На правах рукописи СОРОКИН АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ
advertisement
На правах рукописи СОРОКИН АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ РЕЗОНАТОРАХ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ, РЕГУЛИРУЕМЫМИ МАГНИТНЫМИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ 01.04.03 - Радиофизика 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук САРАТОВ - 2009 Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского. Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Усанов Дмитрий Александрович доктор физико-математических наук, доцент Горбатов Сергей Сергеевич Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Роках Александр Григорьевич доктор физико-математических наук, профессор Попов Вячеслав Валентинович Ведущая организация: ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов. Защита диссертации состоится «___» ________ 2009 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д. 212.243.01 в Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: 410012, г.Саратов, ул.Астраханская, 83. С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ. Автореферат разослан «___» _________ 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета В.М. Аникин 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 СВЧгенераторов 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 СВЧизлучения 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 СВЧмикроскопов. К настоящему времени к числу нерешенных задач в этой области можно отнести, например, определение предела разрешающей способности, 3 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: 1. Экспериментальное исследование характеристик низкоразмерных резонансных систем «штырь с зазором – короткозамыкатель», содержащих полупроводниковый элемент, при воздействии на полупроводниковый элемент электрического смещения или постоянного магнитного поля. 2. Разработка способа повышения частотной избирательности амплитудночастотных характеристик резонансных систем «штырь с зазором короткозамыкатель». 3. Исследование возможности использования устройств на основе резонансных систем «штырь с зазором – короткозамыкатель с выемкой» для измерения электрических характеристик (диэлектрической проницаемости, проводимости) материалов. 4. 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. 4 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». 5 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 (1.5÷400) и проводимость (2·10-2÷107 Ом-1·м-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: 1÷50 и более, p:1÷60 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: 1) 18-й Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2008), г. Севастополь, Украина, 8-12 Сентября 2008г.; 2) 7-й Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, 15-21 Сентября 2008г.; 3) 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. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 6 Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, описана структура и объем работы. В первой главе проведен критический анализ различных резонансных СВЧсистем и возможностей их применений для измерения параметров материалов. Во второй главе приведены результаты исследования возможности управления магнитным полем, приложенным перпендикулярно широкой стенке волновода, частотой генерации диода Ганна, размещенного в низкоразмерной резонансной системе «металлический штырь – близко расположенный короткозамыкатель» [1]. Для проверки предположения о том, что низкоразмерная резонансная система чрезвычайно чувствительна к внешним воздействиям, была использована электродинамическая структура, схематическое изображение которой приведено на рис.1. В качестве активного элемента использовался диод Ганна типа АА703Б. Сечение прямоугольного волновода 1 составляло 23x10 мм. Диод 2 устанавливался между металлическим штырем 3 короткозамыкателем 4 так, как это показано на рис.1. Размер верхней стороны штыря составлял 5 мм, нижней стороны — 6.5 мм. Минимальное расстояние между штырем и короткозамыкателем составляло 0.8 мм, что значительно меньше, чем длина волны на частоте генерации (8.5 ГГц). Частота генерации измерялась с помощью анализатора спектра