Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 4, стр. 375-386

ВВЕДЕНИЕ

Периодические структуры с запрещенной зоной в СВЧ-диапазоне, часто называемые фотонными СВЧ-кристаллами, обладают свойствами, обеспечивающими возможность создания различных типов СВЧ-устройств, среди которых перестраиваемые резонаторы, направленные ответвители, миниатюрные антенны, согласованные нагрузки, различные типы СВЧ-фильтров, в том числе с управляемыми характеристиками [1–9].

СВЧ-фильтры являются важными компонентами современных радиолокационных систем и систем спутниковой связи. Наряду с полосовыми фильтрами [6, 10–16], предназначенными для распространения сигналов на выбранных частотах, фильтры заграждения необходимы для подавления нежелательных ложных сигналов, субгармоник и более высоких гармоник. Современные СВЧ-фильтры заграждения должны характеризоваться наряду с высоким коэффициентом ослабления в выбранной полосе частот также коэффициентом прохождения электромагнитного излучения, близким к единице вне полосы заграждения. Такие фильтры выполняются как с использованием различных типов планарных линий передачи, так и в волноводном исполнении [17–25].

Для создания фильтров заграждения использовали диэлектрические пластины с четвертьволновыми резонаторами [17] и с резонаторами в виде расщепленного кольца [26], размещенные в E‑плоскости прямоугольного волновода X-диапазона с полосой заграждения ~680 МГц на уровне –3 дБ и уровнем запирания не хуже –15 дБ.

В ряде работ [18, 19] для реализации фильтра заграждения предложено располагать диэлектрические пластины как с четвертьволновыми резонаторами, так и с резонаторами в виде расщепленного кольца в H-плоскости прямоугольного волновода X-диапазона.

Авторами работы [20] с использованием резонаторов, связанных между собой посредством линии передачи на основе двухгребневого волновода (Н-образные волноводы), реализован фильтр заграждения на рабочей частоте 12 ГГц с полосой заграждения 680 МГц. Для достижения требуемого уровня согласования в полосе пропускания между резонаторами были использованы многосекционные импедансные инверторы.

Для реализации фильтра заграждения на основе микрополосковой линии в работе [21] использовали планарный спиральный резонатор, расположенный вблизи верхнего полоска микрополосковой линии. Полоса заграждения фильтра заграждения на уровне –10 дБ достигает 2.32 ГГц, вне полосы заграждения достигнутый коэффициент прохождения не превышает –5 дБ.

Для обеспечения компактности СВЧ-фильтров заграждения используется так называемая дефектная структура заземления [22]. Так, например, в работе [23] предложен новый копланарный волноводный фильтр заграждения с двойными шпилевидными структурами на плоскостях заземления, выполняющими роль дефектов в области заземления копланарной линии передачи. Предложенный фильтр заграждения обеспечивает достаточно узкую область запирания (0.221 ГГц на уровне –3 дБ) при коэффициенте затухания ~40 дБ.

В последние несколько десятилетий получила широкое развитие техника волноводно-щелевых линий (ВЩЛ) для создания устройств в сантиметровых и миллиметровых системах. Фильтры заграждения на основе ВЩЛ имеют ряд преимуществ: их легко интегрировать в системы; их вносимые потери ниже по сравнению с полосовыми фильтрами на ВЩЛ. В случае подавления нежелательных сигналов с узкой полосой более предпочтительными являются фильтры заграждения, а не полосовые фильтры. Для обеспечения более широкой полосы подавления ~600 МГц на уровне –20 дБ фильтров на ВЩЛ U-диапазона при сохранении их размеров используются многочастотные щелевые резонаторы, встроенные в “плавники” щелевой линии [24].

