RU2698561C1

RU2698561C1 - Microwave photon crystal

Info

Publication number: RU2698561C1
Application number: RU2018142464A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Усанов; Александр Владимирович Скрипаль; Виктор Николаевич Посадский; Виталий Семёнович Тяжлов; Александр Владимирович Байкин
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2019-08-28

Abstract

FIELD: manufacturing technology.

SUBSTANCE: invention can be used to create microwave photonic crystal. Summary of invention is that microwave photonic crystal is made in form of rectangular waveguide containing periodically alternating in direction of propagation of electromagnetic radiation metal elements, at least one n-i-p-i-n diode structure in central element and power supply, according to the solution, the metal elements are in form of pins in an amount of not less than five located along the longitudinal axis of the wide wall of the waveguide, wherein the central pin is galvanically connected to both opposite walls of the waveguide, has discontinuity for arrangement of diode n-i-p-i-n structure, n-region of which are connected to opposite ends of central pin, and p-area is connected to positive pole of power supply source, rods located to the right and left of central, closest to it , have capacitive gaps at one of the wide walls of the waveguide and are configured to adjust the value of these gaps, next pins located to the left and to the right of the closest to the central ones have capacitive gaps of smaller value at the opposite wide wall, at the same time diameter of the central pin is less than diameters of the other pins.

EFFECT: providing the possibility of achieving the specified value of the power adjustment range with reduction of the longitudinal size of the microwave photonic crystal and reducing, even to one, the number of control elements in the form of semiconductor n-i-p-i-n-diodes.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в устройствах измерительной техники.The invention relates to microwave technology and can be used in devices of measuring equipment.

Известен фотонный кристалл, реализованный в виде последовательно соединенных отрезков микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоска (Д.А.Усанов, А.В.Скрипаль, А.В.Абрамов, А.С.Боголюбов, М.Ю.Куликов. Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов. Известия вузов. Электроника 2008, №5, с.25–32).A known photonic crystal realized in the form of series-connected segments of a microstrip transmission line with a periodically changing strip width (D.A. Usanov, A.V. Skripal, A.V. Abramov, A.S. Bogolyubov, M.Yu. Kulikov. Photonic structures and their use for measuring the parameters of materials. University proceedings. Electronics 2008, No. 5, pp. 25–32).

Недостатком данного фотонного кристалла является невозможность электрического управления его амплитудно-частотными характеристиками.The disadvantage of this photonic crystal is the impossibility of electrical control of its amplitude-frequency characteristics.

Этот недостаток частично устранен в СВЧ-фильтре с регулируемыми положением частотной области пропускания и величиной пропускания в этой области. Фильтр включает отрезок волновода, частотно-селективный элемент и элемент для регулирования затухания. Частотно-селективный элемент выполнен в виде одномерного волноводного 11-слойного фотонного кристалла, представляющего собой чередующиеся слои поликора (ε=9.6) толщиной 1 мм и пенопласта (ε=1.1) толщиной 12 мм, с нарушением периодичности в виде уменьшенной до 5.5 мм, 5 мм и 4.5 мм толщины центрального слоя, в котором элемент для регулирования затухания выполнен в виде p–i–n-диодной структуры, расположенной после фотонного кристалла по направлению распространения электромагнитной волны и подключенной к источнику питания с регулируемым напряжением (см. патент на изобретение РФ №2407114, МПК H01P 1/00).This disadvantage is partially eliminated in the microwave filter with adjustable position of the frequency domain of transmission and the amount of transmission in this region. The filter includes a waveguide segment, a frequency selective element and an element for controlling attenuation. The frequency-selective element is made in the form of a one-dimensional waveguide 11-layer photonic crystal, which is alternating layers of a polycor (ε = 9.6) 1 mm thick and a foam (ε = 1.1) 12 mm thick, with a violation of periodicity in the form reduced to 5.5 mm, 5 mm and 4.5 mm of the thickness of the central layer, in which the element for controlling the attenuation is made in the form of a p – i – n-diode structure located after the photonic crystal in the direction of propagation of the electromagnetic wave and connected to a power source with an adjustable voltage (see patent for the invention of the Russian Federation No. 2407114, IPC H01P 1/00).

