автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Волноводно-резонаторные фотоуправляемые фильтры-модуляторы

На правах рукописи

ФИЛЬТРЫ-МОДУЛЯТОРЫ

Специальность 05Л2.07 - Антенны и СВЧ устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена на кафедре Лазерные и микроволновые инфор] ционные системы Московского государственного института электронию математики (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ГВОЗДЕВ В.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессс

академик АИН РФ,МАИ и АМТН НЕФЁДОВ Е.И.

кандидат физико-математических наук. с.и с КОЛОСОВ Ю.А.

Ведущая организация: НПО Измерительной техники

Защита диссертации состоится "-М" 199^г. в час

на заседании диссертационного Совета К 063.68.04 в Московском гос дарственном институте электроники и математики (техническом униве ситете) по адресу:г.Москва, Трехсвятительский пер. д.3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ.

Автореферат разослан " 49 " 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н..доцент

Н.Н.Граче

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В системах сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах СВЧ и КВЧ диапазонов всё больше привлекается элементная база оптико-микроволновой электроники, где на первое место выходят фотоуправляемые СВЧ устройства.

Данная работа посвящается математическому моделированию и физическим принципам проектирования оптико-микроволновых элементов, использующих для фотоуправления воздействие на фоточувствительный полупроводник (например, кремний) оптического излучения. В результате этого воздействия меняется комплексная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала, а, следовательно, и электродинамические свойства СВЧ устройства.

Комплексность диэлектрической проницаемости порождает ряд математических проблем , обусловленных несамосопряженностью операторов краевых задач, возникающих при расчете фотоуправляемых СВЧ устройств. Эти задачи и пути их решения на примере конкретных опто-мик-роволновых элементов являются весьма актуальными.

Учет влияния мнимой части диэлектрической проницаемости на процесс распространения электромагнитных волн проводится обычно приближенно в предположении, что она намного меньше действительной части.

Исследование оптико-микроволновых свойств полупроводников, особенно в резонансных системах, требует решения задач в строгой электродинамической постановке.

Другой важной проблемой, решение которой необходимо для современной СВЧ радиотехники и электроники, является поиск тех физических условий, при которых фотовоздействие на полупроводниковое СВЧ устройство является наиболее эффективным.

По-прежнему остаются актуальными и не до конца решенными вопросы, связанные с защитой канала спутниковой связи, с повышением надежности базовых элементов объёмных интегральных схем СВЧ и КВЧ, а также с метрологией полупроводниковых элементов и созданием многофункциональных входных устройств СВЧ радиометров.

И, наконец,для СВЧ и КВЧ техники очень важным является поиск физических принципов фотоуправления конкретными оптико-микроволновыми устройствами СВЧ.

Таким образом, тема данной диссертационной работы, рассматривающей вопросы математического моделирования и конструирования много-

функциональных базовых элементов оптико-микроволновой электроники на ОИС (фотоуправляемых фильтров-модуляторов, аттенюаторов, волновод-но-диэлектрических резонаторов и др.), является актуальной как в научном, так и в практическом отношении.

Целью работы является создание физико-математических моделей и расчет волноводно-резонаторных фотоуправляемых фильтров-модуляторов.

Основные задачи исследования:

1. Разработка математического аппарата, позволяющего адекватно описывать процесс распространения нормальных волн в многослойных полупроводниковых волноведущих системах (таких, как многослойный волновод с идеально проводящими стенками, слоистый волновод на металлической подложке и др.).

2.Решение задач дифракции электромагнитных волн на многослойном диэлектрическом (полупроводниковом) заполнении в прямоугольном волноводе.

3. Выяснение принципов эффективного фотоуправления оптико-микроволновыми устройствами с помощью оптического воздействия на полупроводниковые элементы.

4. Проектирование новых оптико-микроволновых устройств на основе принципов эффективного фотоуправления.

Научная новизна и практическая значимость диссертационной работы определяются кругом поставленных задач, методами их решения и полученными результатами.

В диссертации впервые в строгой электродинамической постановке рассмотрен и математически промоделирован целый ряд фотоуправляемых СВЧ устройств, являющихся базовыми элементами оптико-микроволновой электроники.

