Введение к работе
Актуальность проблемы
Область применения твердотельных СВЧ-устройств может быть существенно расширена при решении проблемы эффективного управления их частотными и амплитудными характеристиками. Возможность управления частотой полупроводниковых генераторов введением в них электрически управляемой полупроводниковой емкости хорошо изучена. Сравнительно хорошо изучена также возможность магнитной перестройки частоты СВЧ-генераторов введением в их схему ферритового элемента. Однако такого рода устройства обладают либо недостаточной перестройкой по частоте, либо невысокой кривизной частотных характеристик в окрестности резонанса. Для повышения эффективности работы управляющих и измерительных устройств на основе систем со стержневым держателем (штырем с зазором) необходимо повышать кривизну частотных характеристик данных систем.
Анализ исследований, посвященных особенностям волновых процессов в электродинамических системах, содержащих полупроводники, позволяет сделать вывод о том, что до настоящего времени в большинстве работ авторы ограничивались рассмотрением случаев одномодового распространения волны.
В то же время известно, что вопреки предсказываемому в результате использования одномодовых представлений характеру взаимодействия СВЧ-излучения с полупроводниковыми структурами, могут наблюдаться качественно иные закономерности, связанные с существованием ближнего поля, обусловленного возбуждением волн высших типов, что показано, например, в работах Усанова Д.А., Горбатова С.С., Скрипаля А.В. с соавторами.
В литературе, посвященной многомодовому взаимодействию поля с неоднородностью, недостаточно развиты представления о процессе трансформации распределения суммарного поля при возбуждении волн высших типов, недостаточно исследованы случаи взаимодействия ближнего поля с полупроводниковыми структурами с регулируемой проводимостью, исследованы далеко не все особенности, связанные с возбуждением волн высших типов.
В тех немногочисленных работах, в которых рассматриваются ситуации, когда существенен учёт эффектов, связанных с ближним полем в системах, включающих полупроводниковые элементы, например, в работах Усанова Д.А., Горбатова С.С., Скрипаля А.В. с соавторами, осталась недостаточно рассмотренной возможность управления характеристиками таких систем с помощью электрических и магнитных полей. В частности, не рассмотрены возможности повышения чувствительности электродинамических систем с неоднородностями, представляющими собой полупроводниковые элементы, к внешним воздействиям при повышении частотной избирательности электродинамической системы.
К настоящему времени существует довольно большое число работ, посвященных проблемам ближнеполевой СВЧ-микроскопии. По-прежнему актуальна проблема повышения чувствительности ближнеполевых СВЧ-микроскопов. К настоящему времени к числу нерешенных задач в этой области можно отнести, например, определение предела разрешающей способности, выяснение механизмов взаимодействия микрообъектов с ближним полем, влияния случайных возмущений на результаты измерений. Также не исследованы возможности повышения кривизны частотных характеристик резонансных систем, используемых в качестве измерительных элементов ближнеполевого микроскопа.
В связи с вышесказанным, представляет интерес поиск способов расчета ближнеполевых СВЧ-систем, улучшения характеристик при управлении этими системами с помощью электрических и магнитных полей, возможностей повышения кривизны частотных характеристик резонаторов и использование подобных систем для измерения параметров материалов.
Цель диссертационной работы состоит в увеличении чувствительности полупроводниковых СВЧ-устройств на основе низкоразмерных резонансных систем к внешним воздействиям: влиянию постоянного магнитного поля, электрического смещения и изменению физических параметров нагрузки.
Низкоразмерными называются такие электродинамические системы, в которых длина волны основного типа в 10 и более раз превосходит, по крайней мере, один из размеров системы.
В задачи исследования входило следующее:
-
Экспериментальное исследование характеристик низкоразмерных резонансных систем «штырь с зазором – короткозамыкатель», содержащих полупроводниковый элемент, при воздействии на полупроводниковый элемент электрического смещения или постоянного магнитного поля.
-
Разработка способа повышения частотной избирательности амплитудно-частотных характеристик резонансных систем «штырь с зазором - короткозамыкатель».
-
Исследование возможности использования устройств на основе резонансных систем «штырь с зазором – короткозамыкатель с выемкой» для измерения электрических характеристик (диэлектрической проницаемости, проводимости) материалов.
-
Разработка алгоритма расчета амплитудно-частотных характеристик низкоразмерных резонансных систем типа «емкостная диафрагма - короткозамыкатель».
Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем:
Показана возможность расширения полосы частотной перестройки управляющим магнитным полем СВЧ-генератора на диоде Ганна на основе системы «штырь с зазором – короткозамыкатель».
Установлена возможность уменьшения шумов лавинно-пролетного диода, работающего в режиме СВЧ-генерации.
Экспериментально обоснована возможность повышения кривизны частотных характеристик низкоразмерного резонатора на основе системы «штырь с зазором – короткозамыкатель» при использовании короткозамыкателя с выемкой цилиндрической формы.