Недостатком данного СВЧ-фильтра с электрически управляемыми характеристиками является ограниченный диапазон регулировки мощности выходного сигнала на частоте дефектной моды фотонного кристалла в схеме на отражение, не превышающий 25 дБ.The disadvantage of this microwave filter with electrically controlled characteristics is the limited range of adjustment of the output signal power at the frequency of the defective mode of the photonic crystal in the reflection circuit, not exceeding 25 dB.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является волноводный СВЧ фотонный кристалл, представляющий собой структуру, состоящую из семи периодически расположенных прямоугольных металлических резонансных диафрагм на расстоянии L=20 мм друг от друга в прямоугольном волноводе трехсантиметрового диапазона. Ширина и высота щелей диафрагм фотонного кристалла выбирались равными 20 и 2 мм соответственно. Для эффективного управления резонансными свойствами таких фотонных кристаллов использовалась конструкция с n–i–p–i–n-диодной матрицей, состоящей из четырех диодных элементов, размещенных в центральной диафрагме, выполненной в виде двух прямоугольных щелей, размером 10.5х1.0 мм²каждая [Усанов Д.А., Никитов С.А., Скрипаль А.В., Мерданов М.К., Евтеев С.Г. Волноводные фотонные кристаллы на резонансных диафрагмах с управляемыми n–i–p–i–n-диодами характеристиками// Радиотехника и электроника. 2018. № 1. С. 65–71].Closest to the claimed invention is a waveguide microwave photonic crystal, which is a structure consisting of seven periodically arranged rectangular metal resonant diaphragms at a distance L = 20 mm from each other in a rectangular waveguide of a three-centimeter range. The width and height of the slits of the diaphragms of the photonic crystal were chosen equal to 20 and 2 mm, respectively. To effectively control the resonance properties of such photonic crystals, we used a design with an n – i – p – i – n-diode array consisting of four diode elements placed in a central diaphragm made in the form of two rectangular slits, each 10.5 x 1.0 mm ² in size [Usanov D.A., Nikitov S.A., Skripal A.V., Merdanov M.K., Evteev S.G. Waveguide photonic crystals on resonant diaphragms with controlled n – i – p – i – n-diodes characteristics // Radio engineering and electronics. 2018. No. 1. P. 65–71].

Недостатком данного фотонного кристалла является значительный продольный размер и использование сложной конструкции с n–i–p–i–n-диодной матрицей, содержащей значительное (не менее четырех) количество n–i–p–i–n-диодов, для достижения величины диапазона регулировки мощности выходного сигнала на частоте дефектной моды фотонного кристалла в схеме на отражение, превышающей 45 дБ. Уменьшение количества n–i–p–i–n-диодов до одного приводило к уменьшению величины диапазона регулировки мощности выходного сигнала до 20 дБ.The disadvantage of this photonic crystal is a significant longitudinal size and the use of a complex structure with an n – i – p – i – n diode matrix containing a significant (at least four) number of n – i – p – i – n diodes to achieve a range adjust the power of the output signal at the frequency of the defective mode of the photonic crystal in the reflection circuit in excess of 45 dB. A decrease in the number of n – i – p – i – n diodes to one led to a decrease in the range of adjustment of the output signal power to 20 dB.

Техническая проблема заключается в разработке конструкции СВЧ фотонного кристалла, обеспечивающего достижение величины диапазона регулировки мощности выходного сигнала на частоте дефектной моды фотонного кристалла в схеме на отражение, превышающей 47 дБ.The technical problem lies in the development of the design of the microwave photonic crystal, ensuring the achievement of the magnitude of the range of adjustment of the power of the output signal at the frequency of the defective mode of the photonic crystal in the reflection circuit in excess of 47 dB.

Техническим результатом является достижение указанной величины диапазона регулировки мощности при уменьшении продольного размера СВЧ фотонного кристалла и сокращении, даже до одного, количества управляющих элементов в виде полупроводниковых n–i–p–i–n-диодов.The technical result is the achievement of the indicated range of power control while reducing the longitudinal size of the microwave photonic crystal and reducing, even to one, the number of control elements in the form of semiconductor n – i – p – i – n diodes.