Научное и практическое значение имеет вывод о том, что наиболее чувствительной с точки зрения фотоуправления является резонансная СВЧ система.

Этот вывод позволил предложить ряд новых оптико-микроволновых устройств СВЧ техники и электроники: волноводно-резонаторные фильтры-модуляторы, аттенюатор, двухчастотный модулятор.

Предложенные устройства применены в решении важных научно-технических проблем: защиты канала спутниковой связи,микроволновой радиометрии, повышения надежности модуляторных элементов объемных интегральных схем СВЧ и КВЧ, определения удельного сопротивления полупро-

водников при световом воздействии.

Немаловажное практическое значение имеют созданные ЭВМ-программы, позволяющие решать широкий круг ключевых задач, связанных с расчетом рассматриваемых фотоуправляекых СВЧ-устройств.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1.Методы математического моделирования многофункциональных базовых элементов оптико-микроволновой электроники на ОИС - слоистых полупроводниково-диэлектрических волноводно-резонаторных систем, на основе строгой электродинамической постановки и решения краевых задач на ЭВМ.

2. Принципы эффективного фотоуправления этими элементами с помощью оптического воздействия на фоточувствительный полупроводник: выбор оптимальной толщины и положения полупроводника, резонансный реши и т.д.

3.Новые оптико-микроволновые многофункциональные устройства на основе полученных принципов эффективного фотоуправления:фотоуправля-емые волноводно-резонаторные фильтры-модуляторы, аттенюатор, двух-частотный модулятор и др.

4. Волноводно-резонансный метод измерения удельного сопротивления полупроводников, принципы защиты канала спутниковой связи и повышения надежности элементов ОИС СВЧ и КВЧ, проектирование входных элементов СВЧ радиометров с использованием предложенных фильтров-модуляторов.

5.Алгоритмы и ЭВМ-программы решения ключевых задач машинного проектирования многофункциональных элементов оптико-микроволновой электроники на ОИС.

Апробация работы, основные результаты работы докладывались и обсуждались на первой научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений"(г. Москва, 1994), 5-й Международной н/т конференции "Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации (ССОИ) на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ"(г.Сергиев Посад, 1995), на УП Международной школе-семинаре "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ"(п.Охотино, 1996), семинаре "ОИС СВЧ и биоэиергоинформационные технологии" МТОРЭС им. А. С.Попова, а также на семинаре кафедры ЛМИС Московского государственного института электроники и математики.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 пе-

чатных работах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения . Общий объем составляет 135 стр., основной текст - 102 стр., 20 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 138 наименований на 14 страницах.

Краткое содержание работы.

Во введении дан литературный обзор, обоснована актуальность темы диссертации, определены ее цели и задачи, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения и выводы, выносимые на защиту.

Глава I "Электродинамика многослойного волновода" посвящена исследованию дисперсионных свойств диэлектрических (полупроводниковых) многослойных планарных волноводов, ограниченных металлическими идеально проводящими плоскостями.

Приводится вывод дисперсионного уравнения для собственных волн многослойного диэлектрического (полупроводникового) Еолновода и предлагается эффективный численный алгоритм его решения. Для нахождения комплексных постоянных распространения собственных волн полученное уравнение записано в виде равенства нулю определителя п-го порядка. Вычисление его осуществляется методом рекуррентных соотношений понижением до второго порядка. При решении дисперсионного уравнения используется метод дифференцирования по параметру с уточнением по методу Ныотона-Рафсона.

Рассматриваются свойства собственных волн двухслойного полупроводникового волновода (волновода,частично заполненного по поперечному сечению средой, характеризуемой комплексной диэлектрической проницаемостью) ,ограниченного идеально проводящими металлическими плоскостями.

Исследуется влияние мнимой части диэлектрической проницаемости на комплексную постоянную распространения, что позволяет оценить фотовоздействие, а,следовательно, изучить оптико-микроволновые свойства рассматриваемого волновода.

Здесь же решена задача о затухании собственных волн в слоистом диэлектрическом волноводе на металлической подложке. Дан вывод дисперсионного уравнения. Рассматривается приближенный метод, сводящий решение этой задачи к предыдущему случаю.