На основе коммутации волноводных фильтров в [25] разработаны электрически управляемые переключатели типа заграждения, где плоский резонатор, расположенный на узкой боковой стенке прямоугольного волновода, изготовлен на кварцевой подложке. Резонатор имеет два металлических слоя и один диэлектрический. Резонатор расположен на первом металлическом слое, а консольные балки RF MEMS – на втором. Планарная схема имеет два рабочих состояния. Первое – верхняя и нижняя половины резонатора разомкнуты, резонанс при возбуждении всей структуры в исследуемом диапазоне частот волной типа ТЕ₁₀ отсутствует, коэффициент прохождения волны максимален. Второе состояние – верхняя и нижняя половины резонатора электрически замкнуты, плоский резонатор возбуждается и реализуется режим запирания на фиксированной частоте в рабочем диапазоне частот. Ширина полосы подавления на уровне –14 дБ достигает 500 МГц в Ku-диапазоне при прямых потерях менее 0.3 дБ вне полосы.

Наличие явно выраженных запрещенных зон на характеристиках СВЧ фотонных кристаллов (ФК) позволяет использовать их в качестве полосовых фильтров заграждения, однако вне полосы заграждения (в области разрешенных зон) коэффициент прохождения имеет “изрезанную”, т.е. частотно-зависимую характеристику. Фотонные кристаллы с нарушением периодичности структуры позволяют реализовать узкополосные фильтры пропускания [27], однако при реализации узкополосных фильтров заграждения на основе ФК с малой шириной запрещенной зоны коэффициент ослабления в полосе заграждения незначителен.

В случае реализации системы на основе ФК с плоской разрешенной зоной, т.е. зоной, характеризующейся частотно-независимым коэффициентом прохождения электромагнитной волны, близким к единице, могут быть созданы узкополосные фильтры заграждения, обладающие вне полосы заграждения частотно-независимым коэффициентом прохождения, близким к единице.

Задача получения плоской разрешенной зоны в ФК может быть решена с помощью значительного увеличения числа периодически чередующихся элементов при слабом отличии их диэлектрических проницаемостей или с помощью процедуры аподизации [28, 29]. Это приводит в определенной мере к нарушению условий интерференции в ФК, снижению добротности резонансных состояний, образующих разрешенную зону и, как следствие, к сглаживанию частотной характеристики в области разрешенной зоны. К недостаткам процедуры аподизации можно отнести следующие: ее эффективность повышается с увеличением числа элементов ФК, что ведет к увеличению размеров устройств; ужесточаются требования к технологическому процессу создания ФК с элементами, электрофизические параметры которых изменяются по определенному закону. Кроме того, следует отметить определенное уменьшение коэффициента прохождения при сглаживании амплитудно-частотных характеристик (АЧХ).

Отличительной особенностью ФК СВЧ-диапазона является высокая технологичность их производства, макроскопичность элементов, составляющих их конструкцию, возможность реализации ФК на основе упорядоченных массивов элементов различной формы и конфигурации [1, 6, 30–36]. В связи с этим несомненный научный и практический интерес представляет реализация системы на основе ФК с примесной модой затухания колебаний в разрешенной зоне ФК, обеспечивающей создание как широкополосных, так и узкополосных фильтров заграждения с электрически управляемыми АЧХ в широком диапазоне значений.

1. МОДЕЛЬ ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА НА ОСНОВЕ ВОЛНОВОДА С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗАПОЛНЕНИЕМ

В качестве волноводного ФК был рассмотрен отрезок волновода со структурой, представляющей собой периодически чередующиеся слои двух типов диэлектриков с различными значениями толщины и диэлектрической проницаемости.

Рассматривались одномерные волноводные ФК, составленные из 11 и 15 слоев в диапазоне частот 8…12 ГГц. Нечетные слои были выполнены из тефлона (ε = 2.1), четные – из пеноплата (ε = = 1.03). Длина нечетных и четных отрезков – 4.15 и 12.7 мм соответственно. Нарушение создавалось посредством изменения длины центрального слоя. Длина центрального нарушенного слоя L выбиралась равной 5 и 27 мм.