С4-27. Для измерений мощности использовался термоэлектронный измеритель мощности М4-3. Магнитные поля B1 и B 2 прикладывались в направлении, перпендикулярном широкой стенке волновода, так, как это показано на рис.1. Частота генерации в отсутствии магнитного поля составляла 8.5 ГГц, мощность генерации при этом составляла P0 1.5 мВт. B1 3 1 2 4 B2 Рис.1 Рис.2 Результаты измерений, приведенные на рис.2, свидетельствуют о том, что при изменении величины индукции магнитного поля B1 в пределах от 0 до 3 кГс максимальное изменение частоты в рассматриваемой конструкции генератора 7 составляло 75 МГц (кривая 1 — смещение на диоде 8.0 В, кривая 2 — 9.0 В). Аналогичные измерения были проведены при изменении направления магнитного поля на противоположное ( B 2 ). Кривая 3 соответствует смещению на диоде 8.0 В, кривая 4 — 9.0 В. Изменение частоты генерации для напряжений смещения 8.0 и 9 В сопровождалось изменением P мощности генерации (кривая 5 — смещение на диоде 8.0 В, кривая 6 — 9.0 В). Зависимость изменения P мощности генерации при направлении магнитного поля B 2 представлена кривыми 7 — смещение на диоде 8.0 В и 8 — смещение на диоде 9.0 В. Отметим, что при направлении магнитного поля B 2 его увеличение до значения индукции ~ 300 Гс (кривая 3), ~500 Гс (кривая 4) происходило уменьшение частоты генерации. Величина невзаимности достигала 15 МГц. При напряжении смещения на диоде 8.0 В в интервале значений индукции магнитного поля 1.25÷2.5 кГс наблюдалась перестройка частоты генерации на 42 МГц при практически неизменной мощности генерации. Для теоретического обоснования полученных экспериментальных результатов использовалось выражение для поверхностного импеданса штыря, которое может быть записано в виде Z n (1 j ) 0 / 2 . (1) Изменение Zn в результате воздействия магнитного поля происходит вследствие эффекта магнетосопротивления. Здесь 0 и - соответственно, магнитная проницаемость вакуума и проводимость материала штыря, круговая частота, j-мнимая единица. Соотношение (1) при воздействии постоянного магнитного поля принимает вид Z n (1 j ) 0 / 2( ) , где tg 2 , где - угол Холла, который зависит от величины напряженности магнитного поля H следующим образом: tg n H . Это соотношение справедливо для металлов и для полупроводников n-типа. Для расчета мы использовали методику, основанную на применении метода вторичных волн с элементами теории цепей. Расчеты проводили для устройства со штырем постоянной ширины, схематическое изображение которого приведено на рис. 3. При расчете определена частотная зависимость коэффициента стоячей волны KстU, в исследуемой конструкции. Значения KстU определяли из соотношения K стU где Г Z Z c10 / Z Z c10 , Z Y R L 1 Г 1 Г 1 YC . импеданс, определенный в плоскости штыря и содержащий параллельно соединенные импеданс штыря с 8 зазором и входной импеданс отрезка волновода с поршнем, YLR 1 , где R jX L R jX L - сумма активной и индуктивной составляющих импеданса штыря, емкостная составляющая полной проводимости штыря с зазором имеет вид 1 . YC k p21 M 2 2 n 1 Z mn (k pm / k qn ) mn m 1 N Здесь Z mn jb(k 2 k y2 ) ak (1 0 ) Г mn , k pm sin k x S (sin m / m ) , k qn cos k y h(sin n / n ) , 1, n 0, mw ng m n m , n , kx , ky . Г mn k x2 k y2 k 2 , 0 2a 2b a b 0, n 0, В третьей главе приведено описание конструкции резонаторов на основе систем “штырь с зазором – короткозамыкатель с цилиндрической выемкой” с высокими значениями кривизны частотных характеристик. Рис. 3. Схематическое изображение системы «короткозамыкатель с цилиндрической выемкой – штырь с зазором». 9 Рис. 4. Резонансы в системе “короткозамыкатель с цилиндрической выемкой – штырь с зазором”, зависимости коэффициента отражения от частоты соответствуют следующим параметрам: s=2w=2.3 мм, g=0.5 мм, d=0.8 мм; для кривых 1, 2 – h=5.5мм, для кривых 3, 4, 5 – h=6мм. Расстояния между короткозамыкателем и штырем составляли: 1 – 0.0625 мм; 2 – 0.125 мм; 3 – 0.1875 мм; 4 – 0.25 мм; 5 – 0.5 мм. Исследовано изменение резонансных кривых в зависимости от изменения параметров исследуемых систем [2]. Схематическое изображение системы «короткозамыкатель с цилиндрической выемкой – штырь» приведено на рис. 3, на котором a=23 мм, b=10 мм – размеры волновода; h – расстояние от широкой стенки волновода до нижнего края зазора, g – ширина зазора; s – ширина выемки; w – глубина выемки, d – диаметр штыря. Цилиндрическая форма поверхности выемки выбиралась из соображения ее соответствия форме поверхности штыря. На рис. 4, 5 представлены результаты измерений частотных характеристик коэффициента отражения при различных значениях расстояния между короткозамыкателем и цилиндрическим штырем различных размеров. Результаты измерений, приведенные на рис. 4, свидетельствуют о том, что при увеличении расстояния между штырем и короткозамыкателем от 62.5 мкм до 187.5 мкм частота, соответствующая минимуму отражения, увеличивается от 11.33 ГГц до 11.478 ГГц (кривые 1, 2, 3), а при изменении расстояния между короткозамыкателем и штырем от 250 мкм до 500 мкм, частота увеличивается от 10.289 ГГц до 11.372 ГГц (кривые 4, 5), что характерно для подобного рода систем. Как следует из результатов измерений, приведенных на рис. 4, при расстояниях между короткозамыкателем и штырем менее 0.25 мм (кривые 1, 2, 3) KR=3·10-3 нс2, где KR – кривизна частотных характеристик в окрестности резонанса. При расстоянии между поршнем и короткозамыкателем более 0.25 мм KR изменялось от 0.03 нс2 (кривая 4) до 0.33 нс2 (кривая 5). 10 Рис. 5. Резонансы в системе «короткозамыкатель с выемкой – штырь с зазором», зависимости коэффициента отражения от частоты соответствуют следующим параметрам: 1 – s=2w=1 мм, h=8 мм, g=0.5 мм, k=0.25 мм, d=0.5 мм; 2 – s=8.3 мм, w=2.4 мм, h=6.5 мм, g=3.5 мм, k=0.5 мм, d=0.8 мм; 3 – s=8.3 мм, w=2.4 мм, h=0.6 мм, g=0.1 мм, k=0.5 мм, d=1 мм; 4 – s=2w=2.3 мм, h=6 мм, g=0.5 мм, k=0.45 мм, d=0.8 мм; 5 – s=2w=2.3 мм, h=6 мм, g=1 мм, k=0.6 мм, d=0.8 мм. Анализ результатов эксперимента, приведенных на рис. 5, свидетельствует о том, что fрез=10146 МГц, KR=0.33 нс2 достигается при параметрах резонансной системы, соответствующих кривой 2. При значениях параметров системы, соответствующих глубине выемки (w) 1.15 мм, ширине выемки (s) 2.3 мм, расстоянию от широкой стенки волновода до нижнего края зазора (h) 6 мм, ширине зазора (g) 0.5 мм, расстоянию между короткозамыкателем и штырем (k) 0.45 мм, диаметру штыря (d) 0.8 мм, наибольшее полученное нами для рассматриваемой системы значение KR=0.59 нс2 наблюдалось на кривой 4, fрез=11354.5 МГц при Rрез=0.0021. Рис.6. Схематическое изображение системы прямоугольной выемкой – штырь с зазором». 11 «короткозамыкатель с Рис.7. Резонансы в системе «короткозамыкатель с прямоугольной выемкой – штырь с зазором», зависимости коэффициента отражения от частоты соответствуют следующим параметрам: s=6 мм, w=3 мм, d=0.8 мм; для кривых 1, 2, 5 – h=4.2 мм, g=1 мм, для кривых 3, 6 - g=1.5 мм, h=4.2 мм, 4 – g=2.4 мм h=3.5мм. Расстояния между короткозамыкателем и штырем составляли: 1, 5 – 0.75 мм; 2 – 0.9 мм; 3, 6 – 0.9 мм; 4 – 1.2 мм. При значениях параметров, соответствующих кривым 1, 2, 5 (рис. 5), KR было менее 0.5 нс2. Исследовалась также аналогичная система с выемкой прямоугольной формы в короткозамыкателе (рис. 6). Результаты измерений для такой системы приведены на рис. 7. Данные, приведенные на рис.7, свидетельствуют о том, что максимальное экспериментально достигнутое нами для такой системы значение KR составляло ~0.4 нс2 (кривые 2, 4). Теоретическая оценка кривизны частотных характеристик для системы «штырь с зазором - короткозамыкатель с прямоугольной выемкой» проведена нами с использованием методики, приведенной в [3,4]. Различия теоретически рассчитанной и экспериментально определенных величин кривизны можно объяснить тем, что конечная проводимость металла хотя и учитывалась при записи выражения для плотности возбуждающего резонатор тока в металлическом стержне, но набор собственных функций для резонансной полости определялся в предположении бесконечной проводимости ее стенок. Таким образом, экспериментально установлено и теоретически подтверждено, что предложенная резонансная система при наличии выемки в короткозамыкателе, позволяет значительно уменьшить ширину резонансной кривой Δf возникающих резонансов, что, в свою очередь, открывает возможность повышения эффективности работы управляющих и измерительных устройств на ее основе. Параметры частотных характеристик низкоразмерных резонансных систем чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям. Их высокая избирательность по частоте может быть использована для уменьшения уровня амплитудно-модулированных шумов полупроводниковых диодов СВЧ, работающих в режиме СВЧ-генерации. 