазору від нуля до сотень мікрон.
Розрахунок показує, що для кремнієвого зразка товщиною порядку 250 мікрон. в міліметровому діапазоні довжин хвиль може бути реалізоване перестроювання резонансної частоти порядку 2.5% при зміні величини зазору від 0 до 10 мікрон, що створює принципову можливість використання для керування частотою MEMS- структур, які можуть бути виготовлені за інтегральною технологією.
Однією з важливих характеристик будь-якої коливальної системи, яка значною мірою впливає на можливість її практичного використання являється добротність системи. При цьому відомо, що добротність комбінованої системи складним чином залежить від геометричних і електрофізичних властивостей областей цієї структури, тому у третьому розділі основну увагу було зосереджено на побудові методів розрахунку добротності таких структур.
Для розрахунку добротності структура з діелектричним резонансом Е- типу була розглянута як розподілена коливальна система з втратами. Основними видами втрат в такій структурі являються дисипативні втрати (), що чисельно відображають необоротне перетворення енергії електромагнітного поля в енергію коливань решітки, втрати на випромінення, втрати в металічних поверхнях (), а також втрати на поверхнях розділу областей та втрати на оточуючих елементах. Дослідження показали, що при високоякісній обробці поверхонь втратами на поверхнях розділу діелектричних областей можна знехтувати, а при екрануванні зразків можна також не враховувати втрати на випромінювання. При необхідності їх можна визначити відомим способом через поток вектора Пойнтінга. Тому основну увагу при дослідженні добротності було зосереджено на вивченні втрат в металі та дисипативних втрат. Для випадку екранованих систем сумарні втрати визначались як сума втрат цих двох видів ,
де - сумарні втрати в структурі з діелектричним резонансом Е- типу , та відповідно дисипативні втрати в діелектричних областях та втрати в металі., -резонансна частота , - товщина скін-слою, - об'єм структури, - площа металу.
Для перевірки розробленої моделі було проведено експериментальне дослідження зразків з високодобротної кераміки в сантиметрових діапазонах частот. В усіх випадках різниця між експериментальними і розрахунковими даними не перевищувала похибки вимірювань. На рис.4 наведено залежність добротності нижчого Е01 - типу коливань від величини повітряного зазору для різних відношень товщини основної області до радіуса резонансної структури g/R при діелектричній проникності основної області . В діапазоні 4 ГГц було отримано добротність , що перевищувала 1000. В той же час для напівпровідникових матеріалів (Si, GaAs) в міліметровому діапазоні довжин хвиль було отримано добротність кілька сотень, що є досить обнадійливим.
Із аналізу отриманих залежностей можна зробити висновок, що при умові, коли тангенс кута діелектричних втрат неоднорідності значно менший ніж тангенс кута діелектричних втрат основної області, добротність системи зростає при збільшенні товщини неоднорідності (h). Ця залежність тим сильніша, чим менший тангенс кута діелектричних втрат неоднорідності. Крім того добротність збільшується при збільшенні відношення товщини основної області структури (g) до поперечних розмірів структури, а також при збільшенні провідності металу.
Проведені дослідження показали, що у сантиметровому діапазоні довжин хвиль можна отримувати керовані структури з діелектричним резонансом Е- типу, у яких добротність більше 1000 при відносному перестроюванні частот більше ніж 30%.
Вищевказані властивості комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу роблять можливим їх використання для створення пристроїв НВЧ.
У четвертому розділі досліджено можливість практичного використання комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу для створення нового класу керованих селективних пристроїв НВЧ.
Використовуючи результати отримані у попередніх розділах було розроблено ряд конструкцій фільтрів з електромеханічним керуванням резонансною частотою на основі мікропозиціонерів біморфної консольної (БК), біморфної балочної (ББ) та пакетної (П) структури. В ролі резонансних елементів було використано комбіновані структури Е- типу прямокутної (Пр) та циліндричної (Ц) форми, виготовлені з високодобротної кераміки. Всі запропоновані конструкції фільтрів досліджені експериментально результати досліджень зведено у таблицю 1.