Для расчета коэффициентов отражения и прохождения электромагнитной волны при ее нормальном падении на такую многослойную структуру (рис. 1) использовали матрицу передачи волны между областями с различными значениями постоянной распространения электромагнитной волны [37–39].

Коэффициенты отражения $R$ и прохождения $D$ электромагнитной волны, взаимодействующей со слоистой структурой, определяли через элементы матрицы передачи T_N с помощью соотношений

где матрица передачи слоистой структуры, состоящей из $N$ слоев.

Как известно, СВЧ ФК характеризуются наличием так называемых запрещенных зон, представляющих собой отдельные диапазоны частот, в которых электромагнитные волны распространяются с затуханием. Важным свойством ФК является высокий коэффициент отражения электромагнитной волны от ФК в диапазоне частот, соответствующем запрещенной зоне, т.е. ФК обладает свойствами зеркала для электромагнитного излучения СВЧ-диапазона. Именно отражательные свойства ФК и могут быть использованы для реализации системы на основе фотонного кристалла, обладающей разрешенной зоной с частотно-независимым коэффициентом прохождения, близким к единице.

Возникновение дефектной моды в запрещенной зоне ФК означает, что на определенной частоте электромагнитное излучение может распространяться без затухания и отсутствует отраженная волна. Таким образом, ФК с нарушением периодичности становится зеркалом, не отражающим электромагнитное излучение на отдельной частоте, соответствующей частоте дефектной моды. Использование отражательных свойств такого ФК позволяет вырезать из широкополосного спектра отражения узкие области частот, в которых отсутствует электромагнитное излучение. Таким способом можно создавать узкополосные фильтры заграждения, характеризующиеся значительным подавлением сигнала в полосе заграждения и обладающие вне полосы заграждения частотно-независимым коэффициентом прохождения близким к единице.

Как было отмечено выше, коэффициент прохождения электромагнитной волны в разрешенной зоне СВЧ ФК имеет “изрезанную” частотную характеристику (см. рис. 1 кривая 1). Уменьшение изрезанности может быть достигнуто увеличением числа ячеек ФК, однако при этом увеличиваются потери пропускания в реальных структурах. Эта проблема может быть решена с помощью использования Y-циркулятора, в одно из плеч которого включен ФК (рис. 2). В такой системе коэффициент прохождения электромагнитной волны будет мало отличаться от единицы даже при сравнительно небольшом числе ячеек (см. рис. 1 кривая 2).

Входной сигнал подавался на вход 1 Y-циркулятора, к выходу 2 был подключен ФК 4 с согласованной нагрузкой 5, выходной сигнал измерялся на выходе 3.

При подаче сигнала на вход 1 идеального Y‑циркулятора сигнал на выход 3 поступает только при наличии отраженной волны на выходе 2, поэтому при подключении ФК с согласованной нагрузкой на выходе 2, коэффициент прохождения |D|² сигнала с входа 1 на выход 2 определяется коэффициентом отражения ФК |R|², с использованием соотношения

Таким образом, в области частот, определяющих запрещенную зону ФК, |R|² ≈ 1, согласно выражению (3) коэффициент прохождения ${{\left| D \right|}^{2}}$ сигнала с входа 1 на выход 3 близок к единице, что обеспечивает формирование разрешенной зоны с частотно-независимым коэффициентом прохождения электромагнитного излучения. Результаты расчета АЧХ коэффициента прохождения сигнала представлены на рис. 1.

Как следует из результатов расчета, частотная зависимость коэффициента прохождения сигнала из плеча 1 в плечо 3 Y-циркулятора с ФК в схеме на отражение характеризуется наличием плоской разрешенной зоны в диапазоне частот 9.0…11.0 ГГц (см. рис. 1 кривая 2), т.е. зоны с частотно-независимым коэффициентом прохождения, равным |D|² ≈1.