3 1 2 4 Рис.8 Рис.9 12 Для проверки высказанного предположения была использована электродинамическая структура, схематическое изображение которой приведено на рис.8. В качестве активного элемента использовался лавинно-пролетный диод типа 2А707Б. Обратная ветвь его вольтамперной характеристики приведена на рис.9. Величина балластного сопротивления составляла 1 кОм. Сечение прямоугольного волновода 1 составляло 23x10 мм. Диод 2 устанавливался между металлическим полоской 3 и короткозамыкателем 4 так, как это показано на рис.8. Ширина полоски составляла 5 мм. Минимальное расстояние между полоской и короткозамыкателем составляло 0,8 мм, что значительно меньше, чем длина волны на частоте генерации (8.6 ГГц). Использовалась методика измерения амплитудного шума сводящаяся к прямому детектированию СВЧ-колебаний и выделению его амплитудной модуляции с помощью узкополосного перестраиваемого приемного устройства. Зависимости коэффициента стоячей волны от частоты для различных расстояний между штырем и короткозамыкателем при величине обратного напряжения смещения на диоде, равном 15 В (в отсутствие генерации), приведены на рис.10. Частота генерации измерялась с помощью анализатора спектра С4-27. Для измерений мощности использовался термоэлектронный измеритель мощности М4-3. На частоте генерации 8.6 ГГц мощность генерации составляла P0 55 мВт. Рис.10. Зависимость коэффициента стоячей волны от частоты для различных расстояний между штырем и короткозамыкателем (d) при напряжении смещения на диоде 15В: 1 – 2 мм, 2 - d=1.8мм; 3– d=1.7мм; 4– d=1,6мм; 5– d=1,5мм; 6– d=1мм. Напряжение амплитудно-модулированных шумов измерялось с помощью низкочастотного измерительного усилителя типа У4-28 с внутренним встроенным фильтром 2 Гц – 200 кГц. Коэффициент усиления изменялся ступенями в диапазоне от 10 до 100 дБ. Результаты измерений, приведенные на рис.11, свидетельствуют о том, что при уменьшении расстояния между короткозамыкателем и штырем от 2 мм до 1 мм (кривые 1-6) максимальное уменьшение напряжения шумов 13 наблюдается при расстоянии между короткозамыкателем и штырем 1.5 мм (кривая 5). При дальнейшем уменьшении расстояния напряжение шумов увеличивается. Следует отметить, что наибольшая величина подавления шума соответствует кривой 5 на рис.10. Мощность генерации при изменении расстояния между короткозамыкателем и штырем изменялась менее чем в 1.5 раза, т.е. в пределах от 45 мВт до 55 мВт. Отметим также, что измерения шума находятся в соответствии с измерениями зависимости коэффициента стоячей волны от частоты для различных расстояний между штырем и короткозамыкателем (d), приведенными на рис. 10, т.е. наибольшей величине подавления шума соответствует кривая 5 с максимальной кривизной в точке резонанса. Рис.11. Зависимость шумового напряжения Uш от величины смещения частоты от резонанса при напряжении смещения на диоде 55В и расстояниях d: 1 – d=2 мм, 2 - d=1.8мм; 3– d=1.7мм; 4– d=1.6мм; 5– d=1.5мм; 6– d=1мм. Таким образом, установлено, что в полупроводниковых генераторах на основе низкоразмерных резонансных систем можно наблюдать существенное изменение величины амплитудно-модулированных шумов, причем существует интервал расстояний между индуктивным штырем и короткозамыкателем, когда имеет место подавление шумов. Показана возможность использования низкоразмерного СВЧ-резонатора с повышенной кривизной для управления частотными характеристиками с помощью полупроводникового диода с переменной емкостью. Исследованы частотные характеристики данного резонатора [5]. Исследовалась резонансная система, в которой повышение кривизны частотных характеристик обеспечивалось введением в систему цилиндрической выемки, расположенной параллельно штырю в центральной части короткозамыкателя. 14 ИПТ штырь волновод Коэффициент стоячей волны выемка диод зазор 1.12 1.10 1.08 1.06 1.04 1 1.02 10.5 Рис.12. 