З таблиці видно, що використання комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу дозволило реалізувати перестроювання резонансних більше ніж на 30%. При цьому добротність зберігала досить високе значення, що в сантиметровому діапазоні довжин хвиль перевищувало 1000.
На основі мікропозиціонера БК структури було реалізовано хвилеводний фазообертач відбивного типу сантиметрового діапазону. При цьому отримано зсув фаз 360 при зміні керуючої напруги від 0 до 160 В. Теоретичну залежність зсуву фаз від керуючої напруги для такого фазообертача наведено на рис.5.
Як видно з наведених результатів на основі таких структур можна створювати різноманітні конструкції фільтрів та фазообертачів з електромеханічним керуванням.
Таблиця 4.1.
Результати експериментального дослідження різних конструкцій фільтрів з п'єзоелектричним керуванням.
Тип структури | 1 | f0 ,
ГГц | f ,
ГГц | h ,
мкм | Тип мікро-пози-ціонера | Розміри пьезоеле-мента , мм | U , В
Пр | 80 | 3.5 | 1.2 | 250 | БК | 5061 | 100
Ц | 80 | 3.5 | 1.2 | 250 | ББ | 8061 | 120
Ц | 40 | 4.4 | 1.1 | 250 | БК | 5061 | 100
Ц | 40 | 4.4 | 1.1 | 250 | ББ | 8061 | 120
Пр | 80 | 9 | 2.8 | 150 | БК | 4050.5 | 70
Ц | 40 | 38 | 12 | 60 | ББ | 2050.5 | 140
Ц | 40 | 38 | 0.9 | 2 | П | 5520, N=90 | 150
Пр | 40 | 60 | 19 | 25 | ББ | 2050.5 | 50
Пр | 40 | 60 | 3.2 | 2 | П | 5520, N=90 | 150
Всі конструкції мають характеристики прийнятні для практичного застосування, які в ряді випадків переважають характеристики відомих аналогів (перестроювання частот більше 30%).
Останнім часом значна увага приділяється проблемі створення пристроїв мілі-метрового діапазону.
Дослідження показали , що p-i-n - діоди при певних розмірах в міліметровому діапазоні довжин хвиль є типовими структурами з резонансом Е- типу, АЧХ яких залежить від величини струму, що пропускається через нього. На рис.6 наведена залежність АЧХ кремнієвого p-i-n - діоду квадратної форми (1,31,3 мм2) від прямого струму. Коли струм перевищує певну критичну величину діод втрачає свої резонансні властивості.
Зважаючи на вищесказане видавалася перспективною спроба використання таких напівпровідникових структур для створення практичних конструкцій резонансних пристроїв НВЧ з електронним керуванням. Тому нами було розроблено і експериментально досліджено конструкції смугозатримуючих (рис.7) та смугопропускаючих (рис.8) фільтрів з дискретним перемиканням діапазонів, а також конструкцію фазообертача з електричним керуванням.
При цьому суттєвим є те, що використовуються діелектричні резонансні властивості p-i-n - діоду , що дозволяє реалізувати фазообертачі з неперервним керуванням фазою на відміну від традиційних конструкцій на основі p-i-n - діодів з дискретним керуванням фазою.
Так при реалізації однорезонаторного фазообертача відбивного типу на основі хвилеводно-щільової лінії вдалось отримати зсув фази на 145 (рис.9). Більший зсув фази можна отримати, використовуючи кілька p-i-n - діодів.
При використанні резонансних структур суттєвим є питання їх термостабільності. Термостабільність комбінованих резонансних структур за аналогією з іншими резонансними елементами можна кількісно характеризувати температурними коефіцієнтами резонансної частоти та власної добротності .