Указанный технический результат достигается тем, что СВЧ фотонный кристалл, выполненный в виде прямоугольного волновода, содержащего периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения металлические элементы, по крайней мере, одну n–i–p–i–n диодную структуру в центральном элементе, и источник питания, согласно решению, металлические элементы выполнены в виде штырей, в количестве не менее пяти, расположенных вдоль продольной оси широкой стенки волновода, при этом центральный штырь гальванически соединен с обеими противоположными стенками волновода, имеет разрыв для размещения диодной n–i–p–i–n структуры, n-области которой соединены с противоположными концами центрального штыря, а p-область соединена с положительным полюсом источника питания, штыри, расположенные справа и слева от центрального, ближайшие к нему, имеют емкостные зазоры у одной из широких стенок волновода и выполнены с возможностью регулировки величины этих зазоров, последующие штыри, расположенные слева и справа от ближайших к центральному, имеют емкостные зазоры меньшей величины у противоположной широкой стенки, при этом диаметр центрального штыря меньше диаметров остальных штырей.The indicated technical result is achieved in that a microwave photonic crystal made in the form of a rectangular waveguide containing metal elements periodically alternating in the direction of electromagnetic radiation propagation, at least one n – i – p – i – n diode structure in the central element, and a source power supply, according to the decision, the metal elements are made in the form of pins, in an amount of at least five, located along the longitudinal axis of the wide waveguide wall, while the central pin is galvanically connected with both opposite walls of the waveguide, has a gap to accommodate the n – i – p – i – n structure, the n-regions of which are connected to opposite ends of the central pin, and the p-region is connected to the positive pole of the power source, the pins located on the right and to the left of the central one, those closest to it have capacitive gaps at one of the wide walls of the waveguide and are made with the possibility of adjusting the magnitude of these gaps, the subsequent pins located to the left and to the right of the nearest to the central one have capacitive gaps less of the opposite wide wall, while the diameter of the central pin is less than the diameters of the remaining pins.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами:The proposed device is illustrated by drawings:

Фиг.1. СВЧ фотонный кристалл в виде волноводной штыревой системы с переключательным диодом на основе n–i–p–i–n структуры.Figure 1. A microwave photonic crystal in the form of a waveguide pin system with a switching diode based on an n – i – p – i – n structure.

Фиг.2. Схема расположения штырей с зазорами.Figure 2. The layout of the pins with gaps.

Фиг.3. Расчетные частотные зависимости коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы.Figure 3. The calculated frequency dependences of the reflection coefficient S11 of an electrically controlled waveguide photonic crystal based on a pin system.

Фиг.4. Экспериментальные частотные зависимости коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы.Figure 4. Experimental frequency dependences of the reflection coefficient S11 of an electrically controlled waveguide photonic crystal based on a pin system.

Позициями на чертежах обозначены:The positions in the drawings indicate:

1 – отрезок волновода сечением 23х10 мм²;1 - a section of a waveguide with a cross section of 23x10 mm ² ;

2 – положительный полюс источника питания;2 - positive pole of the power source;

3 – n–i–p–i–n структура;3 - n – i – p – i – n structure;

4 – широкие стенки волновода;4 - wide walls of the waveguide;

5 – штыри;5 - pins;

6 – зазоры; 6 - gaps;

7 – разрыв величиной 1 мм центрального штыря для размещения n–i–p–i–n структуры;7 - a gap of 1 mm in the center pin to accommodate the n – i – p – i – n structure;

8 – расчетная частотная зависимость коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы при удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры σ=0 См/м (штриховая линия);8 is a calculated frequency dependence of the reflection coefficient S11 of an electrically controlled waveguide photonic crystal based on a pin system with electrical conductivity of the i-layer of the n – i – p – i – n structure σ = 0 S / m (dashed line);

9 – расчетная частотная зависимость коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы при удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры σ=10³ См/м (сплошная линия);9 is a calculated frequency dependence of the reflection coefficient S11 of an electrically controlled waveguide photonic crystal based on a pin system for electrical conductivity of the i-layer of the n – i – p – i – n structure σ = 10 ³ S / m (solid line);

10 – экспериментальная частотная зависимость коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы при отсутствии управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А на основе n–i–p–i–n-структуры (штриховая линия);10 - experimental frequency dependence of the reflection coefficient S11 of an electrically controlled waveguide photonic crystal based on a pin system in the absence of a control current flowing through a 2A505A switching diode based on an n – i – p – i – n structure (dashed line);

11 – экспериментальная частотная зависимость коэффициента отражения S11 электрически управляемого волноводного фотонного кристалла на основе штыревой системы при величине управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А на основе n–i–p–i–n-структуры, равной 200 мА (сплошная линия).11 is an experimental frequency dependence of the reflection coefficient S11 of an electrically controlled waveguide photonic crystal based on a pin system for a control current flowing through a 2A505A switching diode based on an n – i – p – i – n structure equal to 200 mA (solid line).

