Микрополосковые фотонные структуры СВЧ-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Куликов, Максим Юрьевич

• Куликов, Максим Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Куликов, Максим Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СВЧ-ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ.

1.1 Электродинамические свойства СВЧ-фотонных кристаллов с различного рода включениями.

1.2 Анализ современного состояния исследований применения СВЧ-фотонных кристаллов для создания функциональных устройств СВЧ-электроники.

2 РЕЗОНАНСНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ОДНОМЕРНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФОТОННЫХ СТРУКТУР И ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

2.1 Математическая модель взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными микрополосковыми фотонными структурами.

2.2 Результаты компьютерного моделирования спектров прохождения микрополосковых фотонных структур.

2.3 Результаты компьютерного моделирования спектров прохождения микрополосковых фотонных структур при наличии «нарушения» периодичности в структуре фотонного кристалла.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА СВЧ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ" ОДНОМЕРНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФОТОННЫХ СТРУКТУР.

3.1 Измерение диэлектрической проницаемости твердых материалов.

3.2 Измерение комплексной диэлектрической проницаемости неполярных жидких диэлектриков на СВЧ.

3.3 Измерение комплексной диэлектрической проницаемости полярных жидких диэлектриков на СВЧ.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ С ОДНОМЕРНЫМИ МИКРОПОЛОСКОВЫМИ ФОТОННЫМИ СТРУКТУРАМИ и их ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

4.1 Результаты экспериментального исследования спектров прохождения микрополосковых фотонных кристаллов.

4.2 Использование микрополосковых фотонных структур для измерения параметров жидких и твердых диэлектриков на СВЧ.

4.2.1 Экспериментальное исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения микрополосковых фотонных структур с нарушением периодичности в чередовании отрезков микрополосковой линии передачи с большой и малой шириной полоскового проводника.

4.2.2 Измерение электрофизических параметров диэлектрических пластин по частотным зависимостям коэффициента прохождения микрополосковых фотонных структур с нарушением периодичности в виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков микрополосковой линии.

4.2.3 Экспериментальное исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения микрополосковых фотонных структур, содержащих неоднородности в виде кюветы с неполярными жидкими диэлектриками.

4.2.4 Экспериментальное исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения микрополосковых фотонных структур, содерэюащих неоднородности в виде кюветы с полярными жидкими диэлектриками.

4.2.5 Измерение комплексной диэлектрической проницаемости растворов полярных жидких диэлектриков на СВЧ.

5 РЕЗОНАНСНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ КОРОТКОЗАМКНУТОГО ОТРЕЗКА МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ С

ПОДКЛЮЧЕННЫМ Р—/— Л^-ДИОДОМ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

5.1 Исследование частотной зависимости коэффициента отражения короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии передачи с подключенным р—/—и-диодом.

5.2 Измерение диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков с использованием резонансной системы на основе короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии передачи с подключенным р—/—п-диодом.

5.3 Измерение диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков с использованием резонансной системы на основе микрополосковой фотонной структуры с подключенным р—/'—л-диодом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микрополосковые фотонные структуры СВЧ-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков»

Разработка современных приборов твердотельной микро- и наноэлектроники во многом зависит от уровня развития технологии изготовления полупроводниковых, диэлектрических и металлических слоев, толщиной от нескольких нанометров до десятков микрометров

Для обеспечения технологии производства слоистых структур с высокой степенью совершенства требуется ^Ъздание высокоточных методов измерений электрофизических параметров диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур. Такого рода структуры используются в акустоэлектронике при создании линий задержки, в микро- и наноэлектронике и других областях.

Одним из требований, предъявляемых к современным методам измерения электрофизических параметров материалов, является использование возможности проводить их бесконтактно, не разрушая, материал и не изменяя его свойства. К бесконтактным методам измерений относятся СВЧ-методы, которые являются оптимальными при исследовании материалов и структур, используемых при создании приборов полупроводниковой СВЧ-электроники [1—19]. Исследования, например, с помощью низкочастотных методов [20—22] могут давать недостаточно информации для конструирования устройств именно сверхвысокочастотного диапазона с заданными характеристиками.

СВЧ-методы измерения различаются по физическим эффектам, на которых они основаны, по типу используемой схемы измерений и по характеру взаимного расположения образца и электродинамической системы. По типу используемой схемы СВЧ-методы делят на волноводные [5, 23—30], мостовые [31], резонаторные [32—42], микрополосковые [43—53].

При использовании волноводных методов [5, 23—30] рассматривается взаимодействие СВЧ-волны, распространяющейся в волноводе, с помещенным в него образцом, и измеряются интенсивности прошедшей и отраженной волн.

Среди различных типов планарных схем микрополосковые являются наиболее часто используемыми в СВЧ-электронике [54—59]. Микрополосковые схемы достаточно широко используются при реализации СВЧ-методов измерения параметров материалов, в частности, материалов подложек плоских СВЧ-линий передачи [43—53].

