Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих модуляторов диапазона миллиметровых волн и. возможности применения лазера для целей управления 10
1.1 Введение к главе 10
1.2 Общая характеристика модуляторов 10
1.3 Концепция проектирования опторадиоэлектронных модуляторов 14
1.4 Лазер как средство управления опторадиоэлек тронными модуляторами 15
1.5 Принципы использования взаимодействия оптического излучения с веществом применительно к созданию радиоустройств миллиметрового диапазона волн 18
1.6 Выводы к главе 37
2 Проектирование опторадиоэлектронных модуляторов миллиметровых волн с лазерным управлением 42
2.1 Введение к главе 42
2.2 Разработка исходных положений 42
2.3 Разработка и исследование математических моделей 46
2.3.1 Обобщенная модель опторадиоэлектронного модулятора 46
2.3.2 Моделирование опторадиоэлектронных модуляторов на отрезках линий передачи 51
2.3.3 Результаты анализа математического моделирования по сверхвысокой частоте 76
2.3.4 Математическое моделирование некоторых экспериментов и топологические модели модулятора 84
2.3.5 Моделирование управляющего воздействия 92
2.3.6 О физическом моделировании 114
2.4 Выводы к главе 116
3 Особенности технологии и конструирования опторадиоэлектронных модуляторов миллиметровых волн с лазерным управлением 120
3.1 Введение к главе 120
3.2 Особенности проектирования модуляторов 120
3.3 Выводы к главе 130
4 Принципы проектирования и экспериментальные исследования опторадиоэлектронных модуляторов 133
4.1 Введение к главе 133
4.2 Основные принципы проектирования и сравнение полученных результатов с известными 133
4.3 Результаты экспериментов 139
4.4 Выводы к главе 145
Заключение 147
Список литературы 149
Приложение 1 165
- Лазер как средство управления опторадиоэлек тронными модуляторами
- Моделирование опторадиоэлектронных модуляторов на отрезках линий передачи
- Математическое моделирование некоторых экспериментов и топологические модели модулятора
- Основные принципы проектирования и сравнение полученных результатов с известными
Введение к работе
Актуальность темы. Разработанные до настоящего времени СВЧ приборы, в частности переключатели и модуляторы диапазона миллиметровых волн (ММВ), обеспечивают ослабление мощности в режиме пропускания электромагнитной волны около 0,5 дБ [1]-[3], быстродействие около 4 не [1]; отдельные приборы малой мощности - десятки пикосекунд [4]. Широкое распространение получили мощные газоразрядные переключатели и переключатели на p-i-n-диодах [5], а также переключатели в основном небольшой мощности на других полупроводниковых (ПП) структурах. Их физические принципы функционирования достаточно хорошо известны [3].
В последние годы значительно возрос интерес к устройствам, управляемым с помощью лазера. Лазер позволяет получать управляющие импульсы когерентного электромагнитного излучения длительностью около Ю-15 с [4], [6]. Регулирование параметров устройства лазерным излучением обусловлено изменением состояния активного вещества, находящегося в этом устройстве. Достижения в области применения лазеров показали, что воздействие лазерным излучением является весьма гибким средством управления, которое позволяет изменять как макроскопические, так и микроскопические состояния объектов воздействия. Физическая концепция лазерного управления основана на способности лазерного излучения эффективно и избирательно возбуждать различные степени свободы состояния вещества или среды, на которые направлено управляющее воздействие [7]. Известны отдельные попытки эмпирического характера использовать лазер для управления микроволнами. Созданные при этом приборы обладают улучшенными электрическими и конструкторско-технологическими показателями [4], [8]-[12].
Интерес к диапазону ММВ обусловлен рядом специфических положи-
- І>
тельных свойств этих волн. В частности, радиотехнические средства различного назначения, работающие в диапазоне сантиметровых волн (СМВ), принципиально не обеспечивают требуемых в настоящее время характеристик [13]. К особенностям ММВ отрицательного свойства можно отнести высокие потери как в металлах, так и в диэлектриках. При этом мало изучены свойства, материалов и веществ в интервале частот (94-300) ГГц, В диапазоне ММВ примерно на порядок ужесточаются технологические допуски на размеры линий передачи, элементов тракта и антенных устройств по сравнению с аналогичными устройствами СМВ. Поэтому непосредственный перенос идей построения и конструкций устройств в освоенных диапазонах на ММВ, а также применение теории подобия, сталкиваются с непреодолимыми технологическими и принципиальными трудностями [2]. Важным направлением развития техники ММВ является создание устройств на основе квазиоптических линий передачи (линия Губо и др.). В США [2] предложен модульный принцип конструировалия устройств ММВ. Модули выполнены на круглых волноводах с волной Нп, имеют низкие потери и перекрывают диапазон (12,4-220) ГГц. В приборах ММВ могут использоваться свойства ГШ изменять концентрацию носителей заряда под действием света и тепла. Результаты исследовалия влияния освещенности на, затухание волн в полосковом волноводе с германиевым элементом указывают на возможность регулирования амплитуды сигнала в динамическом диапазоне (25-30) дБ при изменении освещенности от 10 до 1200 лк (около (0,015-1,8) Вт/м2). Начиная с частоты 90 ГГц свойства ферритов и ПП становятся "сравнимы", но ПП выигрывают по технологичности. Трудности, возникающие при миниатюризации, могут быть преодолены применением полосковых диэлектрических волноводов И ПП пластин с инжектированными контактами. В целом разработка устройств ММВ находится в начальной стадии и основой для нее является поиск новых принципов и использование различных физических эффектов [2].