На рис.1 приведена расчетная зависимость величины затухания I от

4

в

IK,

0,4

03

0,2

X, а

v/z////;/■(■(><" с

№ 77777S777/

ipî I

о

íí

13

Iß

я

Рис.4

12 ¿m

Рис.2

толщины 1 диэлектрического слоя, из которого видно, что существует оптимальная толщина слоя, при которой отклик системы на световое возбуждение максимален.

Исследуются также оптико-микроволновые свойства прямоугольного волновода с тонкой полупроводниковой (резистивной) пластинкой,расположенной параллельно узкой стенке волновода и полностью заполняющей его поперечное сечение.

Приведена зависимость мнимой части поперечного волнового числа для третьей моды от относительного расстояния пластинки от узкой стенки волновода,полученная при численном решении соответствующего дисперсионного уравнения.

Существует такое положение резистивной пластинки, при котором наблюдается эффект "аномально малого затухания". Данный эффект может быть использован, например, для уменьшения потерь в диэлектрических (полупроводниковых) подложках с несимметрично-полосковыми линиями передачи.

Исследовано также влияние фотовоздействия (определяемого параметром ) на поглощение данной моды. Определены положения пластинки, при которых фотоуправление наиболее эффективно.

Рассмотренное устройство предлагается в качестве оптико-микроволнового аттенюатора.

Глава II "Фотоуправляемый волноводно-диэлектрический фильтр-модулятор" посвящена численному исследованию дифракционных оптико-микроволновых свойств полубесконечного и конечного волноводов с многослойным полупроводниковым заполнением и применению этих свойств в решении проблемы защиты канала спутниковой связи и СВЧ-радиометрии.

Исследована задача о дифракции волны на полубесконечном частичном полупроводниковом заполнении. Решение в каждом из полубесконечных волноводов ищется в виде разложений по нормальным волнам. Коэффициенты этих разложений находятся из системы линейных алгебраических уравнений, получаемой по методу "проекционного сшивания".

На рис.2 представлены расчетные частотные зависимости модуля коэффициента отражения волны Н при дифракции её на полубесконечном трехслойном диэлектрическом волноводе для различных толщин слоев. Дано сравнение с результатами, известными в научной литературе.

Методом Галеркина численно решена задача о дифракции волны Н<0 на полупроводниковом параллелепипеде квадратного поперечного сечения.

Математическая постановка задачи заключается в нахождении реше-

ния уравнения Гельмгольца

Л Шсс#)+к б(х&) а- о

ЛГ.2

в прямоугольнике (см.рис.3)

которое удовлетворяет граничным условиям

и

= 0 ч и. =0

х

а

Ш

л

(2)

(3)

а

О

(4)

где£(х ,ъ)-комплексная диэлектрическая проницаемость, характеризующая частичное заполнение волновода на участке :

£(Х ,2)

1.е ели

Р -амплитуда падающей волны, п0-номер падающей волны (для по=1).

X -собственные функции поперечного сечения плоского пустого волнов( fib

да,

^-постоянные распространения собственных волн плоского пустого во. повода.

Из решения задачи и ш_^можно найти комплексные коэффициент! отражения Яп и Тп прохождения собственных волн, рассеянных на ди; лектрической неоднородности.

Приближенное решение поставленной краевой задачи ищется в виде линейной комбинации системы нормальных волн частично заполненного плоского волновода

ы н

Т^е^Фп®, (5)

ft-i ftsl

где

и

приближенные значения комплексных коэффициентов отражения, приближенные значения комплексных коэффициентов прохождения, Т^-комплексные постоянные распространения собственных волн плоского волновода, частично заполненного диэлектриком.

Решение (5) удовлетворяет уравнению (1), граничным условиям (2) и условиям сопряжения на границе диэлектрика , за счет выбора собственных функций Ф(х).

Удовлетворяя граничным условиям (3) и (4), для нахождения приближенных значений коэффициентов отражения и прохождения получим систему линейных алгебраических уравнений, которую решаем на ПЭВМ методом Гаусса.