В качестве СВЧ фотонного кристалла рассматривался волновод трехсантиметрового диапазона с брэгговской структурой, выполненной в виде периодически расположенных металлических штырей. Штыри располагались по центру широкой стенки волновода на равном расстоянии друг от друга. Диаметр центрального штыря был задан равным 1 мм, диаметр остальных – 2 мм. Продольный размер системы из пяти штырей составил 50 мм. Величина зазоров между крайними штырями и одной и той же широкой стенкой волновода выбиралась равной 0.2 мм, величина зазоров между вторым и четвертым штырями и противоположной широкой стенкой волновода выбиралась равной 0.59 мм.A three-centimeter waveguide with a Bragg structure made in the form of periodically arranged metal pins was considered as a microwave photonic crystal. The pins were located in the center of the wide wall of the waveguide at an equal distance from each other. The diameter of the central pin was set equal to 1 mm, the diameter of the remaining 2 mm. The longitudinal size of the five-pin system was 50 mm. The gaps between the extreme pins and the same wide wall of the waveguide were chosen equal to 0.2 mm, the gaps between the second and fourth pins and the opposite wide wall of the waveguide were chosen equal to 0.59 mm.

В качестве центрального штыря выбирался штырь, гальванически соединенный с обеими противоположными широкими стенками волновода и имеющий в центре разрыв величиной 1 мм. Для управления характеристиками СВЧ фотонного кристалла выбиралась n–i–p–i–n-структура, которая располагалась в разрыве центрального штыря.A pin was selected as the central pin, galvanically connected to both opposite wide walls of the waveguide and having a gap of 1 mm in the center. To control the characteristics of the microwave photonic crystal, the n – i – p – i – n structure was chosen, which was located in the gap of the central pin.

Конструкция СВЧ фотонного кристалл в виде волноводной штыревой системы с n–i–p–i–n-структурой представлена на фиг. 1.The design of a microwave photonic crystal in the form of a waveguide pin system with an n – i – p – i – n structure is shown in FIG. one.

Схема расположения штырей с зазорами представлена на фиг. 2.An arrangement of pins with gaps is shown in FIG. 2.

На основе численного моделирования с использованием метода конечных элементов в программе ANSYS HFSS исследовались амплитудно-частотные характеристики коэффициентов отражения фотонного кристалла при различной удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры. Предполагалось, что при прямом смещении удельная электропроводность

данного элемента изменялась в диапазоне от 0 до 10³ См/м. Такое изменение величины удельной электропроводности

, обусловленное обогащением i-областей инжектированными носителями заряда, соответствует величине протекающего тока в диапазоне от 0 до 200 мА с использованием n–i–p–i–n-структуры типа 2A505.On the basis of numerical simulation using the finite element method in the ANSYS HFSS program, the amplitude-frequency characteristics of the reflection coefficients of a photonic crystal were studied for different electrical conductivities of the i-layer of the n – i – p – i – n structure. It was assumed that with forward bias, the electrical conductivity

of this element ranged from 0 to 10 ³ S / m. This change in conductivity

due to the enrichment of i-regions with injected charge carriers corresponds to a flowing current in the range from 0 to 200 mA using the n – i – p – i – n structure of type 2A505.

Как следует из результатов расчета, при достижении удельной электропроводности i-областей n–i–p–i–n-структуры значения, равного 10³ См/м, сопротивление n–i–p–i–n-структуры уменьшается до нескольких единиц Ом, что приводит к фактическому «исчезновению» разрыва центрального штыря.As follows from the calculation results, when the specific conductivity of the i-regions of the n – i – p – i – n structure reaches a value of 10 ³ S / m, the resistance of the n – i – p – i – n structure decreases to several Ohms , which leads to the actual "disappearance" of the gap of the central pin.