При высоких степенях интеграции и миниатюризации в радиоэлектронике возникают специфические проблемы в связи с допустимой предельной мощностью теплового рассеивания, неуправляемыми связями в кристаллах, надежностью функциональных систем и т.д., приводящие к тому, что
в -
дальнейшая интеграция и миниатюризация теряют смысл. Наступает преде.;] интеграции и миниатюризации существующих электронных устройств. Одним из путей преодоления отмеченных трудностей является отказ от электрического тока как носителя информации и средства для ее обработки, и замена его полевыми явлениями, в частности, в нелинейных вол.поведу щи х среда.х в сочетании с гибкими управляемыми линиями передали план арного или объемного типов [14].
Освоение ММВ осложняется недостаточным уровнем развития технологии, что связано с высокими требованиями к допускам [14]. На частотах свыше 100 ГГц снижается чувствительность радиоприемных устройств, возрастают трудности эффективного генерирования колебаний. Традиционные радиофизические методы построения аппаратуры ММВ и исследования электродинамических систем не позволяют достичь желаемых результатов. Поэтому в этом диапазоне используют как методы радиофизики, так и методы инфракрасной техники и оптики (линия Ообела и т.н.). В длинноволновой и частично в средневолновой частях ММВ широко используются методы измерений и опыт разработки элементов приборов и систем GMB [15].
Та/ким образом, встает задача принципиального освоения диапазона ММВ, задача улучшения характеристик приборов этого диапазона, задача проведения шгучных исследований в этом диапазоне для получения новейшей информации [16] и создания принципиально новых приборов ММВ, и, в особенности, мощных. Обрисованную проблему возможно разрешить при помощи применения лазера. Данный аспект на сегодняшний /юнь недостаточно разработан. Однако уникальные свойства лазерного излучения, а также качества лазера как устройства, положительно предвещают устранение этой проблемы [17].
Цель и задачи диссертационного исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи. Это создание теоретической и эмпирической баз для проектирования СВЧ приборов ММВ - оптора-диоэлектронных модуляторов. Создание высокоэффективных модуляторов ММВ на. принципиально новой основе; в частности, при использовании достоинств таких приборов как лазеры и достижений в области современного
материаловедения, применяя современные радпоматериалы и не исключая разработки новых материалов с необходимыми свойствами для диапазона
ммв.
Поставленная цель предполагает: обзор соответствующих достижений как в рассматриваемой области, так и в смежных областях; создание физико-математической концепции новых приборов: разработку математических и физических моделей и определение функциональных возможностей будущих технических решений и соответствующих им алгоритмов. На основании полученных данных необходимо определить общие принципы построения модуляторов ММВ с лазерным управлением - опторадиоэлек-тронных модуляторов (ОРЭМ) и рассмотреть конкретные их реализации.
Методы исследований. Для достижения поставленной цели осуществлен эвристический подход при выборе структуры моделей, применен аппарат высшей алгебры, теория функций комплексной переменной, дифференциальное и интегральное исчисления, математический анализ. Для нахождения параметров математических моделей (ММ) применена ЭВМ. В работе рассматриваются аналитические, графические, топологические и алгоритмические модели. Физические модели (ФМ) представляли собой макеты реальных приборов, позволявшие проводить эксперименты.
Научные положения, выносимые на зашиту:
Определены модели физических сред; уточнены закономерности распространения электромагнитной волны через границу раздела двух сред в одномодовой линии передачи:
Получены аналитические выражения, явившиеся основополагающими при разработке обобщенной ММ модулятора, позволившей с достаточной степенью точности воспроизводить реальные физические процессы:
3. Проведена разработка радиооптических материалов (РОМ) с удо
влетворяющими требованиям параметрами и получены характеристики
различных ОРЭМ. выполненных на основе отрезков нерегулярной линии
передачи.
4. Получены аналитические выражения, позволяющие выполнить про
ектирование и расчет ОРЭМ; разработаны ММ ОРЭМ на основе внешнего
и внутреннего фотоэффектов и термического эффекта. Проведено физиче-
скос моделирование ОРЭМ.
Изложены принципы проектирования ОРЭМ, разработаны программы, позволяющие исследовать, моделировать и рассчитывать ОРЭМ; предложен ряд вариантов конструкций ОРЭМ;
Разработан способ определения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь физических сред в режиме бегущей волны.