Создание нарушения в виде изменения длины центрального слоя ФК приводит к возникновению резонансной особенности – примесной моды затухания колебаний в разрешенной зоне ФК на частоте f_1теор = 9.526 ГГц. Вне резонансной особенности разрешенная зона расширяется и остается плоской с коэффициентом прохождения, близким к 1.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментально исследован ФК, созданный в соответствии с моделью, представленной на рис. 2. Фотонный кристалл состоял из 15 слоев в диапазоне частот 8…12 ГГц, нечетные слои выполнены из тефлона (ε = 2.1), четные – из пеноплаcта (ε = 1.03), длина центрального слоя L = 5 и 27 мм.

Передаточные характеристики |D|² исследуемых ФК измеряли в схеме с Y-циркулятором (см. рис. 2) с помощью векторного анализатора цепей Agilent Microwave Network Analyzer N5242A PNA-X в диапазоне частот 8…12 ГГц (рис. 3).

Как следует из результатов эксперимента, частотная зависимость коэффициента прохождения сигнала из плеча 1 в плечо 3 циркулятора с ФК в схеме на отражение характеризуется наличием плоской разрешенной зоны, в диапазоне частот 8.7…10.4 ГГц (кривые 1 на рис. 3а и 3б), т.е. зоны с частотно-независимым коэффициентом прохождения, равным |D|² ≈ 1.

Создание нарушения в виде изменения длины центрального слоя L = 27 мм ФК приводит к возникновению резонансной особенности – примесной моды затухания колебаний в разрешенной зоне ФК (см. рис. 3а кривая 2) на частоте f_1 эксп = 9.374 ГГц, при этом вне резонансной особенности разрешенная зона расширяется (8.4…10.7 ГГц) и остается плоской с коэффициентом прохождения, близким к 1. При длине нарушенного слоя L = 5 мм резонансная особенность в запрещенной зоне (см. рис. 3б кривая 2) возникает на частоте f_1 эксп = 9.294 ГГц, а разрешенная зона расширяется до значений 8.35…10.8 ГГц.

Таким образом, реализация фотонного кристалла с диэлектрическим заполнением с нарушением периодичности в схеме на отражение с Y-циркулятором позволила создать фильтр заграждения на частоте f_1эксп = 9.294 ГГц с полосой заграждения ~123 МГц на уровне –3 дБ, уровнем запирания не хуже –40 дБ с коэффициентом прохождения вне полосы заграждения не менее –0.2…–0.3 дБ.

Отметим, что в отсутствие циркулятора полоса пропускания у фотонного кристалла получается существенно уже, чем полоса запирания. Таким образом, использование циркулятора решает проблему расширения полосы пропускания, так как наличие циркулятора преобразует отраженный от одного из плеч циркулятора сигнал в проходящий. Кроме того, характеристики выходного сигнала в полосе пропускания становятся плоскими, что является свойством СВЧ ФК с циркулятором, и это можно отнести к достоинству предложенной схемы. С учетом вносимых циркулятором потерь результирующие потери на проход устройства в целом малы (не более 0.2…0.3 дБ). Достигнутые уникальные характеристики могут быть основанием для применения, например, в измерительных системах.

3. МОДЕЛЬ ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА НА РЕЗОНАНСНЫХ ДИАФРАГМАХ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ, УПРАВЛЯЕМЫМИ n–i–p–i–n-ДИОДАМИ

Для создания устройств с электрически управляемым коэффициентом прохождения был использован СВЧ ФК, состоящей из семи резонансных диафрагм, в зазоре центральной диафрагмы была расположена структура на n–i–p–i–n-диодах.

Резонансные волноводные диафрагмы являются часто применяемым элементом конструкции выключателей на p–i–n-диодах. Малые геометрические размеры щели обеспечивают эффективное взаимодействие полупроводниковых элементов, имеющих малые габариты, с полем волновода. Поэтому создание фильтров заграждения с характеристиками, управляемыми n–i–p–i–n-диодами на основе волноводных ФК с резонансными диафрагмами, обладающих высоким уровнем запирания в полосе заграждения и минимальными потерями вне полосы, представляет научный и практический интерес.