Результаты расчета частотной зависимости коэффициента отражения S₁₁ СВЧ фотонного кристалла представлены на фиг. 3.The results of calculating the frequency dependence of the reflection coefficient S _{11 of the} microwave photonic crystal are presented in FIG. 3.

Как следует из результатов расчета на АЧХ СВЧ фотонного кристалла в виде периодической структуры со штыревым центральным элементом, замкнутым на обе противоположные широкие стенки волновода, возникает широкая запрещенная зона от 8 ГГц до 12.1 ГГц. Наличие лишь слабого возмущения в запрещенной зоне АЧХ (кривая 9 на фиг. 3) на частоте 10.8 ГГц свидетельствует о незначительности влияния вносимого нарушения в виде центрального сплошного штыря уменьшенного диаметра (1 мм) на распространение СВЧ-волны в созданном СВЧ фотонном кристалле, содержащем цилиндрические штыри равного диаметра (2 мм), расположенные на равном расстоянии друг от друга.As follows from the calculation results on the frequency response of a microwave photonic crystal in the form of a periodic structure with a pin central element closed to both opposite wide walls of the waveguide, a wide band gap from 8 GHz to 12.1 GHz arises. The presence of only a weak disturbance in the band gap of the frequency response (curve 9 in Fig. 3) at a frequency of 10.8 GHz indicates the insignificance of the effect of the introduced violation in the form of a central solid pin of reduced diameter (1 mm) on the propagation of a microwave wave in the created microwave photonic crystal containing cylindrical pins of equal diameter (2 mm) located at an equal distance from each other.

При отсутствии напряжения смещения n–i–p–i–n-структура, являющаяся элементом нарушения фотонного кристалла, при удельной электропроводности i-слоя, равной 0 См/м, совместно с элементами центрального металлического штыря может быть приближенно представлена в виде последовательного R–L–C-контура, где R – сопротивление потерь в сильнолегированных областях, омических контактах и выводах n–i–p–i–n-структуры, С – емкость i-слоя, L– индуктивность элементов центрального металлического штыря.In the absence of a bias voltage, the n – i – p – i – n structure, which is an element of photonic crystal disruption, at an electrical conductivity of the i-layer equal to 0 S / m, together with the elements of the central metal pin, can be approximately represented as a sequential R– L – C-circuit, where R is the loss resistance in heavily doped regions, ohmic contacts and terminals of the n – i – p – i – n structure, C is the capacitance of the i-layer, L is the inductance of the elements of the central metal pin.

Как следует из результатов расчета АЧХ (кривая 8 на фиг. 3), в этом режиме на частоте 11,44 ГГц в запрещенной зоне фотонного кристалла возникает ярко выраженная дефектная мода, характеризующаяся коэффициентом отражения равным –33.3 дБ.As follows from the results of the calculation of the frequency response (curve 8 in Fig. 3), in this mode at a frequency of 11.44 GHz in the band gap of the photonic crystal, a pronounced defect mode arises, characterized by a reflection coefficient of –33.3 dB.

Увеличение удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры, приводит к увеличению коэффициента отражения на частоте дефектной моды, который достигает величины –0.03 дБ при величине удельной электропроводности i-слоя n–i–p–i–n-структуры, равной 10³ См/м.An increase in the electrical conductivity of the i-layer of the n – i – p – i – n structure leads to an increase in the reflection coefficient at the frequency of the defective mode, which reaches –0.03 dB with a value of the electrical conductivity of the i – layer of the n – i – p – i – n -structure equal to 10 ³ S / m.

Пример практической реализации устройства.An example of a practical implementation of the device.

Был создан СВЧ фотонный кристалл 3-сантиметрового диапазона длин волн (размеры поперечного сечения волновода 23×10 мм²).A microwave photonic crystal of a 3-centimeter wavelength range was created (the cross-sectional dimensions of the waveguide were 23 × 10 mm ² ).