Практическая значимость работы:
1. Разработанные модели и методы дают возможность проектировать
и рассчитывать ОРЭМ ММВ, управляемые лазером;
2. Представленные программы для ЭВМ, а также графический ма-
териал, позволяют решать проектно-исследовательские задачи при минимальных затратах материальных ресурсов и времени;
Полученный аналитический и графический материал может быть использован при решении научно-исследовательских и прикладных задач иного назначения;
Запатентованы четыре устройства ОРЭМ и способ определения диэлектрических параметров материалов.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на EAST-WEST Workshop on Mikroelectronic Sensors, 1991, Sozopol, Bulgaria, на Ш-й Украинской Республиканской научно-технической конференции "Теория и практика измерений параметров электромагнитных колебаний и линий передачи", Харьков, 1991 г., на Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения". Новосибирск, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000 г.г., на Российской научно-технической конференции, посвященной Дню радио, Новосибирск, 1993 г., на Международной научно-технической конференции "Информатика и проблемы телекоммуникаций", посвященной 100-летнему юбилею РАДИО, Новосибирск, 1995 г., на Международной научно-технической конференции "Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении", Новосибирск, 1995 г., на Российской научно-технической конференции " Информатика и проблемы телеком-
муникаций", Новосибирск, 1996 г, на Международной научно-технической конференции "Информатика и проблемы телекоммуникаций", Новосибирск, 2001 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи, в том числе статья в центральной печати, 6 тезисов и 11 статей Региональной, Республиканских и Международных конференций, 5 Информационных листков (Новосибирский ЦНТИ), получено 5 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Реализация результатов работы. Результаты диссертации использованы: в Новосибирском государственном техническом университете для дипломного проектирования; при выполнении научно-исследовательских работ (НИР) в совместной с АО "БЕГА"(г. Бердск Новосибирской области) лаборатории "СВЧ энергетики"; в разработках ФГУП НИИЭП (г. Новосибирск).
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 115 страницах машинописного текста, включая 4 таблицы, иллюстрирована рисунками и графиками на 33 страницах, и состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы на 16 страницах из 176 наименований, приложений на 15 страницах.
На защиту выносится:
Теоретические основы проектирования ОРЭМ, условия согласования импедансов и закономерность распространения электромагнитной волны через границу раздела сред в условиях линии передачи, работающей в одномодовом режиме;
Концепция выбора радиооптического материала, возможности расчета его параметров и проектирование и расчет активных элементов ОР ЭМ;
Методика анализа ММ ОРЭМ и анализ отдельных моделей модуляторов;
Физические модели ОРЭМ и особенности их проектирования.
Лазер как средство управления опторадиоэлек тронными модуляторами
Очевидно, что с помощью лазера можно управлять приборами благодаря двум факторам: специфическим свойствам лазерного излучения и специфическим свойствам самого лазера как прибора. Рассмотрим специфические свойства лазерного излучения и попытаемся определить возможности управления с их помощью СВЧ приборами ММВ. Основным свойством лазерного излучения является высокая степень когерентности. В среднем для лазера ширина спектра излучения А/ составляет 10 МГц, что обусловливает время когерентности 0,1 мкс и длину когерентности (в воздухе) 30 м. А/ за счет специально принимаемых мер может быть доведена, до значения около 10 кГц и тогда время когерентности составит значение 0,1 мс, а длина когерентности - 30 км. Для сравнения укажем, что для натриевой лампы А/ составляет 10 ГГц и время когерентности соответственно Ю-10 с, а длина когерентности - 3 см.
Далее, лазерное излучение характеризуется высокой степенью монохроматичности. Монохроматичность оценивают величиной отношения А///. В среднем для лазера А/// составляет значение 1СГ7-10 8, а в особых случаях - 10 10-10 п (для приборов радиодиапазона А/// 10 9; для натриевой лампы - 10 4-10 5.
Расходимость лазерного луча можно оценить в 10 3 рад (0,1-20 мрад). Для ПП лазера - 20-500 мрад. Диаметр луча может составлять значение около 1 мкм. Фокусируя луч лазера с помощью линз, можно получить значение энергетической яркости излучения около 1020 Вт/(ср-м2), что соответствует плотности потока энергии 1014 Вт/м2 (у поверхности Земли плотность потока солнечного света составляет 103 Вт/м2). При этом с помощью лазера вещество может быть нагрето до температуры 10 К.
Лазерное излучение представляет собой практически идеально плос-кополяризованную волну. Как известно, неполяризованный свет является волной с поляризацией, изменяющейся хаотично с частотой приблизительно 1 ТГц. Представление о степени поляризации лазерного излучения можно составить, рассматривая параметры, характеризующие когерентность. Мощность излучения лазеров в непрерывном режиме лежит в пределам от долей милливатта (ПП) до сотен киловатт (газовые), а к.п.д. их - соответственно от долей процента до 50 % [4]. О шумах лазеров говорить не приходится, т.к. величина их составляет единицы нановатт и они проявляют себя лишь в таких чувствительных приборах как поляриметры.