2 10.54 3 4 5 10.58 10.62 Частота, ГГц 10.66 10.7 Рис.13 Схематическое изображение конструкции резонатора приведено на рис.12. Сечение волновода 23х10мм2. Серийный диод 2А709В устанавливался внутри технологического отверстия в выемке короткозамыкателя, а активная часть диода соприкасалась с емкостным зазором штыря, как это показано на рис. 12. Расстояние от широкой стенки волновода до середины емкостного зазора 5.75мм. Высота зазора — 0.5мм. На рис. 13 приведены частотные зависимости коэффициента отражения системы. Для подачи электрического смещения на диод использовался источник постоянного тока (ИПТ), напряжение смещения изменялось в диапазоне от 0 до 9В (кривая 1 — 0В; кривая 2 — 1В; кривая 3 — 5В; кривая 4 — 7В; кривая 5 — 9В). В интервале частот 10 — 11 ГГц (кривые 1 — 5) наблюдалось монотонное увеличение резонансной частоты от 10.545ГГц до 10.625ГГц при увеличении напряжения смещения на диоде 0 — 9В. Приведено описание и принцип действия ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе системы «штырь с зазором – короткозамыкатель с выемкой», с помощью которого можно с повышенной локальностью производить измерение величины диэлектрической проницаемости и проводимости материалов. Рис.14. Зондовая часть ближнеполевого СВЧ-микроскопа и зависимость частоты (ГГц) от перемещения зонда над структурой (мкм), где 1 – волновод; 2 – короткозамыкатель; 3 – штырь; 4 – выемка; 5 – отверстие в короткозамыкателе, 6 – игла; 7 – петля связи; а – размер широкой стенки волновода; b -.размер узкой стенки волновода, h – высота штыря; d - диаметр штыря; k – расстояние между штырём и короткозамыкателем; s - ширина выемки; w – глубина выемки. 15 На рис. 14 приведено схематическое изображение зондовой части ближнеполевого СВЧ-микроскопа. Микроскоп работает следующим образом. СВЧ-сигнал от генератора поступает в волновод 1. Происходит взаимодействие в волноводе 1 СВЧ-сигнала со штырем 3 и короткозамыкателем 2, имеющим выемку 4. В результате возникает ближнее поле. В зависимости от расстояния между штырем и короткозамыкателем возникает тот или иной набор высших типов колебаний, которые определяют структуру ближнего поля, возникающего в системе. Спектр возникающих колебаний крайне чувствителен к нагрузке измерительной системы, что и определяет высокую чувствительность всего устройства в целом. Изменением расстояния между короткозамыкателем 2 и штырем 3 добиваются возникновения резонанса, после чего это расстояние фиксируется (данная операция выполняется однократно). Ближнее поле взаимодействует с иглой 6 через петлю связи 7, а через неё с исследуемым образцом, который располагается вблизи или касается иглы 6. В измерительное устройство поступает отраженный сигнал, и проводятся измерения частоты резонанса, кривизны частотной характеристики и коэффициента отражения. В предложенном микроскопе, благодаря взаимодействию ближнего поля в окрестности иглы 6 с измеряемым образцом при незначительном расстоянии между образцом и иглой 6 (несколько десятков мкм или контакт без усилия) возникает перестройка резонансной картины, выражающаяся в изменении частоты резонанса, кривизны частотных характеристик и величины коэффициента отражения на частоте резонанса в зависимости от величины диэлектрической проницаемости, проводимости исследуемого слоя. Данные измерений сравниваются с калибровочными кривыми в результате чего делается вывод об измеряемых параметрах материала. Расстояние от штыря 3 до короткозамыкателя 2 и величина зазора выбраны из условия возникновения резонанса с малым коэффициентом отражения. Созданный микроскоп имел рабочую частоту в отсутствие измеряемого образца: fрез=10.251 ГГц. В данной системе a=23мм, b=10мм, h=6.5мм, 1мм – высота зазора в штыре, d=0.9 мм; выемка цилиндрической формы: s=7мм; w=2.15мм, радиус иглы составлял 0.1мм, расстояние k между штырем и короткозамыкателем не превышало /10. Результаты измерений приведены в таблице. Диэлектрическая Проводимость, Частота Коэффициент -1 -1 проницаемость Ом ·м резонанса, отражения, Rрез fрез, ГГц 11.9 0.05 9.538 0.55334 5 16 0.02 9.474 0.44211 8 16 0.025 9.341 0.49594 6 16 Кривизна, KR·10-5 7 15 8.2 Таким образом, использование предложенного микроскопа позволяет измерять электропроводность и