На основе решения этой задачи предложен оптико-микроволновый волноводно-диэлектрический фильтр-модулятор, который, выполняя роль режекторного фильтра, позволяет с помощью фотовоздействия изменять максимальное значение пропускания волны Н на резонансных частотах "запертых" мод.

На рис.3 приведена расчетная частотная зависимость пропускания Ь фильтра-модулятора. Кривая носит явно выраженный резонансный характер, обусловленный резонансом на "запертой"моде Н^.

Посчитана также зависимость максимального значения пропускания на резонансной частоте от величины мнимой части диэлектрической про-

- и -

а-23 мм; t-d-i5MM Re £ -2,i ; Ъпд-ЦШОв

?yio.3

ницаемости полупроводника, что позволяет более эффективно использовать влияние оптического излучения в резонансной области на микроволновые свойства рассматриваемого полупроводникового устройства.

Высокий уровень подавления сигнала и пропускания только в узкой полосе частот дают предпосылки для внедрения эффекта фотоунравления в фотоуправляемых фильтрах для решения проблемы защиты канала спутниковой связи,а также при конструировании базовых элементов СВЧ радиометров.

Глава III "Фотоуправляемые волноводно-резонаторные модуляторы" носит прикладной характер и посвящена, главным образом, применению полученных результатов математического моделирования при конструировании конкретных оптико-микроволновых устройств и в решении ряда других прикладных задач.

Рассмотрены принципы оптико-микроволновой модуляции,использующие фоточувствительные свойства полупроводников.

Приводится описание оптико-микроволнового фильтра-модулятора, конструкция которого состоит из прямоугольного диэлектрического волновода (ДВ) с поперечным сечением 2x4 мм, выполненного из поликора, и дискового диэлектрического резонатора (ДДР) диаметром 20 мм толщиной 1,6 мм, выполненного из высокоомного кремния, расположенных на металлическом основании. Распределенная связь между ДВ и ДДР может регулироваться. В ДДР возбуждались колебания бегущих волн типа "шепчущей галереи", реализующие требуемую рециркуляцию микроволнового сигнала. Вход и выход модулятора - концы ДВ. Источником управляющего излучения можно установить связь ДДР с ДВ критической. При этом глубина подавления сигнала на резонансной частоте составляла 35 ДБ, а полоса частот с глубиной подавления более 20 ДБ - 10 МГц.

При включении света добротность ДДР резко падает за счет затухания волны "шепчущей галереи" в слое с фотоиндуцированной плазмой, распределенная связь становится докритической и ДДР перестает отбирать энергию из ДВ, потери энергии практически исчезают. В эксперименте они составляли 0,5 ДБ при сравнительно слабом уровне потока мощности управляющего света.

Имеет место эффект сверхглубокой модуляции микроволновых сигналов с помощью фотоиндуцированной плазмы полупроводника при ограниченной мощности управляющего источника света за счёт рециркуляции сигнала.

Таким образом, резонансный режим в сочетании с рециркуляцией

сигнала - еще один из важных принципов эффективного фотоупразления.

Предложен волноводно-резонаторный метод определения удельного сопротивления полупроводников при световом воздействии, основанный на использовании резонансных свойств оптико-микроволнового волновод-но-резонаторного фильтра-модулятора. По измеренной добротности резонансной системы определяется удельное сопротивление поверхностного полупроводникового слоя ДР при оптическом облучении этого резонатора.

Обсуждаются вопросы надёжности функциональных элементов объемных интегральных схем СВЧ. Предлагается функционально-надёжностный подход к анализу ОИС СВЧ. Суть этого подхода заключается в нахождении оценок показателей надёжности, например, интенсивности отказов, для элементов, выполняющих определенную функцию обработки электромагнитных сигналов, безотносительно к конкретной реализации элементов и

УЗЛОЕ.