Исследуемый ФК был создан в виде структуры, состоящей из семи периодически расположенных прямоугольных металлических резонансных диафрагм на расстоянии L₀ = 20 мм друг от друга в прямоугольном волноводе трехсантиметрового диапазона [40, 41]. Ширина щелей диафрагм ФК выбрана равной 20 мм, высота – 2 мм.

Для управления резонансными свойствами таких ФК использовали n–i–p–i–n-диодную матрицу. Она состояла из четырех диодных элементов, которые были размещены в центральной диафрагме, выполненной в виде двух прямоугольных щелей (рис. 4). Размер каждой щели составлял 10.5 × 1.0 мм².

Для реализации СВЧ ФК на резонансных диафрагмах, характеризующегося наличием частотно-независимого коэффициента прохождения электромагнитного излучения в разрешенной зоне, была использована схема с Y-циркулятором (рис. 5).

При расчете полагалось, что полупроводниковая матрица состоит из n–i–p–i–n-структур, имеющих форму параллелепипеда высотой h = 1 мм и поперечным сечением 1.0 × 0.5 мм².

4. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

На основе численного моделирования с использованием метода конечных элементов в программе ANSYS HFSS были исследованы АЧХ коэффициентов отражения и прохождения ФК в схеме с Y-циркулятором при различной удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры. Предполагалось, что при прямом смещении удельная электропроводность σ данного элемента изменялась в диапазоне 10^–2…10⁵ См/м. Такое изменение величины удельной электропроводности σ, обусловленное обогащением i-областей инжектированными носителями заряда, соответствует величине протекающего тока от 0 до 300 мА при изменении напряжения смещения от 0 до 0.9 В с использованием n–i–p–i–n-структуры типа 2A505.

На рис. 6 представлены результаты расчета АЧХ коэффициента прохождения сигнала из плеча 1 Y-циркулятора в плечо 3 при подключении ФК с согласованной нагрузкой в плечо 2 ФК без нарушения периодичности и с введенной в ФК n–i–p–i–n-матрицей в качестве нарушения центрального слоя с управляемыми характеристиками.

Как следует из результатов расчета, частотная зависимость коэффициента прохождения сигнала из плеча 1 в плечо 3 циркулятора с ФК в схеме на отражение с Y-циркулятором характеризуется наличием практически плоской разрешенной зоны в диапазоне частот 8.53…10.23 ГГц (см. рис. 6, кривая 1). Это обусловлено тем, что в схеме на отражение с Y-циркулятором, в отличие от рассмотренного в работе [41] ФК на резонансных диафрагмах, обладающего в этом диапазоне частот запрещенной зоной, в качестве передаточной характеристики используются отражательные способности ФК в диапазоне частот, соответствующем запрещенной зоне.

Следует отметить, что коэффициент передачи СВЧ ФК, структурными-элементами которых могут выступать конструкции сложной формы и конфигурации, в том числе и резонансные диафрагмы [40, 41], может быть существенно меньше единицы даже на резонансных частотах, образующих разрешенную зону. Это происходит вследствие потерь электромагнитной энергии, связанных с возбуждением затухающих волн высших типов, например, на структурных элементах ФК в виде резонансных диафрагм и n–i–p–i–n-структуры.

Введение n–i–p–i–n-матрицы в ФК в качестве нарушения центрального слоя приводит к возникновению примесной моды затухания колебаний в разрешенной зоне ФК в схеме на отражение с Y‑циркулятором на частоте f_1 теор = 8.91 ГГц.