При измерениях резонаторными методами [32—42] схема настраивается в резонанс изменением размеров электродинамической системы или частоты- генератора. Введение исследуемого образца; в измерительную резонаторную систему приводит к смещению резонансной частоты и изменению добротности резонатора, по изменению которых рассчитываются параметры образца. По результатам измерения- изменения характеристик резонатора могут быть определены диэлектрическая проницаемость и электропроводность материала, изменение электропроводности, вызванное наложением магнитного поля, освещением образца и т. д.

Для определения электрофизических параметров диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур, нанометровых металлических пленок можно использовать результаты измерений спектров отражения и прохождения взаимодействующего с ними СВЧ-излучения при условии, что известно их теоретическое описание [60—76]. Нахождение электрофизических параметров связано с необходимостью решать обратную задачу [45—47, 64—67].

Использование открытых СВЧ-линий передачи позволяет сочетать достаточно высокую чувствительность СВЧ-методов измерений с технологичностью изготовления структур и оправок для измерения* и отсутствием жестких требований на размеры образцов. К недостаткам измерительных систем на открытых линиях передачи можно отнести наличие потерь на излучение на открытых концах передающих линий, неоднородностях, например, связанных с необходимостью использования коаксиально-микрополосковых переходов, трудности в проведении локальных измерений.

Интенсивное развитие нанотехнологий стимулировало разработку и создание нового класса периодических структур, получивших название фотонных кристаллов [77—87]. Фотонный СВЧ-кристалл — это структура, в которой периодически чередуются слои из материалов с различной диэлектрической проницаемостью или толщиной. При этом период чередования слоев сравним с длиной волны распространяющегося в фотонном кристалле электромагнитного излучения. На зависимостях коэффициентов отражения и прохождения от частоты СВЧ-сигнала наблюдаются области полного отражения, частотные области «запрещенные» для распространения электромагнитной волны — аналог запрещенной зоны в кристаллах, и области прохождения СВЧ-волны.

Если нарушить периодичность чередования слоев, к примеру, добавить отдельный слой из материала с другой диэлектрической проницаемостью, то внутри области полного отражения, т.е. в «запрещённой зоне», появится узкое «окно пропускания» — область с минимальным значением коэффициента отражения электромагнитной волны [77, 87—89].

В СВЧ-диапазоне одномерный фотонный кристалл может быть создан* как с помощью волноводов с диэлектрическим заполнением [78, 89—92], так и планарных линий передачи с периодически изменяющейся структурой [56, 79—84, 93—95].

Использование микрополосковых и волноводных фотонных СВЧ-кристаллов обеспечивает изменение коэффициента отражения от значений близких к нулю до значений близких к единице в измеряемом диапазоне частот, этим достигается расширение диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов, с другой стороны, обеспечивается возможность создания на их основе функциональных устройств СВЧ-электроники в выбранном частотном диапазоне [77, 78, 95—100].

В связи с этим является актуальным проведение исследований особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона с одномерными микрополосковыми фотонными кристаллами, определение чувствительности частотной зависимости «окон» прозрачности в запрещенной зоне фотонного кристалла к параметрам нарушения периодичности, установление возможности расширения диапазона и повышения достоверности измерений электрофизических параметров слоев диэлектрических и полупроводниковых материалов, включенных в состав одномерных микрополосковых фотонных кристаллов в качестве нарушений периодичности, по* спектрам прохождения, взаимодействующего с ними излучения сверхвысокочастотного диапазона длин волн.

Цель диссертационной работы:

Выявление особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона с одномерными микрополосковыми фотонными кристаллами, содержащими неоднородности в виде слоев твёрдых и жидких диэлектриков, и проведение на этой основе экспериментального и теоретического обоснования возможности измерений их электрофизических параметров в широком диапазоне значений.'

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1 Разработка модели, которая позволяет адекватно описать взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с фотонными кристаллами, реализованными на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической проницаемости материала подложки и содержащими нарушения периодичности в виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков микрополосковой линии;

2 Исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения электромагнитного излучения, взаимодействующего с микрополосковыми фотонными кристаллами СВЧ-диапазона, реализованными на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической проницаемости материала подложки и содержащими нарушения периодичности в виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков микрополосковой линии.

3 Разработка метода решения обратной задачи: определение диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков микрополоскового фотонного кристалла, по измеренным частотным зависимостям коэффициента прохождения электромагнитного излучения, взаимодействующего с фотонным кристаллом;

4 Экспериментальная реализация методов измерения диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль неоднородности в микрополосковых фотонных кристаллах, по спектрам прохождения взаимодействующего с ними электромагнитного излучения СВЧ-диапазона;

5 Экспериментальная реализация резонансной системы, на основе микрополоскового фотонного кристалла с подключённым петлевым элементом связи, в центре которого расположен р — 1 — П -диод, и обоснование возможности её использования в качестве электрически управляемой измерительной системы для определения диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль неоднородности фотонного кристалла.