Приводятся результаты анализа модуляторных элементов ОИС и фото-электронных волноведущих структур. Рассмотрены вопросы обеспечения защиты их от влияния внешней среды, а также пути обеспечения стабильности состояния приповерхностных слоев полупроводника и обеспечения надёжности управляющих источников света.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенные в диссертационной работе материалы содержат решения ряда актуальных, практически важных задач прикладной электродинамики СВЧ, связанных с теоретическим исследованием и конструированием фо-тоуправляемых многофункциональных устройств СВЧ, составляющих основу нового научного направления - оптико-микроволновой электроники на базе техники ОИС СВЧ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Предложены и реализованы алгоритмы численного решения краевых задач электродинамики управляемых оптико-микроволновых устройств:

- посчитаны комплексные постоянные распространения электромагнитных волн многослойной волноведущей структуры с произвольными мнимыми частями комплексных диэлектрических проницаемостей слоев;

- решены задачи дифракции волны Н.п прямоугольного волновода

на полубесконечном и конечном многослойном полупроводниково-диэлект-рическом заполнении волновода.

2. С помощью математического моделирования установлены принципы эффективного фотоуправления:

- затухание волны в прямоугольном волноводе со слоистым диэлектрическим заполнением пропорционально мнимой части диэлектрической проницаемости, величина которой определяется фотовоздействием ( при увеличении мнимой части диэлектрической проницаемости в 100 раз имеет место уменьшение ослабления примерно в 10 Дб равномерно в широком диапазоне частот от 30 до 40 ГГц);

- существует оптимальная толщина полупроводниковой пластины, при которой достигается максимальная эффективность фотомодуляции СВЧ волны (для полупроводниковой пластины, расположенной вдоль узкой стенки волновода, эта оптимальная толщина составляет примерно 0,2 размера широкой стенки волновода);

- поглощение энергии электромагнитной волны в тонкой полупроводниковой (резистивной) пластинке существенно зависит от ее положения относительно узких стенок волновода, причем, существует положение, при котором затухание волны является аномально-малым;

- наибольшая эффективность фотовоздействия достигается на резонансной частоте ( при уменьшении удельного сопротивления полупроводника в 5 раз величина пропускания волны на резонансной частоте уменьшается на 20 Дб).

3. Предложены новые оптико-микроволновые устройства:

- волноводно-диэлектрический режекторный фильтр-модулятор с максимальной величиной пропускания на резонансной частоте 11,9 ГГц равной 45 Дб;

- волноводно-резонаторный фильтр-модулятор с глубиной подавления сигнала на резонансной частоте до 35 Дб и полосой частот с глубиной подавления более 20 Дб равной 10 МГц.

4. Установленные принципы фотоуправления и предложенные оптико-микроволновые многофункциональные устройства применены:

- в метрологии для определения волноводно-резонансным методом электродинамических характеристик полупроводников при воздействии на них оптического излучения;

- как базовые элементы в СВЧ радиометрах;

- для повышения надежности ОИС СВЧ и КВЧ (например, для стабилизации частоты);

- в решении проблемы защиты канала спутниковой связи (полученный коэффициент эффективности зашумления равен порядка -88Д6).

5. Практическую ценность имеют предложенные алгоритмы и созданные на их основе ЭВМ-программы, позволяющие решать ключевые задачи по расчету основных элементов оптико-микроволновой электроники.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Гвоздев В.И., Моденов П.В.Электродинамический анализ фотоуп-равляемых активных ОМС СВЧ// Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ.-1993, ВЫП. 3.-С. 78-79.

2.Гвоздев В.И. .Моденов П.В..Подковырян С.И. Резонансный оптико-микроволновый метод определения удельного сопротивления полупроводников// В кн.:Состояние и проблемы технических измерений. -М. :МГТУ, 1994,- С. 56.

3.Гвоздев В.И..Моденов П.В..Подковырян С.И. Вопросы надежности модуляторных элементов объемных интегральных схем// В кн.: Методы и средства оценки повышения надежности приборов, устройств и систем. -Ч. 2. - Пенза, 1994. - С. 51.

4.Гвоздев В.И.,Моденов П.В.,Подковырин С.И. Оптико-микроволновый модулятор// Письма в ЖГФ.- 1995.-Т.21,вып. 12,- С.80-82.

5.Гвоздев В.И.,Моденов П.В..Подковырин С.И. Элементная база в оптико-микроволновой электронике// Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ,- 1995.-вып. 3 (11).- С. 67.

6. Моденов П.В. Оптико-микроволновый золноводно-диэлектрический фильтр-модулятор// Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. -1996.-вып.2 (14).- С.132.