При изменении величины удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры от 0 до 0.4 См/м коэффициент прохождения |D|² уменьшается от –11.3 до –47.5 дБ, а в диапазоне 0.4…10⁴ См/м монотонно увеличивается от –47.5 дБ до –0.3 дБ. Это связано с тем, что n–i–p–i–n-структура, являющаяся элементом нарушения фотонного кристалла, при удельной электропроводности i-слоя, равной 0, в отсутствие смещения может быть приближенно представлена в виде последовательной R–C-цепочки (R – сопротивление потерь в сильнолегированных областях, омических контактах и выводах диода, С – емкость i-слоя). В этом режиме электромагнитное излучение с частотой f_1 теор = 8.91 ГГц, поступающее на выход 2 Y-циркулятора, частично отражается от ФК и поступает на выход 3. При увеличении удельной электропроводности i-слоя в диапазоне 0…0.4 См/м n–i–p–i–n-структура в основном поглощает электромагнитное излучение, что приводит к существенному уменьшению его отражения от ФК, и поэтому сигнал на выход 3 Y-циркулятора практически не поступает. Таким образом, реализуется режим возникновения примесной моды затухания колебаний в разрешенной зоне ФК в схеме с Y‑циркулятором. При увеличении удельной электропроводности i-слоя от 0.4 до 10⁴ См/м n–i–p–i–n-структура практически полностью отражает электромагнитное излучение, что приводит к передаче сигнала на выход 3 Y-циркулятора с минимальным ослаблением, связанным с неидеальностью передаточных характеристик Y-циркулятора. Следует отметить, что использование в качестве передаточной характеристики СВЧ ФК на резонансных диафрагмах в схеме с Y-циркулятором отражательной способности ФК в диапазоне частот, соответствующем запрещенной зоне, позволяет избежать потерь электромагнитной энергии, связанных с возбуждением затухающих волн высших типов на структурных элементах ФК в виде резонансных диафрагм и n–i–p–i–n-структуры.

Увеличение удельной электропроводности i‑слоя n–i–p–i–n-структуры до значений, больших 20 См/м, приводит к исчезновению примесной моды затухания колебаний на частоте f_1 теор и ее возникновению на частоте f_2 теор = 9.47 ГГц, отличной от f_1 теор. При этом на частоте f_2 теор с увеличением удельной электропроводности i-слоя в диапазоне 0…270 См/м коэффициент прохождения уменьшается от –0.1 дБ до –30.66 дБ (см. рис. 6 кривая 3). Дальнейшее увеличение удельной электропроводности приводит к монотонному росту коэффициента прохождения на частоте f_2 теор.

Частотные зависимости коэффициента прохождения ФК в схеме с Y-циркулятором демонстрируют высокую чувствительность к величине удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры. При этом на частотах f_1 теор и f_2 теор наблюдаются немонотонные зависимости коэффициента прохождения от величины удельной электропроводности i-слоя в широком диапазоне ее изменения (рис. 7).

Исчезновение примесной моды затухания колебаний на частоте f_1 теор в разрешенной зоне и ее возникновение на другой частоте f_2 теор передаточной характеристики при увеличении до определенной величины удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры обусловлено эффектом изменения типа резонансного отражения электромагнитного излучения в слоистых структурах с проводящими слоями [41, 42] от полуволнового резонанса к четвертьволновому.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА НА РЕЗОНАНСНЫХ ДИАФРАГМАХ

Экспериментально исследовался ФК, созданный также в соответствии с описанной выше моделью, но состоящий из семи алюминиевых резонансных диафрагм толщиной 10 мкм. Расстояние между диафрагмами выбрано равным 20 мм и фиксировалось с помощью слоя пенопласта, полностью заполняющего поперечное сечение прямоугольного волновода. В ФК в центральной диафрагме в качестве нарушения с управляемыми характеристиками была размещена n–i–p–i–n-матрица из диодов типа 2A505 (см. рис. 4).