Новизна исследований; проведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем:

1 Разработано теоретическое обоснование возможности измерения параметров материалов образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, а также образцов, находящихся в непосредственной близости над подложкой и полосковым проводником, в широком диапазоне изменения их параметров по спектрам прохождения, взаимодействующего с фотонным кристаллом сверхвысокочастотного излучения.

2 Показано, что при равных значениях электрических длин чередующихся отрезков микрополоскового фотонного кристалла обеспечивается равенство ширин запрещённых зон на частотной зависимости коэффициента пропускания фотонного кристалла СВЧ-диапазона. В* этом случае появление в запрещённой зоне микрополоскового фотонного кристалла «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней частотной границы запрещенной зоны, наблюдается при увеличении электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла, а «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи нижней частотной границы запрещенной зоны, наблюдается при уменьшении электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла.

3 Экспериментально реализованы методы измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и твердых диэлектриков, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, по спектрам прохождения взаимодействующего с фотонным кристаллом электромагнитного излучения.

4 Показана возможность эффективного электрического управления параметрами микрополоскового фотонного кристалла с помощью подключённого петлевого элемента связи, в центре которого расположен р — 1 — п-диод, и обосновано его использование в качестве электрически управляемой измерительной системы для определения диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль неоднородности фотонного кристалла.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается качественным и количественным соответствием выводов теории основным результатам, полученным экспериментально, строгостью используемых математических моделей, корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных процессов. к искомым решениям, выполнимостью предельных переходов к известным решениям. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с использованием стандартных методов.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:

1 Реализован метод компьютерного моделирования спектров отражения и прохождения фотонных кристаллов, реализованных на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической; проницаемости материала подложки.

2 Разработана программная и аппаратная реализация методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости* жидких и твердых диэлектриков с использованием микрополосковых аналогов одномерных-фотонных кристаллов, по спектрам прохождения-взаимодействующего с фотонным кристаллом электромагнитного излучения.

3 Экспериментально реализована электрически управляемая с помощью петлевого элемента связи, в центре которого расположен р - г - п -диод, измерительная система на основе микрополоскового фотонного кристалла, в которой измеряемый образец выполняет роль неоднородности фотонного кристалла.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 По измеренным частотным зависимостям коэффициента пропускания электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, взаимодействующего с микрополосковым фотонным кристаллом, при наличии в нём нарушения в виде изменения диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков микрополосковой линии, в результате решения обратной задачи при известных параметрах периодически чередующихся отрезков возможно определение диэлектрической проницаемости твёрдых и жидких диэлектриков, выполняющих роль неоднородности микрополоскового фотонного кристалла.

2 Чувствительность измерительной системы на основе микрополоскового фотонного кристалла СВЧ-диапазона с подключённым' петлевым, элементом связи, в центре которого расположен р-1-П-диод, к изменению величины диэлектрической проницаемости образца, выполняющего роль неоднородности фотонного кристалла, регулируется величиной протекающего через* р — 1 — п -диод тока.

3 При равных значениях электрических, длин чередующихся, отрезков микрополоскового фотонного кристалла- обеспечивается равенство ширин запрещённых зон на частотной зависимости коэффициента пропускания фотонного кристалла СВЧ-диапазона. Увеличение в этом случае электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла приводит к появлению в- запрещённой зоне микрополоскового фотонного кристалла «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней частотной границы запрещенной зоны, а уменьшение электрической длины, одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла приводит к появлению «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи нижней частотной границы запрещенной зоны.

4 Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика, представляющего собой водно-этанольный раствор, при комнатной температуре в диапазоне частот 3,2—3,6 ГГц монотонно убывает с ростом объемной доли этанола, а зависимость мнимой части комплексной диэлектрической проницаемостей этого раствора обладает отчетливо выраженным максимумом при объемной доле этанола равной ~ 40 %, что обусловлено изменением времён релаксации поляризации раствора с изменением объемной доли этанола.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы доложены на:

Международной казахстанско-российско-японской научною конференции и; VI российско-японском семинаре «Перспективные технологии; оборудование и аналитические системы для материаловедения^ и наноматериалов: Материалы». Усть-Каменогорск^ Казахстан; Восточно-Казахстанский государственный. технический университет им. Д. Серикбаева, 24—25 июня 2008 г. [101];

XVII International Conférence on Microwaves, Radar and Wireless Communications. Wroclaw, Poland, May 19—21 2008 [102];

18-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-—2008». Сёвастополь, Крым, Украина; 8-—12 сентября 2008 г. [103];