СВЧ фотонный кристалл, выполнен в виде прямоугольного волновода 1 и содержит источник питания 2. В волноводе размещены периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения металлические элементы, расположенные вдоль продольной оси широкой стенки волновода 4. Металлические элементы выполнены в виде пяти штырей 5. Центральный штырь гальванически соединен с обеими противоположными стенками волновода 1 и имеет в центре разрыв, с размещенной в нем n–i–p–i–n диодной структурой 3, n-области которой соединены с противоположными концами штыря, а p-область гальванически соединена с положительным полюсом источника питания 2. Штыри, расположенные справа и слева от центрального, ближайшие к центральному, имеют емкостные зазоры равные 0.59 мм, у одной из широких стенок волновода, выполнены с возможностью регулировки зазоров, например, с помощью резьбовой подачи. Последующие штыри, расположенные слева и справа от ближайших к центральному, имеют емкостные зазоры меньшей величины с противоположной широкой стенкой, равные 0.2 мм. Центральный штырь был гальванически соединен с обеими противоположными широкими стенками 4 волновода 1 и имел в центре разрыв величиной 1 мм. Диаметр центрального штыря равен 1 мм, диаметры остальных штырей равны 2 мм. Продольный размер системы из пяти штырей составил 50 мм.The microwave photonic crystal is made in the form of a rectangular waveguide 1 and contains a power source 2. Metal elements are periodically alternating in the direction of electromagnetic radiation propagation along the longitudinal axis of the wide wall of the waveguide 4. The metal elements are made in the form of five pins 5. The central pin is galvanically connected to both opposite walls of the waveguide 1 and has a gap in the center, with the n – i – p – i – n diode structure 3 located in it, the n-regions of which are connected to the opposite ends of the pin, and the p-region is galvanically connected to the positive pole of power supply 2. The pins located to the right and left of the central one, closest to the central one, have capacitive gaps equal to 0.59 mm, with one of the wide walls of the waveguide made with the possibility of adjusting the gaps, for example, with a threaded feed. Subsequent pins, located to the left and to the right of the ones closest to the central one, have capacitive gaps of a smaller size with an opposite wide wall, equal to 0.2 mm. The central pin was galvanically connected to both opposite wide walls 4 of the waveguide 1 and had a gap of 1 mm in the center. The diameter of the central pin is 1 mm, the diameters of the remaining pins are 2 mm. The longitudinal size of the five-pin system was 50 mm.

Для управления характеристиками СВЧ фотонного кристалла использовался кремниевый переключательный диод 2А505А на основе n–i–p–i–n-структуры, который располагался в разрыве центрального штыря. p-область n–i–p–i–n-структуры гальванически соединялась через отверстие в узкой стенке волновода с положительным полюсом источника питания.To control the characteristics of the microwave photonic crystal, we used a 2A505A silicon switching diode based on the n – i – p – i – n structure, which was located in the gap of the central pin. The p-region of the n – i – p – i – n structure was galvanically connected through a hole in the narrow wall of the waveguide to the positive pole of the power source.

Частотные зависимости коэффициентов отражения S₁₁ СВЧ фотонного кристалла измерялись с помощью векторного анализатора цепей Agilent Microwave Network Analyzer N5242A PNA-X в диапазоне частот от 8 ГГц до 12.5 ГГц, результаты измерений в диапазоне частот от 10 ГГц до 12.5 ГГц представлены на фиг. 4.The frequency dependences of the reflection coefficients S _{11 of the} microwave photonic crystal were measured using an Agilent Microwave Network Analyzer N5242A PNA-X vector network analyzer in the frequency range from 8 GHz to 12.5 GHz, the measurement results in the frequency range from 10 GHz to 12.5 GHz are shown in FIG. four.

Как следует из результатов эксперимента (кривая 11 на фиг. 4), при увеличении управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А, до 200 мА сопротивление i-области переключательного диода 2А505А уменьшается до единиц Ом, что приводит к фактическому «исчезновению» разрыва центрального штыря. На амплитудно-частотной характеристике СВЧ фотонного кристалла в виде периодической структуры со штыревым центральным элементом, замкнутым на обе противоположные широкие стенки волновода, возникает широкая запрещенная зона от 8 ГГц до 12.23 ГГц. При этом в запрещенной зоне АЧХ возникает достаточно слабое возмущение (кривая 11 на фиг. 4) на частоте 10.8 ГГц.As follows from the experimental results (curve 11 in Fig. 4), with an increase in the control current flowing through the 2A505A switching diode to 200 mA, the resistance of the i-region of the 2A505A switching diode decreases to units of Ohms, which leads to the actual “disappearance” of the central pin rupture . On the amplitude-frequency characteristic of a microwave photonic crystal in the form of a periodic structure with a pin central element closed to both opposite wide walls of the waveguide, a wide band gap from 8 GHz to 12.23 GHz appears. In this case, a rather weak disturbance arises in the band gap of the frequency response (curve 11 in Fig. 4) at a frequency of 10.8 GHz.

