Радиотехника и электроника, 2023, T. 68, № 2, стр. 171-176

1. ДИСПЕРСИОННЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЛНОВОДА

Экспериментально дисперсионные зависимости, т.е. зависимости длины волны от частоты, в ДВ определялись с помощью разработанной нами методики [8]. Измерительная секция показана на рис. 2, где 1 – это ДВ, 2 – подложка из пористого фторопласта, 3 – металлический отражатель, 4 – подвижной металлический экран с вырезом под сечение ДВ. Волновод возбудителя 5 связан через измерительную секцию с анализатором цепей. На экране анализатора цепей наблюдалась интерференционная картина двух волн, одна из которых отражалась от неподвижного отражателя 3, другая – от подвижного 4. С помощью частотной метки измерителя фиксировался минимум сигнала на измеряемой частоте f. При перемещении неоднородности в сторону отражателя интерференционная картина смещалась относительно частотной метки, т.е. на месте минимума появлялся максимум, затем опять минимум и т.д. Подсчитывая число минимумов p при перемещении неоднородности на расстояние l и используя соотношение $l = p\frac{\Lambda }{2}$, определяли длину волны Λ в диэлектрическом волноводе на заданной частоте f. Экспериментальные дисперсионные зависимости для мод $E_{{11}}^{y}$ и $E_{{11}}^{x}$ показаны на рис. 3а и 3б.

Рис. 2.

Измерительная секция для определения длины волны в диэлектрическом волноводе: 1 – ДВ, 2 – подложка из пористого фторопласта, 3 – металлический отражатель, 4 – подвижной металлический экран с вырезом под сечение ДВ, 5 – волновод возбудителя.

Рис. 3.

Зависимости длины волны Ʌ от частоты f для моды $E_{{11}}^{y}$ (а) и $E_{{11}}^{x}$ (б): 1 – трехмерное электродинамическое моделирование без подложки, 2 – трехмерное электродинамическое моделирование с подложкой, 3 – эксперимент, 4 – приближенный метод Маркатили.

Расчет дисперсионных зависимостей проводился с помощью приближенного метода Маркатили [8, 9] и электродинамического моделирования методом конечных элементов.

Результаты расчетов дисперсионных зависимостей методом Маркатили показаны на рис. 3а и 3б. Как видно из графиков, для волны $E_{{11}}^{y}$ результаты расчетов совпадают с экспериментом, а для волны $E_{{11}}^{x}$ заметное расхождение результатов обнаруживается на частотах ниже 32 ГГц. На этих же рисунках приводятся результаты расчетов, выполненных с помощью программного трехмерного моделирования. Заметим, что влияние подложки из пористого фторопласта незначительно сказывается лишь в области низких частот. В этом случае наблюдается полное совпадение теории с экспериментом как для $E_{{11}}^{x}$, так и для $E_{{11}}^{y}$.

Определим погонные потери как потери α на единицу длины ДВ. Вначале представим экспериментальные данные этих потерь в ДВ из кремния на низших модах $E_{{11}}^{x}$ и $E_{{11}}^{y}$. Измерения проводились следующим образом: вначале измеряли общие потери волноводной секции, показанной на рис. 1 (с двумя возбудителями). Они включали в себя потери на возбуждение и собственные потери в волноводе. Затем в разрыв волноводной секции вставляли дополнительный ДВ длиной 26 мм из кремния, и опять измеряли общие потери. Вычитая из второго значения измеренных общих потерь первое и деля полученную разность на длину дополнительного волновода, мы находили искомые погонные потери α. Экспериментальные зависимости погонных потерь от частоты для ДВ из кремния на модах E₁₁^x и $E_{{11}}^{y}$ приведены в табл. 1 и показаны на рис. 4.

Рис. 4.

Зависимости погонных потерь α от частоты f в диэлектрическом волноводе из кремния для $E_{{11}}^{x}$ (кривая 1) и $E_{{11}}^{y}$ (кривая 2).

Для волны $E_{{11}}^{y}$ в полосе частот 29…37 ГГц погонные потери составляют 0.09…0.12 дБ/см, а на более низких частотах они возрастают до 0.14 дБ/см. На волне $E_{{11}}^{x}$ эти потери существенно выше, и в диапазоне частот 30…37 ГГц они находятся в пределах 0.26…0.28 дБ/см. Проведенные расчеты для моды $E_{{11}}^{y}$ показаны на рис. 5 (кривая 2). Расчет проводился следующим образом. Для каждой экспериментальной точки с помощью трехмерного электродинамического моделирования находили значения тангенса угла потерь кремния, которые затем использовали при определении погонных потерь α. В этом случае наблюдается достаточно хорошее совпадение результатов расчета с экспериментом.