38th European Micro wave Conférence. Amsterdam, The Netherlands, 27—31 October 2008 [104]; '

Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия — 2008». Москва, Московский государственный институт электронной техники МИЭТ, 25—27 ноября 2008 г. [105];

Международном Форуме по нанотехнологиям. Москва, 3-—5 декабря

2008 г. [106];

Всероссийской молодежной; выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций^ Саратов, Саратовский государственный университет им. H. F. Чернышевского, 27—28 октября

2009 г. [107];

VTI Международной российско-казахстанско-японской научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». Волгоград, 3—4 июня 2009 г. [108];

• 19-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо—2009». Севастополь, Крым. Украина, 14—18 сентября 2009 г. [109];

• 39th European Microwave Conference. Rome, Italy, 29 September— 1 October 2009 [110];

• 18th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications "MIKON—2010". Vilnius, Lithuania, June 14—16 2010 in];

• 20-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо—2010». Севастополь, Крым, Украина, 13—17 сентября 2010 г. [112];

• Конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области стратегического партнерства вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности. Санкт-Петербург, 2010. [113].

Исследования выполнялись в рамках НИР «Технология формирования наноструктур и нанокомпозитов, разработка и создание новых технологий измерений параметров материалов, наноструктур и нанокомпозитов на основе низкоразмерных резонансных систем оптического и микроволнового диапазонов» ГК № 02.513.11.3058, ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы», НИР «Разработка новых высокочувствительных методов измерения электрических и магнитных свойств нанокомпозитных материалов и структур в СВЧ и оптическом диапазонах и создание компьютерного диагностического комплекса для их реализации» (грант Президента РФ для поддержки молодых ученых — докторов наук и кандидатов наук и их научных руководителей (МК-415.2009.8) , научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (грант Правительства РФ 11.G34.31.0030).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ [101—119], в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК [114— 118]; 13 работ опубликованы в сборниках конференций [101—113], 1 патент РФ на изобретение [119].

Личный вклад автора выразился в участии в проведении, всего объема экспериментальных работ, в создании теоретических моделей, описывающих результаты экспериментов, проектировании и практической реализации экспериментальных структур, проведении компьютерного моделирования и анализе полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 150 страницах, содержит 97 рисунков и список литературы из 140 наименований.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Куликов, Максим Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в ходе выполнения диссертационной работы:

1 Разработана модель, которая позволяет адекватно описать взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с многослойными фотонными структурами, реализованными на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической проницаемостью материала подложки и содержащими нарушения периодичности в виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков структуры;

2 Описано появление в запрещённой зоне микрополоскового фотонного кристалла «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней частотной границы запрещенной зоны, при увеличении электрической длины, одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла и «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи нижней частотной границы запрещенной зоны, при уменьшении электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла

3 Показано, что при равных значениях электрических длин чередующихся отрезков микрополосковой линии передачи, образующих одномерную фотонную структуру, обеспечивается равенство ширин запрещённых зон на частотной зависимости коэффициента пропускания фотонной структуры в СВЧ-диапазоне;

4 Разработано теоретическое обоснование возможности измерения параметров материалов образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, а также образцов находящихся в непосредственной близости над подложкой и полосковым проводником, в широком диапазоне изменения их параметров по спектрам прохождения, взаимодействующего с фотонным кристаллом сверхвысокочастотного излучения;

5 Изготовлены микрополосковые фотонные структуры, на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической проницаемостью материала подложки, содержащие нарушения периодичности в виде изменения длиньъ одного из отрезков микрополосковой-линии; и получено1 хорошее количественное соответствие измеренных частотных зависимостей коэффициента прохождения, электромагнитного излучения, взаимодействующего-с такими структурами, с рассчитанными на основе разработанной математической-модели;

6 Исследовано влияние образцов твердых и жидких диэлектриков с различной комплексной диэлектрической проницаемостью на частотные зависимости коэффициента прохождения электромагнитного излучения, взаимодействующего с микрополосковыми фотонными- структурами, в которых исследуемые образцы выполняют функцию неоднородности;

7 Разработана программная и аппаратная« реализация методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости- жидких и твердых диэлектриков с использованием микрополосковых одномерных фотонных кристаллов, по спектрам прохождения взаимодействующего с фотонным кристаллом электромагнитного излучения;

8 Экспериментально > реализованы методы измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и твердых диэлектриков, выполняющих роль подложки одного из отрезков- структуры микрополоскового фотонного кристалла, в результате решения обратной задачи по измеренным частотным зависимостям коэффициента прохождения электромагнитного излучения, взаимодействующего с микрополосковой фотонной структурой, в которой исследуемые образцы выполняют функцию подложки одного из отрезков структуры.

