Микрополосковые структуры с фотонной запрещенной зоной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микрополосковые структуры с фотонной запрещенной зоной

Введение

В работе авторов В.И. Фесенко, И.А. Сухоиванов, С.Н. Шульга[1] исследована двухсторонняя 1-D микрополосковая структура с фотонной запрещенной зоной. Структура представляет собой микрополосковую линию, с периодически изменяющейся шириной центрального проводника, в нижней пластине, которой вытравлен одномерный периодический ряд круглых отверстий. Представлены спектральные характеристики предложенных микрополосковых фильтров.

Подобно концепции запрещенной энергетической зоны, в физике твердого тела, материалы с фотонной запрещенной зоной (ФЗЗ), или как их еще называют фотонные кристаллы (ФК), дают возможность управлять распространением электромагнитных волн в оптическом и СВЧ диапазонах. В СВЧ диапазоне такие структуры могут быть получены, в частности, с использованием микрополосковых линий (МПЛ).

Микрополосковые структуры с фотонной запрещенной зоной вызывают большой интерес, благодаря их уникальным характеристикам, а также возможностью их широкого применения в микроволновых цепях в качестве фильтров [1] - [8], резонаторов [9], микроволновых антенн [1], [2] и т.д.

На сегодняшний день известно несколько способов изготовления микрополосковых структур c фотонной запрещенной зоной: высверливание периодического ряда отверстий различной формы, в подложке микрополосковой линии [1] - [2]; вытравливание периодического ряда отверстий различной формы, в нижней пластине микрополосковой линии [3] - [6]; вытравливание периодических отверстий определенной формы в центральном проводнике линии [7]; периодическое изменение формы центрального проводника микрополосковой линии без травления отверстий в нижней пластине [8].

Полученные, таким образом, микрополосковые структуры, в определенных частотных диапазонах (эти диапазоны зависят от геометрических и материальных параметров исследуемой структуры), обладают свойствами присущими ФК оптического диапазона - в этих частотных областях невозможно распространение электромагнитных волн (фотонная запрещенная зона).

Благодаря простоте изготовления и широкой области потенциальных применений, МПЛ с ФЗЗ становились предметом изучения многих исследователей. Так, например, в работах [1], [2] представлена МПЛ с периодическим массивом прямоугольных отверстий в подложке. Такая структура была теоретически исследована с помощью двухступенчатого метода моментов. Было показано, что ширина запрещенной зоны данной микрополосковой структуры, зависит от места расположения проводника относительно центра блока (центрального ряда отверстий). Данная структура может быть широко использована в СВЧ диапазоне для создания различных микроволновых компонентов, в частности антенн.

К следующему виду относятся микрополосковые структуры, с периодически вытравленными отверстиями в центральном проводнике линии. Этот тип устройств описан в работе [7], где была предложена модель одномерной фотонной ячейки. В цитируемой работе было показано, что ряд таких ячеек, периодически вытравленных в центральном проводнике микрополосковой линии, приведет к появлению у микрополосковой структуры, запрещенной фотонной зоны, ширину, которой можно регулировать соответствующим выбором геометрических параметров ячеек. Преимуществом данных ФК над другими рассмотренными здесь, являются их малые геометрические размеры, но в тоже время эти структуры более сложны в изготовлении (обычно центральный проводник имеет ширину близкую к 1 мм, а чаще всего меньше 1 мм). Для расчета предложенной структуры был использован метод эквивалентных цепей.

Микрополосковая структуры с ФЗЗ полученная путем синусоидального изменения формы центрального проводника, в направлении, распространения волны, предложена и исследована в [8]. Данная топология не требует вытравливания отверстий в нижней пластине и основана на периодическом изменении характеристического импеданса, который является функцией длины микрополосковой линии. Использование такой структуры приводит к появлению лишь одной запрещенной зоны. Изменение ширины центрального проводника МПЛ приводит к изменению характеристического сопротивления линии. Такая структура характеризуется тремя значениями характеристического сопротивления: минимальным, максимальным и средним. Если поддерживать значение среднего сопротивления постоянным, но изменять размах минимального и максимального сопротивлений, то можно в широких пределах варьировать ширину и глубину запрещенной зоны.

Самое большое внимание было уделено микрополосковым структурам с ФЗЗ, выполненным на основе МПЛ с периодически вытравленными отверстиями в нижней пластине [3] - [6], это в первую очередь связано с простотой их изготовления, по сравнению с описанными выше структурами. Так в работе [3] рассмотрено два типа микрополосковых структур изготовленных с помощью этой технологии. Первая из них получена путем вытравливания в подложке одномерного ряда прямоугольных отверстий, и может быть использована как фильтр; вторая образованна двумерным распределением прямоугольных отверстий, и может найти применение в качестве микрополосковых антенн. Для численного моделирования предложенных структур был использован метод конечных разностей. Аналогичные одномерные и двумерные микрополосковые линии с ФЗЗ, но только с круглыми отверстиями были рассмотрены в работах [5] - [6].

Целью данной работы является теоретическое исследование двухсторонних микрополосковых структур с фотонной запрещенной зоной (рис.). Такая структура может использоваться в качестве СВЧ фильтра.

Двухсторонняя МПЛ структура

микрополосковый фотонный управление

Частотная фильтрация - одна из важнейших процедур в микроволновой схемотехнике. Чаще всего, в микрополосковой технологии, нежелательные частоты подавляются при помощи короткозамкнутых штырей помещенных в МПЛ на расстоянии половины длины волны между ними. К существенным недостаткам фильтрующих элементов полученных с использованием данной технологии, относятся их большие размеры и узкополосность.

В свою очередь, использование МПЛ с ФЗЗ - альтернативный путь решения данной задачи. В дальнейшем они могут быть легко интегрированы с другими микрополосковыми компонентами, что приведет к уменьшению размеров цепи, и улучшит ее частотно-избирательные параметры.

Исследуемая структура представляет собой микрополосковую линию, с периодически изменяющейся шириной центрального проводника, в нижней пластине, которой вытравлен одномерный периодический ряд круглых отверстий.

К основным характеристикам МПЛ с ФЗЗ относятся: центральная частота запрещенной зоны, ширина запрещенной зоны, глубина запрещенной зоны, а также максимальный коэффициент отражения. Центральная частота, глубина и ширина запрещенной зоны для микрополосковой структуры с ФЗЗ определяется через период ; радиус, вытравленных в нижней пластине МПЛ, отверстий ; количество этих отверстий и динамику вариации характеристического импеданса МПЛ.

Размещено на Allbest.ru