Таким образом, налицо пять специфических свойств излучения лазера: когерентность, монохроматичность, поляризованность, минимальная расходимость луча, высокая энергетическая яркость. Анализ влияния на физические среды перечисленных свойств выполнен в работе [34]. Рассмотрение результатов такого анализа позволило заключить, что ни одно из указанных выше качеств излучения лазера непосредственно не дает возможность решить стоящую здесь проблему. Проявление этих свойств при взаимодействии лазерного излучения с веществом или какой-либо средой, либо принципиально не дает желаемого эффекта, либо дает слабо выраженный эффект, непригодный для эффективного управления ММВ в трасте линии передачи. Кроме того, при попытке использовать некоторые явле 17 ния, например, многофотонную ионизацию, происходит необратимое изменение вещества, В пользу сделанных выводов говорит также применение лазеров в науке и технике: либо используется лазерное излучение малой интенсивности (для целей медицины, связи, метрологии), которое оказывает сравнительно слабое, обратимое воздействие на вещество (комбинационное рассеяние и т.п.); либо применяются мощные лазеры для разрушения вещества, т.е. для технологических целей.
Эффективное воздействие лазерного излучения на вещество без его разрушения (результат воздействия обратим), для управления свойствами вещества, может состоять в термическом эффекте - нагреве вещества, или в инициировании однофотонного фотоэффекта. При этом основополагающим свойством излучения будет являться величина энергетической яркости, которая и обеспечит необходимые эффекты при взаимодействии излучения с веществом. Однако, при определенных обстоятельствах, может быть использовала двухфотонная или многофотоннал ионизация. Для инициирования низкотемпературной плазмы газовых разрядников возможно применить как внешний фотоэффект, так и явление фотоионизации газа при непосредственном действии излучения лазера на газ.
Возможно получение импульсов лазерного излучения длительностью порядка 10 15 с [6]. Сочетание большой величины энергетической яркости и столь малых времен делает взаимодействие излучения лазера с материей уникально подходящим для решения поставленной здесь задали. Кроме того, способствуют применению лазера такие его особенности, как малые габариты и масса (ПП лазеры), что позволяет оптимальным образом сочетать их с любыми трактами передачи ММВ, в том числе и в интегральных микросхемах. Долговечность лазеров (в частности ПП) составляет более 104 ч, а оценки ресурсных ограничений по внутренним деградационным процессам составляют 10і0 ч [35].
Среда, используемая в качестве радиооптического материала, должна обусловить минимальные потери СВЧ энергии. При действии лазерного луча данная среда должна перейти в состояние с большим поглощением или отражением СВЧ энергии. Необходимые значения величин, характеризующих поглощение или отражение энергии, должны достигаться благодаря большой развивающейся величине тангенсов углов диэлектрических tg4 и магнитных tg потерь или удельной объемной электропроводности о. Создавая высокую степень проводимости или поглощения энергии ММВ рабочим веществом возможно получить практически полное запирание тракта передачи.
При величинах энергетической яркости В больших 1012 Вт/(ср-м2) (плотность потока излучения Ф 106 Вт/м2) возможно оптическое разрушение материалов. Поэтому при превышении указанных значений должна быть уверенность, что применяемый радиооптический материал не будет разрушен. Нужно выбирать радиооптический материал с соответствующей оптической прочностью. При величине В « 1015 Вт/(ср-м2) (Ф « 109 Вт/м2) осуществляется плавление металлов. При В « 1014 Вт/(ср-м2) (Ф « 108 Вт/м2) наблюдается испарение неметаллов, а многофотонное поглощение требует по меньшей мере величины В « 1015 Вт/(ср-м2) [27], [9], [34], [36]-[38]. Создание быстродействующих приборов ММВ на основе термического эффекта,, из-за высокой инерционности тепловых процессов и сложности ее снижения, задача значительно более трудная, чем создание таких приборов с использованием фотоэффекта.
Моделирование опторадиоэлектронных модуляторов на отрезках линий передачи
В этом случае область, заполненная неравновесными носителями заряда., обладает показателем преломления большим, чем в остальной части волновода.. На указанном выше рисунке штриховой линией представлены результаты эксперимента - зависимость коэффициента затухания а от интегральной проводимости поверхностного слоя ady а сплошной линией - результат расчета на. ЭВМ для ПП волновода, сечением 1,8x0,9 мм2 и / = 35 ГГц. Потери в режиме свободного прохождения волны через модулятор в полосе (35Ч-2) ГГц не превышали 0,7 дБ, благодаря использованию рупорных поглотителей в местах разрыва металлического волновода. Из рис. І.4 видно, что с увеличением ad величина а проходит через максимум (2,2 дБ/мм) при ad « 5 Ю-2 См. Дальнейший рост ad приводит к падению а практически до нуля, а фазовый сдвиг волны, распространяющейся но волноводу, достигает максимума. На рис. 1.5 представлены осциллограммы переходных процессов для а при импульсном освещении Si (tQ = 50 мкс, ЛЛ = 0,93 мкм) и различных значениях Ф:
Кривая 1 - Ф/Фтах = 0,5, 2 - Ф/Фтах = 0,8, 3 - Ф/Фтах = 0,95. ЗдвСЬ же указывается на постоянство г неравновесных носителей заряда и на линейную рекомбинацию через локальные центры в высокоомном Si при небольших уровнях фотовозбуждения, а также - на происходящее увеличение эффективного времени релаксации фотопроводимости при большой интенсивности освещения.