Рис. 5.

Зависимость погонных потерь α от частоты f в диэлектрическом волноводе для $E_{{11}}^{y}$: 1 – эксперимент, 2 – расчет.

2. ВОЗБУДИТЕЛЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЛНОВОДА

Возбудители – это устройства, которые осуществляют в линиях передачи как ввод, так и вывод мощности. Представленный здесь возбудитель обеспечивает преобразование волны H₁₀ металлического волновода в рабочую волну диэлектрического волновода. Принцип построения возбудителей заключается в следующем. Путем изменения размеров как металлического, так и диэлектрического волновода (либо одного из них) требуется получить распределение поля (амплитудное и фазовое), близкое к распределению поля рабочей моды в ДВ. В этом случае потери мощности на излучение и отражение будут минимальными, а эффективность возбуждения, определяемая как отношение мощностей возбужденной и возбуждающей волн, будет максимальной. Выполненный строгий электродинамический расчет для возбудителя, представленного на рис. 1 (скошенный ДВ вставлен в металлический волновод), показал, что для волны $E_{{11}}^{y}$ наилучшие результаты обеспечивает возбудитель с симметричным углом скоса 9° в плоскости E металлического волновода (т.е. изменяется размер b диэлектрического волновода, а размер a остается постоянным). Результаты эксперимента представлены в табл. 2 и достаточно хорошо согласуются с расчетами, выполненными с помощью трехмерного электродинамического моделирования. Для волны $E_{{11}}^{y}$ в полосе частот 30…37.5 ГГц потери на возбуждение не превышают 0.4 дБ, при уменьшении частоты до 26 ГГц потери возрастают до 0.6 дБ (рис. 6). На волне $E_{{11}}^{x}$ минимальные потери составляют 0.8 дБ на частоте 37 ГГц и возрастают до 4.3 дБ на частоте 30 ГГц. Увеличение потерь мощности на волне $E_{{11}}^{x}$ объясняется тем, что при уменьшении частоты поля сильнее выходят за границы ДВ и металлический волновод рассеивает мощность на этих частотах.

Рис. 6.

Зависимость потерь L возбудителя от частоты f в ДВ из кремния для $E_{{11}}^{x}$ (кривая 1) и $E_{{11}}^{y}$ (кривая 2).

Данные табл. 2 показывают, что потери на возбуждение для волны $E_{{11}}^{y}$ в полосе частот 29…37 ГГц находятся в пределах 0.33…0.39 дБ и возрастают до 0.61 дБ на частоте 26 ГГц. Для волны $E_{{11}}^{x}$ они составляют 0.82 дБ на частоте 37 ГГц и возрастают до 4.3 дБ на частоте 30 ГГц. Увеличение потерь на возбуждение для волны $E_{{11}}^{x}$ объясняется тем, что при уменьшении частоты поля сильнее рассеиваются металлическим волноводом.

3. ОПТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЙ АТТЕНЮАТОР

Прежде чем обратиться непосредственно к конструкции и параметрам оптически управляемому аттенюатору, рассмотрим кратко физические идеи, которые используются при его разработке. В основе его работы лежит явление внутреннего фотоэффекта. Ширина запрещенной зоны собственного кремния равна Δε = 1.1 эВ = 1.8 × 10^–19 Дж, т.е. красная граница фотоэффекта составляет 1.1 мкм. При освещении ДВ из кремния светом с длиной волны меньше красной границы фотоэффекта в волноводе образуются свободные электроны, с которыми может взаимодействовать волна диэлектрического волновода. Например, для ИК-света с длиной волны λ = 0.95 мкм = 0.95 × 10^–6 м энергия кванта равна

т.е. превышает ширину запрещенной зоны Δε кремния, и фотоэффект имеет место.