диэлектрическую проницаемость слоя исследуемого материала в широком диапазоне значений, с разрешением до 10 мкм (рис.14, зависимость частоты (ГГц) от перемещения зонда (мкм) над исследуемой структурой (фон: алюминий (темный) на пластине ниобата лития (светлый))). В четвертой главе приведено описание алгоритма, позволяющего рассчитывать коэффициент стоячей волны по напряжению системы диафрагма – близкорасположенный короткозамыкающий поршень. Рассчитаны зависимости частотных характеристик системы от размеров и положения апертуры в диафрагме и расстояния между диафрагмой и поршнем. Получено хорошее совпадение результатов теории и эксперимента [3, 4]. Рис.15 На рис. 15 изображена система диафрагма – короткозамыкающий поршень. Используя методику, предложенную в [3,4], нами был построен алгоритм, который применялся для расчета коэффициента стоячей волны по напряжению K для волны H 10 с учетом возбуждения мод H mnp и E mnp . стU i Данная методика позволяет рассчитывать матрицу сопротивления для системы диафрагма — короткозамыкающий поршень. Коэффициент стоячей волны K рассчитывается в зависимости от стU i частоты и от расстояния между поршнем и диафрагмой по формуле: K где стU i 1 R i 1 R i , 1 Z mn Z H10 Yi — Ri 1 Z mn Z H10 Yi диагональные элементы матрицы рассеяния, в которой 17 Z mn W 2 cсв 2 m 2 n 2 1 2 a 2 b 2 . Общее выражение для элементов матрицы проводимости системы «емкостная диафрагма — короткозамыкающий поршень» имеет вид: N 2 Yr W H r h* dS , S где S — сечение волновода, в котором устанавливается емкостная диафрагма; ,r — совокупности чисел m,n,p, определяющие моды колебаний, W — волновое сопротивление для -той моды; h* — напряженность магнитного поля -той моды при нормировке на μ0; H r — приближенное значение напряженности магнитного поля r-той моды, которое представляется в виде: N H r N N N 1 1 d r H d r H , где H , H — напряженности магнитных (базисных) волн ТЕ- и ТМ-типов, соответственно, N , N — числа базисных функций соответствующих типов N волн при расчете H r . Использовавшаяся методика реализовывалась в программной среде Mathcad v11.0a. Поперечные размеры волновода задавались равными a=0.023м, b=0.01м; расстояние между диафрагмой и поршнем: k=10÷500мкм; числа, определяющие моду колебания по x,y,z, соответственно: m=1,2,…,50; n=1,2,…,50; p=1,2,…60; частота входного сигнала: ω=8÷12ГГц; толщина: d=104 м, g— апертура диафрагмы. 18 Рис. 16 На графиках (рис. 16) представлены результаты расчетов и измерений зависимостей коэффициентов стоячей волны по напряжению (ось ординат) от расстояния и частоты (—— — теоретические кривые, x, о, , ∆ — экспериментальные данные), свидетельствующие об их хорошем соответствии. На рис.16 (а) изображены зависимости коэффициентов стоячей волны по напряжению от частоты при изменении положения диафрагмы (1 — k=100мкм (x); 2 — k=170мкм (o); 3 — k=300мкм ( ); 4 — k=470мкм (∆)) и фиксированной величине h=0.5b. Отметим, что резонансные частоты при увеличении расстояния между поршнем и диафрагмой от 170мкм до 470мкм могут возрастать, что существенно отличает низкоразмерные резонаторы от обычно используемых СВЧ-резонаторов, в которых резонансная частота при увеличении размеров резонатора уменьшается. Как показывают данные расчета и эксперимента, приведенные на рис.16 (а), резонанс с частоты 8.1ГГц при увеличении расстояния между поршнем и диафрагмой от 170мкм до 470мкм сдвигается до частоты 8.3ГГц. На рис.16 (б, в) изображены коэффициенты стоячей волны в зависимости от частоты при фиксированных положениях диафрагмы (k=470мкм и k=500мкм, соответственно) и изменяющейся величине h (1 — h=0.7b (x); 2 — h=0.8b (o); 3 — h=0.9b ( )). Данные результатов измерений и расчетов частотных зависимостей K , приведенные на рис.16 (б, в), свидетельствуют о том, что стU наблюдается увеличение числа резонансных частот при уменьшении апертуры диафрагмы от 0.5b до 0.1b. Так в интервале апертур от 0.2b до 0.1b число резонансных частот в диапазоне ~10÷11ГГц при расстоянии между поршнем и диафрагмой k=470мкм увеличивается от трех, при апертуре 0.2b, до шести, при апертуре 0.1b. Увеличение числа резонансов при уменьшении размера апертуры можно объяснить тем, что с уменьшением g становятся