9 Получены значения комплексной диэлектрической проницаемости водно-этанольных растворов в диапазоне концентраций от 0 до 96 % объемного содержания этанола в растворе в диапазоне температур от 20 до 60°С на частотах от 3,2 до 3,6 ГГц с использованием разработанной методики определения комплексной диэлектрической проницаемости из решения обратной задачи по спектрам прохождения СВЧ-излучения через измерительную структуру с помещенным в нее исследуемым раствором.

10 Проведено исследование частотных зависимостей коэффициента отражения электромагнитного излучения, взаимодействующего со структурой содержащей резонансную систему из конденсатора и петлевого элемента связи, в центре которого расположен р -1 - п-диод, подключенную к короткозамкнутому отрезку микрополосковой линии передачи, и структурой, в которой отрезок микрополосковой линии с такой резонансной системой входит в состав микрополосковой фотонной структуры.

11 Описан пример практической реализации электрического управления параметрами микрополосковых фотонных структур, заключающийся в использовании для измерения диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков резонансной системы, содержащей конденсатор и петлевой элемент связи, в центре которого расположен р — 1 — п -диод, подключенной к короткозамкнутому отрезку микрополосковой линии передачи, входящему в состав микрополосковой фотонной структуры.

12 На основании полученных результатов предложен способ определения диэлектрической проницаемости образцов диэлектрических материалов. Патент РФ на изобретение № 2419099 Опубл. 20.05.2011. Бюл. 14, заявка на изобретение №2010123701 от 10.06.2010.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Куликов, Максим Юрьевич, 2011 год

1. Усанов Д. А. СВЧ-методы измерения параметров полупроводников. Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 1985. 55 с.

2. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков A.C. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.

3. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2-х книгах. Кн. 1. Под ред. В.В: Клюева. М.: Машиностроение, 1986. 352 с.

4. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 4. Контроль излучениями: Практ. пособие. Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высш. шк., 1992. 321 с.

5. Арапов Ю.Г., Давыдов А.Б. Волноводные методы измерения электрофизических параметров полупроводников на СВЧ // Дефектоскопия. 1978. № 11. С. 63—87.

6. Ягудин Г. X., Шибаев А. А., Пономаренко О. Н. Бесконтактные, методы неразрушающего контроля электрофизических параметров полупроводниковых структур. — Обзоры по электронной технике. Сер. Полупроводниковые приборы, 1973, вып. 4(104). 52 с.

7. Афсар М. Н., Берч Дж. Р., Кларк Р. Н. Измерение характеристик материалов // ТИИЭР. 1986. Т. 74, № 1. С. 206—220.

8. Стариков В.Д. Методы измерения на СВЧ с применением измерительных линий. М.: Сов.радио. 1972. 144 с.

9. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. 147 с.

10. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. 312 с.

11. У санов Д.А., Скрипаль A.B. Физика работы полупроводниковых приборов в схемах СВЧ. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999. 376 с.

12. Завьялов А. С., Дунаевский Г. Е. Измерения параметров материалов на сверхвысоких частотах. — Томск: Изд. Томского ун-та, 1985. 214 с.

13. Баранов JI. И., Гаманюк В. Б., Усанов Д. А. К вопросу об определении проводимости и диэлектрической проницаемости полупроводников на СВЧ // Радиотехника и электроника. 1972. Т. 17, № 2. С. 426—428.

14. Бхар. Исследование полупроводников с помощью СВЧ методов // ТИИЭР. 1963. Т. 51. № п. с. 1597—1605.

15. Чэмплин К.С., Армстронг Д.Б. Выражения в явном виде для проводимости и диэлектрической проницаемости объемных полупроводников в волноводе // ТИРИ. 1962. Т. 50, № 2. С. 272—273.

16. Нолмс Д.А., ФойхтД.Л. Измерение проводимости и диэлектрической проницаемости полупроводников на СВЧ // ТИИЭР. 1964. Т. 52. № 1. С. 107—108.

17. ГаннМ.В. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости полупроводников СВЧ методом // ТИИЭР. 1964. Т. 52. № 2. С. 194.

18. Валитов P.A., Сретенский В.Н. Радиотехнические измерения. М.: Сов.радио. 1963. 102 с.

19. Ахманаев В.Б., Медведев Ю.В., Петров A.C. Резонатор для бесконтактного измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1981. Выт 4. С. 49—51.

20. Павлов JI. В. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: Высш. шк., 1987. 239 с.

21. Ковтонюк Н. Ф., Концевой Ю. А. Измерения параметров полупроводниковых материалов. М. 1970, 432 с.

22. Б л ад П., Ортон Дж. В. Методы измерения электрических свойств полупроводников. — Зарубежная радиоэлектроника, 1981. ч. I, с. 3—50; ч. 2, № 2, с. 3—49.

23. Benedict Т. S., Shockly W. Microwave Observation of the Collision Frequency of Electrons in Germanium. Phys. Rev., 1953, vol. 89, p. 1152— 1153.