В работе [24] приводятся результаты экспериментальных исследований в диапазоне (36 50) ГГц оптически управляемых устройств, содержащих отрезок ПЗВ (є — 9,6, tg 5 = 4 10 4, объем - 1 х 1 х 60 мм3) и электромагнитно-связанный с ним прямоугольный резонатор из высоко-омного Si (є — 11,6, tg 5f — 1 10 3, а « 0,9 Ю-2 См/м (в темноте), объем -2x1x5 мм3) или КЗВ (2x1x17 ммЛ). Исследовалось с помощью панорамного измерителя коэффициента стоячей волны напряжения и ослаблений влияние зазора между ПЗВ и резонатором, а также между ПЗВ и КЗВ, на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). Освещалась поверхность КЗВ или резонатора светодиодом AJ1119 (АЛ = 0, 9 мкм, напряжение U = 3 В, ток I = 0,25 А). Макет первого устройства содержал входной и выходной переходы на стандартный волновод сечением 5,2 х 2,6 мм2, отрезок ПЗВ с входным и выходным скосами на концах, кремниевый резонатор в форме параллелепипеда и полированную латунную подложку. Резонатор и ПЗВ закрепляли на подложке с помощью клея БФ-2.
В устройстве осуществлялся резонансный режим работы на стоячей волне вследствие отражений волны Е\х от граней резонатора. Наличие только волны Ef] обусловлено выбором поперечных размеров резонатора, что обеспечивает на участке электромагнитной связи с ПЗВ, при отсутствии зазора между ПЗВ и резонатором, образование композиционного волновода. В результате на АЧХ должны наблюдаться частотные резонансы, соответствующие целому числу полуволн на длине резонатора. При наличии зазора устройство переходит в режим связанных колебалий, что обусловливает возможность возникновения как волны Е\ п так и волны /. Эффективное взаимодействие ПЗВ и резонатора в этом случае возможно, когда фазовые скорости волн в них близки друг к другу. Так как ширина резонатора вдвое превышает ширину ПЗВ и диэлектрические проницае-мости их сравнимы, взаимодействие осуществляется между волнами Е\х ПЗВ и Е\х резонатора (их фазовые скорости сравнимы по величине). В результате на АЧХ должны наблюдаться резонансы, сдвинутые по частоте относительно АЧХ композиционного волновода., поскольку изменяется длина волны. Поэтому при отсутствии света устройство представляет собой режекторный фильтр, АЧХ которого зависит от величины зазора. При освещении активные потери резонатора возраста/ют и он становится подобным резистивной частотно-независимой нагрузке.
Макет второго устройства включает КЗВ с согласующими скосами, что обусловливает режим бегущей волны. Вели зазор отсутствует, то КЗВ и ПЗВ образуют композиционный волновод с волной Е\х. Если же имеется зазор, то возможно распространение волн Еуп и Е\г и имеет место режим работы на связанных колебаниях, по аналогии с ответвителями с распределенной связью отрезков двух различных волноводов. Наибольшее влияние КЗВ обеспечивается выбором длины связи и величины зазора. В результате на АЧХ будет наблюдаться плавное изменение начальных потерь, обусловленное излучением энергии с поверхности согласующих скосов КЗВ. При этом АЧХ может регулироваться изменением зазора. Нарис. 1.6 представлены частотные зависимости атт (кривая 1} и атах (кривая 2) макета, устройства. Кривая 1 соответствует отсутствию зазорам освещения. К р и вал 2 - то же, но при освещении КЗ.В. Видно, что АЧХ практически не зависит от частоты.
Таким образом, эксперименты подтверждают возможность достаточно эффективного оптического управления АЧХ устройств, содержащих резонаторы или электромагнитно-связанные отрезки КЗВ и ПЗВ. Динамический диапазон регулирования амплитуды в полосе частот (36 50) ГГц составляет 19 дБ. Что же касается ПП волновода, то, в зависимости от значений Ф света, его можно использовать как широкополосный управляемый светом аттенюатор, переключатель или фазовращатель в ММВ диапазоне. При умеренных значениях Ф эффективную амплитудную модуляцию СВЧ волны возможно получить применив Si. Варьирование параметрами, создаваемых на его основе активных устройств СВЧ, возможно за счет изменения условий освещения и его фотоэлектрических свойств.