Показана возможность электрической перестройки частоты резонансной системы «штырь с зазором – короткозамыкающий поршень с выемкой» при использовании в качестве управляющего элемента полупроводникового диода.
Показана возможность использования устройств на основе резонансной системы «штырь с зазором – короткозамыкатель с выемкой» для измерения с повышенной локальностью электрических характеристик (диэлектрической проницаемости, проводимости) материалов.
Разработан алгоритм расчета коэффициента отражения и КСВН для систем типа «емкостная диафрагма – короткозамыкающий поршень» в широком диапазоне значений частоты, расстояний между поршнем и диафрагмой с использованием многомодового приближения.
Достоверность экспериментальных и теоретических результатов обеспечена достаточной строгостью используемых математических моделей; корректностью упрощающих допущений; сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям; выполнимостью предельных переходов к известным решениям; соответствием результатов расчета экспериментальным данным; применением современной стандартной измерительной аппаратуры; метрологической поверкой измерительного оборудования и методик измерения; обработкой экспериментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ; воспроизводимостью полученных результатов.
Практическая значимость полученных результатов:
Создан генератор на диоде Ганна, работающий в трехсантиметровом диапазоне длин волн, на основе низкоразмерной системы «штырь с зазором - короткозамыкатель», позволяющий производить перестройку частоты изменением величины постоянного магнитного поля на 75Мгц.
На основе низкоразмерной системы «штырь с зазором – короткозамыкатель» реализован СВЧ-генератор на лавинно-пролетном диоде с пониженным уровнем шума.
Реализована резонансная система «штырь с зазором – короткозамыкатель с цилиндрической выемкой» с повышенной кривизной частотных характеристик с введенным в нее полупроводниковым диодом, позволяющая производить перестройку резонанса по частоте при изменении величины напряжения обратного смещения на диоде.
Разработано устройство на основе низкоразмерной резонансной системы «штырь с зазором – короткозамыкатель с выемкой», предназначенное для измерения электрических характеристик (диэлектрической проницаемости, проводимости) материалов.
Предложен алгоритм, позволяющий рассчитывать частотные характеристики низкоразмерных систем типа «емкостная диафрагма – короткозамыкающий поршень», качественно согласующиеся с экспериментом в широком диапазоне значений частоты (8-12ГГц), расстояний между поршнем и диафрагмой и другими параметрами электродинамической системы.
Положения, выносимые на защиту:
1. Диапазон невзаимной магнитной перестройки частоты и изменения выходной мощности СВЧ-генераторов на диодах Ганна может быть существенно расширен (более чем в 10 раз) по сравнению с известными схемами, если в качестве резонатора использовать низкоразмерную систему «металлический штырь с зазором – близко расположенный короткозамыкатель».
2. В полупроводниковых СВЧ ЛПД-генераторах на основе низкоразмерных резонансных систем уровень шума может быть существенно уменьшен (не менее чем в 10 раз) регулировкой расстояния между штырем и короткозамыкателем.
3. Низкоразмерная система «металлический штырь – близко расположенный короткозамыкатель с цилиндрической выемкой» обладает высокой кривизной частотных характеристик в окрестности резонанса (более чем в 100 раз по сравнению с известными схемами), частоту которого можно электрически перестраивать изменением напряжения на помещенном в систему диоде.
4. Используя низкоразмерную резонансную систему в виде «штырь с зазором – короткозамыкатель с выемкой» с петлей связи, оканчивающейся зондом, выступающим за пределы волновода, возможно с повышенной локальностью (от 10мкм) измерять диэлектрическую проницаемость (1.5400) и проводимость
(210-2107 Ом-1м-1) материалов на СВЧ.
5. Вариационная методика позволяет рассчитать частотные зависимости коэффициента отражения низкоразмерной системы «емкостная диафрагма – близко расположенный короткозамыкающий поршень» при выборе, в качестве базисной, системы собственных колебаний типа Hmnp для TE- и TM-типов, где индексы изменяются в пределах m,n: 150 и более, p:160 и более в широком диапазоне значений частоты, расстояний между поршнем и диафрагмой и другими параметрами электродинамической системы.
Апробации работы. Основные положения и достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы результаты докладывались и обсуждались на:
-
18-й Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2008), г. Севастополь, Украина, 8-12 Сентября 2008г.;
-
7-й Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, 15-21 Сентября 2008г.;
-
12-й Международной школе для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофизике Saratov Fall Meeting (SFM'08) г. Саратов 23-26 сентября 2008г.
Личный вклад соискателя. Все основные оригинальные результаты, на которых базируется диссертация, получены автором.
Публикации. По материалам исследований, опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 статьи в реферируемых научных журналах списка ВАК и 3 тезисов докладов на международных научных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 117 страницы машинописного текста, включая приложения, в том числе основной текст занимает 109 страниц, включая 29 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 112 наименований и изложен на 12 страницах.