При отсутствии управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А, центральный штырь уменьшенного до 1 мм диаметра, в разрыве которого размещен переключательный диод 2А505А, выступает в качестве нарушения периодичности СВЧ фотонного кристалла на штыревых элементах.In the absence of a control current flowing through the switching diode 2A505A, the central pin of a diameter reduced to 1 mm, in the gap of which the switching diode 2A505A is located, acts as a violation of the periodicity of the microwave photonic crystal on the pin elements.

В этом случае, как следует из результатов эксперимента, при отсутствии управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А, в запрещенной зоне СВЧ фотонного кристалла на частоте 11,315 ГГц возникает ярко выраженная дефектная мода, характеризующаяся коэффициентом отражения, равным –47.1 дБ.In this case, as follows from the experimental results, in the absence of a control current flowing through the 2A505A switching diode, in the band gap of the microwave photonic crystal at a frequency of 11.315 GHz, a pronounced defective mode arises, characterized by a reflection coefficient of –47.1 dB.

При увеличении управляющего тока, протекающего через переключательный диод 2А505А, происходит монотонное увеличение коэффициента отражения СВЧ фотонного кристалла на частоте дефектной моды, который достигает величины –0.3 дБ, при токе, равном 200 мА.With an increase in the control current flowing through the 2A505A switching diode, a monotonic increase in the reflection coefficient of the microwave photonic crystal occurs at the frequency of the defective mode, which reaches –0.3 dB at a current of 200 mA.

Сравнение результатов расчета и экспериментальных результатов, полученных при практической реализации устройства, свидетельствует об их хорошем качественном соответствии.Comparison of the calculation results and experimental results obtained in the practical implementation of the device, indicates their good quality compliance.

Некоторое количественное несовпадение, выражающееся в небольшом различии частоты дефектной моды и динамического диапазона изменения коэффициента отражения на частоте дефектной моды при вариации уровня инжекции неравновесных носителей заряда в i-области n–i–p–i–n-структуры, может быть связано с ограниченностью модели, описывающей взаимодействие электромагнитного излучения с полупроводниковой n–i–p–i–n-структурой с использованием программы ANSYS HFSS, удельная эффективная электропроводность σ_ef которой определяется как средняя величина удельной электропроводности полупроводниковой структуры s(x) и вычисляется с учетом координатной зависимости распределения неравновесных носителей заряда p(x) в i-области с помощью выражения [Стафеев В.И. ЖТФ. 1958. Т.28. №8. С.1631–1642. Баранов Л.И., Климов Б.Н., Селищев Г.В. Радиотехника и электроника. 1966. Т.11, №8. С. 1441-1446]:Some quantitative discrepancy, expressed in a small difference in the frequency of the defective mode and the dynamic range of the reflection coefficient at the frequency of the defective mode when the injection level of nonequilibrium charge carriers in the i-region of the n – i – p – i – n structure varies, may be due to the limited model describing the interaction of electromagnetic radiation with a semiconductor n – i – p – i – n structure using the ANSYS HFSS program, the specific effective electrical conductivity σ _{ef of} which is determined as the average value and the specific electrical conductivity of the semiconductor structure s (x) and is calculated taking into account the coordinate dependence of the distribution of nonequilibrium charge carriers p (x) in the i-region using the expression [Stafeev V.I. ZHTF. 1958.V.28. No. 8. S.1631-1642. Baranov L.I., Klimov B.N., Selishchev G.V. Radio engineering and electronics. 1966. T. 11, No. 8. S. 1441-1446]:

(1).

(one).