Необходимо отметить работу [32], в которой рассматривается исследование интерферометрического эффекта в ПП в диапазоне ММВ. Изучалось отражение ММВ от планарной структуры из ІШ панели, воздушного зазора, и металлического отражателя при воздействии на. нее света. Варьированием размеров и свойствами материала при параллельном световом воздействии достигалось полное поглощение электромагнитной волны. Показано, что такая система может практически полностью или поглощать, или отражать электромагнитные волны в зависимости от значения о ПП. На основе данных исследований может быть создан, например, амплитудный модулятор ММВ, управляемый светом.
Эквивалентная структурная схема рассматриваемого устройства показала на рис. 1.7. Область і воздушная среда с постоянной распространения 7о = «о + jfio, через которую распространяется ММВ. Е - напряженность электрического ноля (Н - напряженность магнитного поля) падающей на германиевую панель волны. ER - отраженное поле. Область II - ГШ панель толщиной 1\ с постоянной распространения у = a + j(3-Область Ш - воздушный зазор толщиной / (% — а„ + jf3„). Для воздуха полагали а0 — 0. Область IV - металлический отражатель.
Математическое моделирование некоторых экспериментов и топологические модели модулятора
Проанализируем рис. 2.9 - рис. 2.45 на предмет получения оптимальных параметров радиооптического материала. Наилучшее прохождение СВЧ через линию передачи с вкладышем из радиооптического материала имеет место при минимальных є 2 и //о, 0 а о 1 См/м, 0 tg 52 = tg6M3 0,1. Минимальным изменениям фазы волны удовлетворяют следующие з словия: є2 = {її 2, т2 0,1 См/м, tg 5Є2 = tg $M2 0,01. Существует второй теоретический вариант параметров, обеспечивающих те же условия: є2 = 1000, /І,2 — 1, cr2 1000 См/м, 0 tg 52 = tgS 0,1. Аналогично для минимальных изменений фазы: е2 = 1000, д2 2, т2 0,1 См/м, tg 5g-2 = tg5fi2 0,01. Последние две группы параметров в сравнении с предыдущими обеспечивают несколько большие потери энергии.
При разработке переключающих устройств необходимо обеспечить режим полного подавления энергии. Такому режиму при максимальном отражении энергии удовлетворяют следующие условия: 2 = 1? Д2 20, т2 - со, tg 52 — со. Если желательно максимальное поглощение, то: є2 5, \іі 20. В соответствии с рис. 2.9 - рис. 2.17 возможно осуществить режим амплитудной модуляции при изменениях а2 в общем случае от 20 См/м до 1 103 (1 104) См/м при є2 Є (1; 100). Либо при изменениях є2 от 1 до 50 при Т2 Є (1 102; 1 103). При этих условиях амплитуда изменяется сравнительно линейно. Вместе с тем изменения амплитуды сопровождаются определенными изменениями фазы выходного сигнала.
Сравнительно линейно фаза изменяется при изменении т2 от 1 См/м до 700 См/м при Є2 Є (1; 20), либо при изменении є2 от 1 до 1 103 при т2 (10; 1 103). При этом имеет место и определенное изменение амплитуды. Амплитудная модуляция может быть реализована при изменении tg 5Є2 от 1 до 5 при Є2 Є (1; 20(1 Ю3)). Несколько лучшие результаты может дать изменение tg SjS2 от 2,5 до 10 при д2 Є (1; 1-Ю3). Модуляция фазы выраженно нелинейна при изменении ЩбЄ2 от ОД до 5 или tg6m от ОД до 10.
Анализ рис. 2.5, рис. 2.6 относительно величины т2 позволил установить, что с позиции управления значениями углов ц и ф, с целью создания режима заграждения при их геометрическом постоянстве, достаточно создать величину #2 100 См/м. Это обусловит максимальное ослабление энергии в трасте за счет рассогласовалия величин этих углов относительно значений наилучшего прохождения мощности, что и отражает рис. 2.40. Основную роль в управлении играет величина (р. Величина /х2 практически не влияет на (р и ф. Режим заграждения может быть достигнут благодаря изменению tg 5е2 или tg Sfi.2 до значений, соответствующих #2 100 См/м. Параметры радиооптического материала є2 и /х2, при которых происходит максимальное отражение энергии, не зависят от величины 72. Для получения в режиме заграждения максимального отражения необходимо выбирать є2 наименьшим и использовать для этого рис. 2.31. При этом должно выполняться условие Д2 Дтт- Величина fj,m[n несколько зависит от є-2- Однако при iii 100 и Єї 10 эта зависимость практически исчезает. По рис. 2.32, рис. 2.34 выбирают е2, обеспечивающую максимальное отражение и определяют fjL-2- Можно пользоваться рис. 2.37. Задавшись значением #2 определяют 2, либо наоборот. Величины tgS2 и tg 2 оказывают приблизительно одинаковое влияние на отражение волны. Это влияние возможно учесть с помощью рис. 2.36, рис. 2.38, рис. 2.41 и рис. 2.42. Полученные результаты корректируют с помощью рис. 2.43, рис. 2.44 и рис. 2.33.