более предпочтительными условия трансформации волны основного типа в большее число колебаний высших типов, возбуждающихся в низкоразмерном резонаторе. На рис.16 (г) изображены зависимости коэффициентов стоячей волны по напряжению от частоты в зависимости от положения апертуры диафрагмы, для двух положений диафрагмы (1 — h=0.5b (x); 2 — h=0.9b (o)) при g=0.001b. Как следует из приведенных на рис.15 (г) результатов, K заметно изменяется стU только на частоте 11ГГц (примерно от 17 до 20), то есть K стU при изменении положения апертуры на диафрагме изменяется слабо. Таким образом, применение данной методики расчета к описанию частотных характеристик волноводных систем типа емкостная диафрагма — короткозамыкающий поршень обеспечивает достижение хорошего соответствия с результатами эксперимента, что позволяет рекомендовать ее для использования при оптимизации параметров различного типа устройств на основе таких систем. В приложении 1 проведены расчеты различных коэффициентов и интегралов, необходимых для построения алгоритма, позволяющего 19 рассчитывать коэффициент отражения систем типа «емкостная диафрагма – близкорасположенный короткозамыкающий поршень». В приложении 2 приведен алгоритм расчета коэффициента отражения для систем типа «емкостная диафрагма – короткозамыкающий поршень». ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Таким образом, основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертации, сводятся к следующему: 1. Показано, что использование низкоразмерной системы «металлический штырь с зазором –короткозамыкатель» в качестве резонатора, позволяет существенно расширить диапазон невзаимной магнитной перестройки частоты и изменения выходной мощности СВЧ-генераторов на диодах Ганна по сравнению с известными генераторами. 2. Установлено, что введение в схему СВЧ-генератора на ЛПД низкоразмерной резонансной системы «металлический штырь с зазором – короткозамыкатель» позволяет существенно снизить уровень шума генератора. 3. Установлено, что цилиндрическая выемка в близко расположенном к штырю с зазором короткозамыкателе приводит к существенному увеличению кривизны частотных характеристик, причем частотой резонанса можно электрически управлять изменением напряжения на помещенном в систему полупроводниковом диоде. 4. Использование низкоразмерной резонансной системы позволяет с повышенной локальностью измерять в широком диапазоне значений диэлектрическую проницаемость и проводимость материалов. 5. Установлено, что вариационная методика позволяет рассчитать частотные зависимости коэффициента отражения низкоразмерной системы «емкостная диафрагма – близко расположенный короткозамыкающий поршень». СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ 1. Горбатов С.С., Семенов А.А., Усанов Д.А., Сорокин А.Н., Кваско В.Ю. Магнитная перестройка частоты СВЧ генератора на диоде Ганна // Известия вузов. Радиоэлектроника. – 2009. – №3. – С.77-80. 2. Усанов Д.А, Горбатов С.С., Сорокин А.Н., Кваско В.Ю. Высокодобротные резонансы в системах «штырь с зазором - короткозамыкатель» // Тезисы докладов 18-й Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2008). г.Севастополь, Украина, 8-12 Сентября 2008г. – С.728-729. 3. Горбатов С.С., Сорокин А.Н., Усанов Д.А. Частотные характеристики низкоразмерных волноводных систем типа «емкостная диафрагма – короткозамыкающий поршень» // Известия вузов. Радиоэлектроника. – 2008. – №5. – С.77-80. 4. Усанов Д.А, Горбатов С.С., Сорокин А.Н. Отражение СВЧ-волн в низкоразмерной резонансной системе «емкостная диафрагма – короткозамыкающий поршень» // Тезисы докладов 18-й Международной 20 Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2008). г.Севастополь, Украина, 8-12 Сентября 2008г. – С.730-731. 5. Усанов Д.А, Горбатов С.С., Сорокин А.Н., Кваско В.Ю. Электрическая перестройка частоты в высокодобротном низкоразмерном СВЧ резонаторе // Тезисы докладов 7-й Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». г. Самара, 15-21 Сентября 2008г. – С.238-239. Подписано в печать 1.06.2009. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1.25 (1.5) Тираж 100 экз. Заказ № __ Типография Издательства Саратовского университета 410012, Саратов, Астраханская, 83, 21