24. Gabriel G. J., Brodwin M. E. The Solution of Guided Waves in Jnhomogeneous Anisotropic Media by Petru bation and Variational Methods. IEEE Trans., 1965, vol. MTT-13, № 5, p. 364—370.

25. Патент РФ 2262658 МПК G 01 В 7/06. Способ определения толщины диэлектрического покрытия / Викторов В.А. Опубл. 20. 10.2005. Бюл. 29.

26. Патент РФ 2069052 МПК G 01 R 29/08, G 01 R 29/12 Способ определения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей радиопоглощающего материала / Ковалев С.В., Нестеров С.М., Скородумов И.А. Опубл. 27.09.2000. Бюл. 27.

27. Патент РФ 2256168 МПК G 01 N 22/00, G 01 R 27/26. СВЧ способ определения толщины и комплексной, диэлектрической проницаемости диэлектрических покрытий / Федюнин П.А., Дмитриев Д.А., Федоров Н.П. Опубл. 10.07.2005. Бюл. 19.

28. Патент РФ 2012893 МПК G 01 R 27/26. Измерительная ячейка / Великоцкий В.Н., Двадненко В.Я., Де-Мондерик В.Г., Старшинова Е.И., Чижов В.В., Ярмак И.Н. Заявка № 5023918/09. Заявл. 15.07.1991. Опубл. 15.05.1994.

29. Чэмплин К. С., Армстронг Д. Б., Гандерсон П. Д. Инерция носителей заряда в полупроводниках. ТИИЭР, т. 52, № 6, с. 720—729.

30. Такэтоми К., Кавасаки К. Метод измерения комплексной, диэлектрической постоянной с использованием СВЧ-объемного-резонатора // Гифу коге кото сэмма гаккай кие. 1970. № 3. С. 33—37.

31. B. Terselius and В. Ranby, Cavity perturbation measurements of the dielectric properties of vulcanizing rubber and polyethylene compounds // J. Microwave Power, 1978, vol. 13, pp. 327—335.

32. A. Parkash, J. K. Vaid, and A. Mansingh, Measurement- of dielectric parameters at microwave frequencies by cavity-perturbation technique // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1979, vol. MTT-27, pp. 791—795.

33. Матус JI. Г., Босс С. Б., Риддл А. Н. Настройка и согласование резонатора типа ТМою, с генератором. Приборы для научных исследований, 1983, т. 54, № 12, с. 69—75.

34. К. Н. Hong and J. A. Roberts, Microwave properties of liquids and solids using a resonant microwave cavity as a probe // J. Appl. Phys., 1974, vol. 45, pp. 2452—2456.

35. S. Li, C. Akyel, and R. G. Bosisio, Precise calculations and measurements on the complex dielectric constant of lossy materials using TM010 cavity perturbation techniques // IEEE Trans. Microwave Theory Tech:, 1981, vol. MTT-29, pp. 1041—1048.

36. R. J. Cook, J. Chamberlain and G. W. Chantry, Microwave cavity methods in High Frequency Dielectric Measurement // Conf. Proc., March1972, Eds. Guildford, U.K.: IPC Science and Technology Press, 1973, pp. 12—27.

37. Хиппель А. Р. Диэлектрики и их применение. М.; Д.: Госэнергоиздат, 1959, 336 с.

38. J. R. Birch and R. N. Clarke, Dielectric and optical measurements from 30 to 1000 CHz // Radio Electron. Eng., 1982, vol. 52, no. 11/12, pp. 566— 584, Nov./Dec.

39. Двинских В.А., ДувингВ.Г., Усанов Д.А. Полупроводниковый генератор для измерения диэлектрической проницаемости материалов на СВЧ // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1978. № 8. С. 100—102.

40. Microwave Electronics. Measurement and Materials Caracterization / L.F. Chen, C.K. Ong, C.P. Neo, V.V. Varadan, V.K. Varadan // John Wiley & Sons Ltd. The Atrium, Sousethern Gate, Chichester, West Sussex, England, 2004. 538 p.

41. Hinojosa, J. Faucon, L. Queffelec, P. and Huret, F., S-paramcter broadband measurements of microstrip lines and extraction of the substrate intrinsic properties // Microwave and Optical Technology Letters. 2001. vol. 30, N. l,pp. 65—69.

42. Hinojosa, J., S-parameter broad-band measurements on-microstrip and fast extraction of the substrate intrinsic properties // IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2001, vol. 11, N. 7, pp. 305—307.

43. Queffelec, P. Gelin, P. Gieraltowski, J. and Loaec, J., A microstrip device for the broad band simultaneous measurement of complex permeability andpermittivity I I IEEE Transactions on Magnetics, 1994, vol. 30, N. 2, pp. 224—231.