Вирази для їх обчислення можуть бути отримані з виразу для повної похідної резонансної частоти та добротності по температурі. Для двошарової комбінованої структури з Е- типом коливань вони мають вигляд
де - температурний коефіцієнт параметра ;
- чутливість величини до зміни параметру ;
, - чутливості резонансної частоти до зміни лінійних розмірів основної області та області включення.
Чутливості визначаються чутливостями резонансної частоти до зміни геометричних розмірів основної області комбінованої структури з діелектричним резонансом Е- типу і може бути обчислена з виразів наведених нижче:
для прямокутної структури
для циліндричної структури
Наведені вирази дозволяють досить просто провести оцінку зміщення резонансної частоти і власної добротності комбінованої структури при зміні температури навколишнього середовища за відомими значеннями матеріалів із яких він виготовлений.
Чутливості резонансної частоти до зміни відповідних параметрів комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу можуть бути знайдені шляхом чисельного диференціювання раніше отриманих залежностей для власних частот та добротностей цих структур від їх параметрів.
З виразів 5-6 видно, що та залежать як від електрофізичних так і від геометричних параметрів складових частин комбінованих структур. Це дає змогу знаходити для заданих матеріалів оптимальну конструкцію резонансної структури так, щоб і мали оптимальне значення , необхідне для практичних задач.
Таким чином, використання комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу дозволяє вирішувати як задачі мінімізації температурного коефіцієнта частоти резонатора , так і виготовлення структур з заданим значенням , що важливо для комплексного розв'язку проблеми термокомпенсації складних НВЧ- схем.
Відомо, що властивості напівпровідникових матеріалів суттєво залежать від температури, що зважаючи на вирази 5-6 може негативно вплинути на температурні властивості напівпровідникових структур з Е- типом коливань, тому було важливо експериментально дослідити температурні властивості таких структур.
Проведені експериментальні дослідження показали, що в робочому діапазоні температур параметри цих структур слабо залежать від температури (рис.10) і тому ці структури можуть бути використані для створення практичних конструкцій керованих приладів НВЧ.
Із залежності основних характеристик комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу від параметрів матеріалів, що входять до їх складу випливає можливість використання цих структур для вимірювання НВЧ параметрів діелектричних матеріалів. Маючи точні моделі цих структур можна за виміряними значеннями частоти, добротності та геометричними розмірами системи визначати діелектричну проникність та тангенс кута діелектричних втрат НВЧ матеріалів.
Проведені дослідження показали, що на основі комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу може бути розроблений метод вимірювання , що дозволить забезпечити точність вимірювання не гірше кількох процентів для діелектричної проникності та кількох десятків процентів для тангенса кута діелектричних втрат.
ВИСНОВКИ
Створення нового класу ефективних керованих селективних пристроїв НВЧ є актуальною науково-технічною задачею. Одним з перспективних шляхів розв'язку цієї задачі є використання комбінованих структур з діелектричним резонансом Е-типу. Внаслідок теоретичних та експериментальних досліджень проведених в роботі виявлено, що:
1. Введення подовжнього включення в однорідну резонансну структуру Е- типу суттєво змінює резонансні властивості цієї структури.
2. Впливаючи на електрофізичні властивості подовжнього включення можна керувати НВЧ характеристиками комбінованих структур з діелектричним резонансом Е-типу.
3. Використання подовжніх включень з високодобротних матеріалів дозволяє покращити на десятки відсотків добротність комбінованих структур з діелектричним резонансом Е-типу, а також інших резонансних систем із подібним розподілом полів.
4. Керування геометричними розмірами подовжнього включення дозволяє створити резонансні структури з більш ніж 30% перестроюванням частоти при збереженні високої добротності в сантиметровому діапазоні довжин хвиль .
5. Напівпровідникові структури в міліметровому діапазоні довжин хвиль є резонансними системами Е-типу з електронним перестроюванням частоти.
6. Резонансні структури на арсенід-галієвих p-i-n-діодах дозволяють реалізувати електронне перестроювання частоти більш ніж на 1,5%.