где μ_n, μ_p – подвижность электронов и дырок, n₀, p₀– равновесная концентрация электронов и дырок в i – области, l_i – длина i области, b=m_n/m_p.where μ _n , μ _p is the mobility of electrons and holes, n ₀ , p ₀ is the equilibrium concentration of electrons and holes in the i - region, l _i is the length of the i region, b = m _n / m _p .

Следует отметить, что в случае учета зависимости коэффициентов диффузии электронов и дырок от напряженности электрического поля при высоком уровне инжекции неравновесных носителей заряда в i-области n–i–p–i–n-структуры может быть получена немонотонная зависимость распределения концентрации свободных носителей заряда p(x) вдоль n–i–p–i–n-структуры, то есть наблюдаются, так называемые, пространственные осцилляции плотности заряда в кремниевом p–i–n диоде [Усанов Д.А., Горбатов С.С., Кваско В.Ю., Фадеев А.В., Калямин А.А. Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40. Вып. 21. С. 104–110.].It should be noted that if the dependence of the diffusion coefficients of electrons and holes on the electric field is taken into account at a high level of injection of nonequilibrium charge carriers in the i-region of the n – i – p – i – n structure, a nonmonotonic dependence of the concentration distribution of free charge carriers p can be obtained (x) along the n – i – p – i – n structure, that is, the so-called spatial oscillations of the charge density in the silicon p – i – n diode are observed [Usanov DA, Gorbatov SS, Kvasko V .Yu., Fadeev A.V., Kalyamin A.A. Letters to the PTF. 2014.V. 40. Issue. 21. S. 104-110.].

В этом случае удельная эффективная электропроводность n–i–p–i–n-структуры должна рассчитываться с использованием выражения (1) с учетом немонотонной зависимости p(x).In this case, the specific effective electrical conductivity of the n – i – p – i – n structure should be calculated using expression (1) with allowance for the nonmonotonic dependence p (x).

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет создать СВЧ фотонный кристалл, динамический диапазон изменения коэффициента отражения которого при изменении управляющего тока, протекающего через единственный переключательный диод 2А505А от 0 до 200 мА достигает 47 дБ, при этом линейный размер фотонного кристалла составил 50 мм.Thus, the claimed invention allows you to create a microwave photonic crystal, the dynamic range of the reflection coefficient of which when changing the control current flowing through a single switching diode 2A505A from 0 to 200 mA reaches 47 dB, while the linear size of the photonic crystal was 50 mm

Claims

СВЧ фотонный кристалл, выполненный в виде прямоугольного волновода, содержащего периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения металлические элементы, по крайней мере одну n–i–p–i–n диодную структуру в центральном элементе, и включающий источник питания, отличающийся тем, что металлические элементы выполнены в виде по крайней мере пяти штырей, расположенных вдоль продольной оси широкой стенки волновода, центральный штырь гальванически соединен с обеими противоположными стенками волновода и имеет в центре разрыв для размещения в нем n–i–p–i–n диодной структуры, n-области которой соединены с противоположными концами штыря, а p-область соединена с положительным полюсом источника питания, штыри, расположенные справа и слева от центрального, ближайшие к центральному, имеют емкостные зазоры с одной из широких стенок волновода, выполнены с возможностью регулировки зазоров, последующие штыри, расположенные слева и справа от ближайших к центральному имеют емкостные зазоры меньшей величины с противоположной широкой стенкой, при этом диаметр центрального штыря меньше диаметров остальных штырей.Microwave photonic crystal made in the form of a rectangular waveguide containing metal elements periodically alternating in the direction of electromagnetic radiation propagation, at least one n – i – p – i – n diode structure in the central element, and including a power source, characterized in that the elements are made in the form of at least five pins located along the longitudinal axis of the wide wall of the waveguide, the central pin is galvanically connected to both opposite walls of the waveguide and has there is a gap in the center for placing an n – i – p – i – n diode structure in it, the n-regions of which are connected to opposite ends of the pin, and the p-region is connected to the positive pole of the power source, the pins located to the right and left of the central closest to the center, have capacitive gaps from one of the wide walls of the waveguide, made with the possibility of adjusting the gaps, the subsequent pins located to the left and to the right of the closest to the central have capacitive gaps of a smaller size with an opposite wide wall, while meter center pin diameters less than the remaining pins.