44. Queffelec, P. Le Floc'h, M. and Gelin, P. Broad-band characterization of magnetic and dielectric thin films using a microstrip line // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1998, vol. 47, N. 4, pp. 956—963.

45. Rudy, D. A. Mendelsohn, J. P. and Muniz, P. J. Measurement of RF dielectric properties with series resonant microstrip elements // Microwave Journal, 1998. vol. 41, N. 3, pp. 22—41.

46. Hammerstad, E. and Jensen, O. Accurate models for microstrip computer-aided design // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 1980, pp. 407—409.

47. Carroll, J. Li, M. and Chang, K. New technique to measure transmission line attenuation // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1995, vol. 43, N. 1, pp. 219—222.

48. Amey, D. I. and Horowitz, S. J. Tests characterize high-frequency material properties // Microwave & RE, 1997. vol. 36, N. 8, pp. 68—80.

49. Belyaev, B. A. Leksikov, A. A. and Tyurnev, V. V. Microstrip technique for measuring microwave dielectric constant of solids // Instruments and Experimental Techniques, 1995, vol. 38, N. 5, pp. 646—650.

50. Belyaev, B. A. Leksikov, A. A. Tyurnev, V. V. and Shikhov, Y. G. A microstrip sensor for measuring microwave dielectric constants of solids // Instruments and Experimental Techniques. 1997, vol. 40, N. 3, pp. 395— 398.

51. Row J. S., Chen, R. H., Microwaves, Reconfigurable slot-coupled microstrip antenna with polarisation diversity // Antennas & Propagation. 2007. Vol. 1 Issue: 3. P. 798—802

52. Купцов Е. И., Лебедев И. В., Петлевой микрополосковый СВЧ-выключатель // Изв.вузов GGGP.Cep. Радиоэлектроника. — 1984. — Т. 27, № 12. — С. 82—84.

53. Nemai Chandra Karmakar, and Mohammad Nurunnabi Mollah Investigations Into Nonuniform Photonic-Bandgap Microstripline Low-Pass Filters // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, VOL. 51, NO. 2, february 2003, p. 564—572.

54. Sung-Il Kim, Mi-Young Jang, Chul-Sik Kee, Ikmo Park, H; Lim, Characteristics of microwave filters based on microstrip photonic bandgap ring structures // Current Applied Physics, 2005, N. 5, pp. 619—624

55. Chul-Sik Kee, Mi-Young Jang, Sung-Il Kim, Ikmo Park, and H. Lim, Tuning and widening of stop bands of microstrip photonic band gap ring structures // Applied Physics,Letters, 2005, vol. 86, 181109

56. Гроссе П. Свободные электроны в твердых телах. М.: Мир, 1982. 270 с.

57. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С. Резонансное отражение электромагнитного излучения от структур с нанометровыми металлическими слоями // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2006, Том 9, № 3, с. 59—63.

58. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов А.С. Изменение типа резонансного отражения электромагнитного излучения в структурах нанометровая металлическая пленка — диэлектрик // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 3, вып. 2, с. 13—22.

59. Малорацкий Л.Г., Явич JI.P. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. М.: Сов. радио. 1972. 232 с.

60. Б. А. Беляев, Н. А.,Дрокин, А. А. Лексиков, Исследование1 материалов на сверхвысоких частотах микрополосковыми датчиками // Известия вузов. Физика. 2006. № 9. С. 45—53

61. Б. А. Беляев, А. С. Волошин, В. Ф. Шабанов. Исследование микрополосковых моделей полосно-пропускающих фильтров на одномерных фотонных кристаллах // Доклады Академии- Наук, 2005, том 400, №2, с. 181—185

62. Yablonovitch Е., Gimitter Т.J., Meade R.D. Donor and acceptor modes in photonic band structure // Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 67, N. 24. P. 3380— 3383.

63. Kuriazidou C.A., Contopanagos H.F., Alexopolos N.G. Monolithic waveguide filters using printed photonic-bandgap materials // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. 2001. V. 49. N. 2. P. 297—306.

64. Tae-Yeoul and Kai Chang. Uniplanar one-dimensional photonic-bandgap structures and resonators // IEEE Transactions on-Microwave Theory and Techniques. 2001. - Vol. 49, N. 3. — P. 549—553.

65. Гуляев Ю.В., Никитов С.А. Фотонные и магнитофотонные кристаллы новая среда для передачи информации // Радиотехника. 2003. №8. С. 26—30.

66. Беляев Б. А., Волошин А .С., Шабанов В.Ф. Исследование микрополосковых аналогов полосно-пропускающих фильтров на, одномерных фотонных кристаллах // Радиотехника и электроника. — 2006. — Т. 51, № 6. — С. 694—701.

67. Yablonovitch E., Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics // Phys. Rev. Lett., vol. 58, no. 20, pp. 2059—2062, 1987.