Из алализа последних семи рисунков следует, что tg 5e2, обеспечивающий максимальное отражение, при относительно больших значениях несколько увеличивается с ростом Е 2 и наоборот - с ростом fi2 он уменьшается. Отсюда, вытека.ет, что, чем больше //.2, тем меньше диэлектрические потери, обусловливающие одну и ту же величину отражения сигнала.. По указанным рисункам возможно выбрать величину диэлектрических потерь, обеспечивающую отражение, равновеликое отражению, создаваемому величиной т2. Кроме того, используют рис. 2.39, рис. 2.45.
Другой вариант выбора параметров радиооптического материала в режиме заграждения: по рис. 2.31 определяем Є2—єт\п при //2 #т;п, либо пользуемся рис. 2.37, принимая е2= єт\п- При использовании величин tg5f2 и tg 2 анализируют рис. 2.39, рис. 2.45, рис.. 2.32 и рис. 2.34. Наличие максимума поглощения и минимума фазовых искажений волны контролируют по рис. 2.35.
Рассмотрим режим полного пропускания волны. є2 определяют по рис. 2.26. При этом имеет место некоторая }іш\Пі є2 не зависит от tgS2 и tg $M3, а график их взаимозависимости дал на рис. 2.25. tgS2 и tg 5M2 при малых значениях от /х2 практически не зависят. Если tgSS2 1, то при различных значениях tg 6 2 наблюдается своеобразная зависимость tg 6Єз от #2 вплоть до fj-2 « 30, а за/тем при tg 52 = tg 5№ = 10 функция обращается в const -рис. 2.27. По рис. 2.27 выбирают достаточно малые значения tg52 и tg 5 5 а по рис. 2.28 - оптимальное значение о2 для соответствующих значений Д2 и tg 5M2. Чем больше //2, тем больше (72 для режима полного пропускания волны. По рис. 2.29 и рис. 2.30 уточняют значение (72; эта величина также возрастает с ростом магнитных потерь. Поэтому, чем в большей степени выражены магнитные свойства радиооптического материала, тем большей удельной электропроводностью он может обладать и тем меньше она влияет на потери энергии в радиооптическом материале, и на величину отражения волны в модуляторе (от призмоида). Отсюда следует, что по-видимому, целесообразно выбирать радиооптический материал с максимально развитыми магнитными свойствами.
Из рис. 2.21 видно, что д2, в режиме пропускания волны, от 72 практически не зависит. Откуда следует, что при є2 = 1, для обеспечения полного пропускания волны, радиооптический материал, при нарастании сг2, следует выбирать с небольшим значением /І2, равным 1 -4- 3,8 при т2 изменяющейся в пределах от 0,1 до 20 См/м и более. Рис. 2.21 особенно может быть полезен при разработке газоразрядных переключателей.
Величина ил практически не зависит от tgo" , что просматривается на рис. 2.18. По рис. 2.19, рис. 2.20 уточняют значение /х2. Величину tg 2 выбирают по рис. 2.22 - рис. 2.24. Значения tg4-2 и tg 2 выбирают минимальными, другие величины требуют подбора оптимальных значений.
Результатом вышеизложенного явились два варианта параметров радиооптического материала для режима полного пропускания волны модулятором, два варианта для режима заграждения модулятора с максимальным поглощением энергии и четыре варианта для режима заграждения с максимальным отражением энергии волн. Значения параметров сведены в таблицу 2.2.
Основные принципы проектирования и сравнение полученных результатов с известными
Интервалу частот (120-130) ГГц при р = 33, ф = 58, 6 удовлетворяет схема рис. 2.83; в отличие от первого случая \PZ2\ асимптотически возрастает. При ip = ф = 33 интервалу частот (90-130) ГГц удовлетворяет схема рис. 2.84; в отличие от первого случа,я \PZ2\ нарастает. Рис. 2.4, параметрам №2 табл. 2.2 и р = 58, б, и ф = 33 или р = 33, ф = 58,б в диапазоне (70-130) ГГц соответствует рис. 2.82. В последнем случае \PZ2\ асимптотически возрастает, (р — ф = 33 - удовлетворяет рис. 2.82 в диапазоне частот (70-90) ГГц; в диапазоне (90-130) ГГц - рис. 2.84. В отличие от первого случая \PZ2\ нарастает.