На основі теоретичного дослідження таких структур розроблені електродинамічні моделі комбінованих структур з діелектричним резонансом Е-типу, які враховують вплив подовжнього включення на параметри цих структур, що дає змогу оптимізувати характеристики таких структур та пристроїв на їх основі.
Отримані результати є посилкою до створення нового класу селективних керованих пристроїв пристроїв НВЧ на основі комбінованих структур НВЧ з діелектричним резонансом Е-типу.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Д.Д.Татарчук, В.И.Молчанов, Ю.В.Прокопенко. СВЧ фильтры на основе диэлектрических резонаторов с перестраиваемыми характеристиками // Электроника и связь. -1997.- №2.- С.441-446.
2.
Д. Д. Татарчук Добротность составных диэлектрических резонаторов с Е- типом колебаний // Электроника и связь.-1998.- №5.- С.117-119.
3.
Д. Татарчук, В. И. Молчанов, Ю. В. Прокопенко Решение электродинамической задачи о собственных частотах составных диэлектрических резонаторов с Е- типом колебаний // Электроника и связь .-1998.- №5.- С.123-125.
4.
Д. Татарчук Власні коливання прямокутних комбінованих діелектричних резонаторів з Е - типом коливань // Электроника и связь.-1999.- №7.- С.42-44.
5.
Татарчук Д.Д. Добротність прямокутних комбінованих резонаторів з Е- типом коливань //Наук.вісті НТУУ "КПІ".-2000.-№2.-С.9-12.
6.
Y.M.Poplavko, Y.V.Prokopenko, V.I.Molchanov and D.D.Tatarchuk. Microwave Dielectric Resonator Frequency Control // Proc. International Symp. on Applications of Ferroelectrics. -East Brunswick (USA). -1996. IEEE Catalog number 96CH35948. Vol. I, P.391-393.
7.
Y.Prokopenko, Y.Poplavko, Young Soo Yoo*, V.Molchanov and D.Tatarchuk. Bandpass and Band-Rejection Filters with Electrically Controlled Dielectric Resonators // Proc. Wireless Communication Conference.- Boulder (Colorado). -1997. IEEE Catalog Number 0-7803-4194-5/97. -P. 170-174.
АНОТАЦІЇ
Татарчук Д.Д. Комбіновані структури з діелектричним резонансом Е-типу.-Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка.- Національний технічний університет України "КПІ", Київ, 2000.
Дисертація присвячена питанням розробки електродинамічних моделей комбінованих структур НВЧ з Е- типом коливань та розробки на їх основі нових елементів керованих селективних приладів НВЧ. В дисертації розроблено принципи керування параметрами комбінованих структур з діелектричним резонансом Е- типу, розроблено електродинамічні моделі , що дозволяють обирати оптимальні конструкції комбінованих структур з Е- типом (ТМ- типом) коливань та пристроїв на їх основі, розроблено конструкції цих структур, що можуть перестроюватись в широкому діапазоні частот, досліджено напівпровідникові структури такого типу з метою інтеграції активних та пасивних пристроїв. Розроблено методи вимірювання НВЧ параметрів діелектричних матеріалів на основі комбінованих структур такого типу.
Ключові слова:
Напівпровідникові резонансні структури, фільтри, фазообертачі, діелектричний резонатор.
Татарчук Д.Д. Составные структуры с диэлектрическим резонансом Е-типа.-Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - твердотельная электроника.- Национальный технический университет Украины "КПИ", Киев, 2000.