В основе конструкции оптически управляемого аттенюатора лежит волноводная секция, показанная на рис. 1. Управление затуханием проходящей по кремниевому волноводу электромагнитной волны осуществляется с помощью линейки светодиодов 3Л119, которая размещается на расстоянии 3 мм от верхнего края кремниевого волновода. При пропускании тока через светодиоды происходит генерация ИК-излучения с длиной волны λ = = 0.95 мкм, которое падает на кремниевый волновод. При освещении высокоомного кремния ИК-светом на его поверхности образуются неравновесные электроны. Электромагнитная волна, распространяющаяся по кремниевому волноводу, взаимодействует с этими свободными электронами, передает им часть своей энергии и затухает. Причем затухание электромагнитной волны определяется концентрацией свободных электронов, которая зависит от мощности ИК-излучения. В свою очередь мощность излучения зависит от тока светодиодов, т.е. все в конечном счете определяется величиной тока светодиодов. Эту картину можно описать несколько иначе. При освещении высокоомного кремния ИК-излучением его поверхностное сопротивление резко уменьшается, что и вызывает затухание распространяющейся в нем электромагнитной волны. В эксперименте ток, проходящий через светодиоды, изменялся от 0 до 300 мА.

Измерение характеристик аттенюатора производилось с помощью анализатора цепей в полосе частот 26…37.5 ГГц. Рабочей волной аттенюатора являлась мода $E_{{11}}^{y}$. Зависимости затухания мощности L от тока светодиодов I регистрировали на разных частотах. На рис. 7 представлены графики этих зависимостей на частотах 28 и 36 ГГц.

Рис. 7.

Зависимости затухания мощности L от тока светодиодов I на частоте 28 (треугольники) и 36 ГГц (крестики); сплошные кривые 1 и 2 – аппроксимация.

При токе светодиода, равном нулю, начальные потери составляют 0.6 дБ. При максимально допустимом токе светодиодов, равном 300 мА, затухание составляет 23.5 дБ на частоте 28 ГГц и 21.3 на частоте 36 ГГц. Таким образом, диапазон изменения затухания превосходит уровень 20 дБ, что и требуется для большинства устройств. Отметим, что затухание можно существенно увеличить, включив дополнительные светодиоды.

И еще обратим внимание на тот факт, что при одном и том же токе светодиодов затухании на частоте 36 ГГц меньше, чем на частоте 28 ГГц, т.е. при увеличении частоты затухание уменьшается. Объяснение этого явления относительно несложно, если вспомнить, что при увеличении частоты мощность более концентрируется в середине диэлектрического волновода и величина поля на его поверхности уменьшается. А так как проводимость при освещении меняется главным образом на поверхности (а не в глубине) волновода, поэтому и затухание будет слабей на более высоких частотах.

4. МЕХАНИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЙ АТТЕНЮАТОР

В диэлектрическом волноводе часть энергии распространяется за пределами волноведущей полоски. Введение в эту область поглощающего материала обеспечивает затухание электромагнитной волны, которое зависит от расстояния между волноведущей полоской и поглощающей пластиной. В практически реализованном аттенюаторе поглощающая структура состояла из платинированной слюдяной пластины, наклеенной на ферроэпоксид. В табл. 3 приведены результаты эксперимента, т.е. зависимости затухания от расстояния между волноведущей полоской и поглотителем на частотах 28 и 36 ГГц.

5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЙ ФЕРРИТОВЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

При создании электрически управляемого фазовращателя используется тот факт, что для волновода формата a/b = 0.5 постоянные распространения волн низшего типа разнесены настолько, что при продольном намагничивании феррита отсутствует преобразование одной волны в другую (устраняется эффект Фарадея). В практически реализованном фазовращателе в разрыв кремниевого волновода вставлялась такая же по поперечным размерам полоска из никель-цинкового феррита марки 1СЧ-4. Соленоид длиной 20 мм и диаметром 12 мм содержал 150 витков медного провода. Зависимость фазового сдвига от тока намагничивания приведена в табл. 4. Фазовый сдвиг 180 град достигался при токе, проходящем через соленоид, 0.62 А на частоте 28 ГГц и 0.49 А на частоте 36 ГГц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие результаты.

1. С помощью разработанной волноводной секции в диапазоне частот 26…37 ГГц произведены экспериментальные исследования дисперсионных зависимостей и погонных потерь кремниевого волновода. Погонные потери для волны $E_{{11}}^{y}$ существенно меньше, чем для $E_{{11}}^{x}$, и она выбрана в качестве рабочей моды.

2. В полосе частот 28…36 ГГц разработана элементная база, которая включает в себя возбудитель с максимальными потерями на возбуждение 0.5 дБ, оптически управляемый аттенюатор с вносимым затуханием от 1 до 22 дБ, механически управляемый аттенюатор с вносимым затуханием от 1.2 до 25 дБ, электрически управляемый фазовращатель, обеспечивающий фазовый сдвиг от 0 до 360 град.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.