Как видим ряд моделей описывается не одной, а двумя эквивалентными схемами, что объясняется монотонным поведением модулей параметров эквивалентной схемы и резкой сменой фазы одного из параметров на 180 в очень узком интервале частот. Отождествим полученные эквивалентные схемы с рис. 2.1. Рис. 2.75 включает в себя каскадно соединенные: на входе - преобразованное звено 14, затем преобразованное звено 7 и на выходе также преобразованное звено 14. В результате получена элементарная схема объема среды при известных геометрических и электродинамических параметрах при распространении в нем электромагнитной волны. Те же рассуждения справедливы и для рис. 2.76. Если принять во внимание, что в первом случае температура призмоида +20С, а во втором +70С и возможно придать данному объему среды такие геометрические параметры { р и ф), что реактивные элементы на рис. 2.76 будут фактически отсутствовать, то очевидно объем винипласта, по крайней мере в диапазоне частот 17-28 ГГц при +70С, представляет собой схему 14 рис. 2.1.
Рассмотрим рис. 2.82. Простым соединением схем обойтись здесь не удается. Приемлема суперпозиция схем 9, 11 с последующим подключением ее выхода к точно такой же схеме, но к выходным зажимам. В данном случае объем вещества при учете очень малой величины сопротивлений представляет собой просто резистор. Аналогичны рассуждения и для рис. 2.83. Навстречу друг другу каскадно включаем схемы 10 рис. 2.1, к входным зажимам которых так же подключаем схемы 14, но так чтобы индуктивности были включены встречно с таковыми схем 10 и "компенсировались". Рис. 2.84 - имеем суперпозицию схем 9 и 11 с подключением ее к схеме 14 при условии бесконечно малого значения ее емкости.
Из всего вышеизложенного следует, что tg 82 использовать для управления модулятором нецелесообразно. Сравнительно выгоднее использовать tg 8 2 при значениях до 30, либо изменение а2 при оптимальных значениях /І-2 [52]. Оптимальный радиооптический материал - это магнитополу-проводник или сегнетомагнитополупроводник со свойствами полуметалла при облучении волнами с Л 0,1 мм.
Рассмотрим модель 1 в соответствии с рис. 2.2. Такие приборы с электрическим управлением (электрод вспомогательного разряда - ЭВР) достаточно хорошо разработаны и описаны в [56]. Однако представляется целесообразным управлять ими с помощью лазера, реализуя преимущества такого управления, описанные в главе 1. В данном случае принципиально задача решается заменой ЭВР лучом лазера и фотоэлектронной мишенью. Такое решение предполагает использование явления внешнего фотоэффекта- [47], [57]-[63]. Необходимо отметить, что приборы подобного рода, могут быть изготовлены лишь для длинноволновой части ММВ, что обусловлено особо малыми размерами деталей и жесткими требованиями к допускам. Рассмотрим возможность замены ЭВР [64]. Сравним возможность создания необходимой степени ионизации газа с помощью ЭВР и с помощью луча лазера и фотоэлектронной мишени. Будем исходить из минимума необходимой степени ионизации. Начальная степень ионизации газа в разряднике создается подачей на ЭВР постоянного или импульсного напряжения, которое обусловливает тлеющий разряд. Параметры тлеющего разряда: на катоде модулятора (коммутатора) создают потенциал U от нескольких вольт до сотен вольт, что обеспечивает при соответствующем разрядном промежутке и давлении газа ток (0,1-10) мА, до 100 мА. Фотоэлектронная эмиссия обеспечивает при тех же условиях и более низком напряжении, при применении соответствующего фотокатода [65], например, со спектральной чувствительностью Sfc(A) (13,5-19,7) мА/Вт при длине волны света. \л = 750 нм, тот же самый ток - порядка 15 мА. Необходимо лишь подобрать лазер нужной мощности Ря на выбранной длине волны. Таким образом, имеет место простая формула для ионизирующего фототока:
Мощность лазера Рл при этом лежит в пределах нескольких Вт и в крайнем случае не должна превысить значение в несколько десятков Вт. При этом темновой ток - удельная термоэлектронная эмиссия [65] - весьма мал (лазер выключен) и составляет значение не более 1 Ю-8 А/м2, и на параметры исследуемого прибора влияния не оказывает. Лазерный разрядник (РЗП, РБП [56]) практически полностью исключает потери энергии и ухудшение чувствительности в режиме приема, возникающие в результате наличия именно ЭВР и оценивающиеся величиной от долей до нескольких единиц децибел. Далее на передний план выходит очевидное преимущество лазерного разрядника по быстродействию. Из вышеприведенных данных следует, что с учетом особенностей схемы питания время срабатывания разрядников в среднем составляет 1 мкс. При подаче на ЭВР импульсного потенциала время действия его может составлять значение около 1 не. Оценим инерционность вспомогательного разряда в разрядном промежутке h0 — 0,1 мм (поверхность электрода 5 = 0,05 мм2). Время возникновения разряда составит [56], [66]:
Время же срабатывания лазера оценивается в 1 фс [4], [67]. Сравнение приведенных значений времён выявляет очевидное превосходство лазерного управления и открывает перспективу повышения быстродействия разрядника примерно на 2-3 порядка.