Диссертации посвящена вопросам разработки электродинамических моделей составных резонансных структур сверх высоких частот (СВЧ) с Е- типом (ТМ -типом) колебаний и создания на их основе новых элементов селективных приборов СВЧ с механическим, электромеханическим и электронным управлением. В диссертации разработаны принципы управления СВЧ характеристиками составных структур с диэлектрическим резонансом Е-типа, показана высокая чувствительность резонансной частоты комбинированных резонансных структур с Е- типом колебаний к изменению геометрических и электрофизических параметров продольной неоднородности, исследована зависимость добротности составных структур с диэлектрическим резонансом Е- типа от параметров продольной неоднородности, показана возможность и предложены способы улучшения (на десятки процентов) добротности таких структур за счет использования продольных включений из высокодобротных материалов. Изучены температурные зависимости основных характеристик полупроводниковых и диэлектрических комбинированных резонансных структур с Е- типом колебаний. Показана возможность получения таких структур с заданными температурными свойствами.
Построены электродинамические модели, позволяющие на основании численного эксперимента производить выбор оптимальных конструкций составных резонансных структур с Е- типом колебаний и управляемых селективных устройств СВЧ на их основе. На основании построенных моделей разработан пакет программ для расчета основных характеристик таких структур с применением средств вычислительной техники.
Разработаны конструкции этих структур , способные перестраиваться в широком диапазоне частот при сохранении высокой добротности. Показана возможность создания нового класса управляемых СВЧ устройств с механическим и электромеханическим управлением на основе диэлектрических комбинированных структур с диэлектрическим резонансом Е- типа. Исследованы возможности пьезоэлектрической перестройки частот диэлектрических резонансных систем с Е- типом колебаний. Предложены конструкции управляемых фильтров и фазовращателей с пьезоэлектрическим управлением, способные перестраиваться в широком диапазоне частот при сохранении высокой добротности.
Исследованы полупроводниковые структуры с диэлектрическим резонансом Е- типа с целью интеграции активных и пассивных устройств. Показана возможность использования известных полупроводниковых приборов ( таких как p-n- диоды, p-i-n- диоды, диоды Шотки и т. д. ) в качестве управляемых резонансных структур с диэлектрическим резонансом Е- типа колебаний в миллиметровом диапазоне длин волн, а также возможность создания на их основе различных резонансных селективных устройств СВЧ с электронным управлением, в том числе в интегральном исполнении. Предложены конструкции фильтров и фазовращателей миллиметрового диапазона с электронным управлением на основе известных полупроводниковых приборов. При этом принципиальным является то, что впервые предложено использовать не только переключающие свойства этих приборов, но и, главное, их диэлектрические резонансные свойства. Все представленные в работе конструкции проверены экспериментально и могут быть использованы при создании практических селективных устройств СВЧ с электронным управлением.
На основании теоретических и экспериментальных зависимостей полученных в работе предложен метод измерения СВЧ параметров диэлектрических материалов с использованием комбинированных структур с диэлектрическим резонансом Е- типа, позволяющий измерять диэлектрические проницаемости с погрешностью не хуже нескольких процентов и тангенс угла диэлектрических потерь с погрешностью не хуже нескольких десятков процентов.
Показано, что на основании теоретических оснований предложенных в работе может быть построен метод измерения толщин тонких пленок.
Ключевые слова:
Полупроводниковые резонансные структуры, фильтры, фазовращатели, диэлектрический резонатор.
Tatarchuk D.D. Composite structures with E- type dielectrical resonance. -Manuscript.
Ph.D. thesises on the speciality 05.27.01 - solid-state electronics.- National technical university of Ukraine "KPI", Kyiv, 2000.
The thesises deals with development of the new electrically controlled microwave selective devices based on the composite structures with E- type dielectric resonance. The electrodynamical models of a number of the composite structures were developed, the principles of the parameters' control for the composite structures were formulated. It allowed to choose the optimal construction of the composite structures and to develop the constructions with the controlled resonance frequency for a wide frequency range.
The semiconductive structures with E- type (TM-type) dielectric resonance were investigated for the reason of the integration of the active and passive devices.
Offered the method of measurement microwave parameters of dielectric materials on the base of such structures.
Keywords:
Semiconductor resonant structures, filters, phase shifters, dielectric resonator.