Передаточную характеристику |D|² исследуемых ФК измеряли в схеме с Y-циркулятором (см. рис. 5) с помощью векторного анализатора цепей Agilent Microwave Network Analyzer N5242A PNA-X в диапазоне частот 8…12 ГГц.

Выбор размеров щелей диафрагм обеспечивал возникновение в диапазоне частот 8…12 ГГц одной разрешенной и одной запрещенной зон на частотных зависимостях коэффициентов прохождения |D|². Результаты измерений представлены на рис. 8.

Как следует из результатов эксперимента, частотная зависимость коэффициента прохождения сигнала из плеча 1 в плечо 3 циркулятора с ФК в схеме на отражение характеризуется наличием плоской разрешенной зоны в диапазоне частот 8.5…9.85 ГГц (см. рис. 8 кривая 1).

Введение в ФК n–i–p–i–n-матрицы в качестве нарушения центрального слоя приводит к возникновению резонансной особенности – примесной моды затухания колебаний в разрешенной зоне ФК на частоте f_1 эксп = 9.22 ГГц. Изменение величины управляющего тока n–i–p–i–n-структуры от 0 до 0.5 мкА приводит к уменьшению коэффициента прохождения на частоте примесной моды затухания колебаний f_1 эксп от –29.7 дБ до –39.7 дБ. Дальнейшее увеличение управляющего тока от 0.5 мкА до 193.5 мА приводит к монотонному увеличению коэффициента прохождения на частоте f_1 эксп от –39.7 до –0.8 дБ.

Такое поведение передаточной характеристики на частоте примесной моды связано с тем, что при малых токах инжекции 0…0.5 мкА n–i–p–i–n-структура поглощает электромагнитное излучение, это приводит к существенному уменьшению его отражения от ФК и, следовательно, сигнал на выход 3 Y-циркулятора практически не поступает.

При увеличении тока инжекции до 193.5 мА n–i–p–i–n-структура практически полностью отражает электромагнитное излучение, что приводит к передаче сигнала на выход 3 Y-циркулятора с минимальным ослаблением.

Увеличение тока, протекающего через n–i–p–i–n-структуру, до значений, больших 0.66 мА, приводит к возникновению примесной моды затухания колебаний на частоте f_2 эксп = 9.56 ГГц, отличной от f_1 эксп. При этом на частоте f_2 эксп с увеличением протекающего через n–i–p–i–n-структуру тока в диапазоне 0…8.15 мА коэффициент прохождения уменьшается от –0.82 до –43.27 дБ. Дальнейшее увеличение управляющего тока приводит к монотонному росту коэффициента прохождения на частоте f_2 эксп (см. рис. 8 кривая 8).

На рис. 9 представлены зависимости коэффициента прохождения |D|² сигнала из плеча 1 в плечо 3 Y-циркулятора с ФК в схеме на отражение на частотах примесных мод затухания колебаний ФК f_1 эксп и f_2 эксп от величины протекающего через n–i–p–i–n-структуру тока. Такое поведение передаточной характеристики ФК в схеме с Y-циркулятором при увеличении протекающего через n–i–p–i–n-структуру тока хорошо согласуется с результатами численного моделирования.

Как и было предсказано в результате численного моделирования, частотные зависимости коэффициента прохождения ФК демонстрируют высокую чувствительность к величине протекающего через n–i–p–i–n-структуру тока (см. рис. 9).

Таким образом, предложенная схема электрически управляемого фильтра заграждения, выполняющего роль модулятора и переключателя СВЧ-сигнала, на основе ФК на резонансных диафрагмах, реализованная с использованием Y-циркулятора. На частотах примесных мод затухания в прямом режиме обеспечены потери запирания ‒43.27 дБ и прямые потери на прохождение, равные –0.82 дБ. В инверсном режиме прямые потери составляют –0.82 дБ и потери запирания –39.7 дБ.

Для реализации в схеме с Y-циркулятором электрически управляемого фильтра заграждения с использованием ФК на резонансных диафрагмах с электрически управляемым размером щели диафрагмы, выполняющей роль нарушения, может быть использована конструкция, в которой вблизи одного из краев центральной диафрагмы со щелью уменьшенной ширины расположена n–i–p–i–n-структура [41] (рис. 10).

При больших прямых токах структура на n–i–p–i–n-диодах выполняет роль проводящего включения, уменьшающего ширину щели диафрагмы и смещающего положение примесной моды затухания колебаний в сторону высокочастотного края запрещенной зоны.

На рис. 11 представлены АЧХ коэффициентов прохождения |D|² сигнала из плеча 1 в плечо 3 Y‑циркулятора с ФК с электрически управляемым размером щели диафрагмы, выполняющей роль нарушения. Как следует из результатов эксперимента, в разрешенной зоне передаточной характеристики СВЧ ФК возникает примесная мода затухания колебаний на частоте f_1 эксп = 9.03 ГГц, которая смещается по частоте на величину, равную 160 МГц, в сторону высокочастотного края запрещенной зоны при пропускании через n–i–p–i–n-диодную структуру прямого тока, равного 550 мА. При этом на частоте примесной моды колебаний 9.03 ГГц наблюдается увеличение коэффициента прохождения от –20.35 дБ при I = 0 мА до –1.65 дБ при I = 550 мА.

Компьютерное моделирование передаточной характеристики СВЧ ФК с электрически управляемым размером щели центральной диафрагмы показало возможность значительного уменьшения прямых потерь, если удельная электропроводность i-слоя n–i–p–i–n-структуры достигнет величины 10⁵ См/м. Это может произойти при использовании n–i–p–i–n-структур с гетеропереходами, обеспечивающими более высокий уровень инжекции по сравнению с традиционными гомопереходами. Отметим, что управление размерами щелей диафрагм для достижения описанного выше эффекта смещения примесной моды затухания колебаний также возможно с использованием MEMS-ключей.

Примером применения фильтров с управляемыми n–i–p–i–n-диодами характеристиками, обладающих уровнем запирания на резонансной частоте более 43 дБ и потерями вне ее менее 0.8 дБ, может служить, например, фильтр для подавления субгармоник и более высоких гармоник в СВЧ-умножителях частоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование отражательных свойств ФК с диэлектрическим заполнением и резонансными диафрагмами позволило в схеме с Y-циркулятором реализовать систему, обладающую разрешенной зоной с частотно-независимой передаточной характеристикой, близкой к единице.

С использованием программы ANSYS HFSS трехмерного моделирования электромагнитных полей методом конечных элементов выполнен расчет передаточных характеристик СВЧ ФК с диэлектрическим заполнением и резонансными диафрагмами с нарушением периодичности в виде n–i–p–i–n-диодной матрицы в схеме с Y-циркулятором.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено существование примесных мод затухания колебаний в разрешенной зоне фотонного кристалла с частотно-независимой передаточной характеристикой в схеме с Y-циркулятором при изменении тока в n–i–p–i–n-диодной матрице, выполняющей роль нарушения в виде проводящего слоя в фотонном кристалле на резонансных диафрагмах.

Предложена и исследована система в виде ФК с плоской разрешенной зоной на резонансных диафрагмах с электрически управляемым размером центральной диафрагмы с помощью n–i–p–i–n-диодной структурой в схеме с Y-циркулятором.

Показана возможность использования отражательных свойств ФК с диэлектрическим заполнением и резонансными диафрагмами в схеме с Y-циркулятором для создания фильтров заграждения с характеристиками, управляемыми n–i–p–i–n-диодами. Фильтры заграждения обладают уровнем запирания в полосе заграждения более 43 дБ и потерями вне полосы менее 0.8 дБ.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (гос. задание № 8.7628.2017/БЧ) и стипендии Президента Российской Федерации (СП-3301.2018.3).