68. Andrew L. Reynolds, Ulf Peschel, Falk Lederer, Peter John Roberts, Thomas-F. Krauss, and Peter J. I. de Maagt, Coupled Defects in Photonic Crystals // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 49, No. 10, October 2001, P. 1860—1867

69. Б. А. Беляев, А. С. Волошин, В. Ф. Шабанов, Исследование добротности резонанса примесной моды в микрополосковой моделиодномерного фотонного кристалла // Доклады Академии Наук, 2005, том 403, № 3, с. 319—324

70. Д. А. Усанов, А. В; Скрипаль, А. В. Абрамов; А. С. Боголюбов, В. С. Скворцов, Mi К. Мерданов, Волноводные фотонные кристаллы с характеристиками;, управляемыми p-i-n-диодами // Изв.вузов: Электроника. — 2010. — № 1. С. 24—29.

71. Б. А. Беляев, A. M. Сержантов исследование коэффициентов связи резонаторов в микрополосковош модели одномерной сверхрешетки // Радиотехника и электроника, 2005. том 50, № 8, с. 91.0-—917

72. Hsien-Shun Wu, Ching-Kuang C. Tzuang Miniaturized High-Gain Synthetic Rectangular Waveguide Antenna of Near-Omnidirectional Radiation Pattern // 34th European Microwave Conference Amsterdam, 2004, p. 1189—1192.

73. A. Ziroff, M. Nalezinski, W. Menzel, Improved Performance of Flip Chip assembled MMIC Amplifiers on LTCC using a Photonic Bandgap Structure // Proc. of 34th European Microwave Conference. Amsterdam, Netherlands. 12—14th October 2004. Vol. 2. P. 93—96.

74. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С.,

75. Усанов Д.А.,. Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов A.C., Куликов М.ІО. Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов / Известия вузов. Электроника., 2008. №5. С. 25—32.

76. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю., Пономарев Д,В. Микрополосковые фотонные кристаллы и их использование для измерения параметров жидкостей; // Журнал технической физики. 2010. Т. 80, вып. 8; с. 143-—148

77. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Куликов М. Ю. Микрополосковый р-i-n-диодный СВЧ-выключатель // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2011. Т. 54, №4. С. 51—54.

78. Акиба С., Утака К. Динамические одночастотные полупроводниковые лазеры. — М.: Мир, 1989:

79. Harry Contopanagos, Nicolaos G. Alexopoulos, and Eli Yablonovitch High-Radio-Frequency Structures Using One-Dimensionally Periodic. Metallic Films // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, VOL. 46, NO. 9, September 1998, p. 1310—1312.

80. Б. А. Беляев, А. С. Волошин, В. Ф. Шабанов. Исследование микрополосковых моделей полосно-пропускающих фильтров на сверхрешетках // Доклады Академии Наук, 2004, том 395, № 6, с. 756— 760.

81. Б. А. Беляев, С. А. Ходенков, В. Ф. Шабанов, Исследование полосно-пропускающих фильтров на одномерных диэлектрических фотонных кристаллах // Известия высш. учеб. заведений. Физика. 2008. Т. 51, С. 150—153.

82. H.B. Бритун, В.В. Данилов, Электронное управление параметрами структур с фотонной запрещенной зоной // Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып. 7, с. 27—32.

83. Md. Nurunnabi Mollaha, Nemai С. Karmakar, Jeffrey S. Fu, Uniform circular photonic bandgap structures (PBGSs) for harmonic suppression of a bandpass filter // International Journal of Electronics and Communications (AEU), vol. 62, 2008, p. 717—724.

84. Jodie M. Bell, and Magdy F. Iskander, Experimental Analysis of an Ultrawideband Hybrid EBG/Ferrite Ground Plane // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, VOL. 58, NO. 8, august 2009, p. 2899— 2905.

85. T. K. Ishii, Handbook of Microwave Technology // San Diego, CA: Academic Press, vol. 1, 1995, 691 p.

86. Munir A., Fusco V., Malyuskin O. Tunable Frequency Selective Surfaces Characterisation // Proc of the 38-th European Microwave Conf. Amsterdam, Netherlands. 27—31st October 2008. — 2008. — P. 813—816.

87. Chang T. K., LangleyR. J., Parker E. A, Active frequency selective surfaces // IEE Proc. H. — 1996. — Vol. 143. — P. 62—66.

88. Yashchyshyn Y., Derzakowski K., Modelski J., Extending functionalities of waveguide slot antennas by means of reconfigurable aperture // Proc. of the 38-th European Microwave Conf. Amsterdam, Netherlands. 27— 31st October 2008. — 2008. — P. 258—261.

89. Rauscher C. Reconfigurable bandpass filter with a- three-to-one switchable passband width // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. — 2003. — Vol. 51, N. 2. — P. 573—577.

90. Reiter G., Beres V. A pin-diode switch with high isolation and low loss // Proc. 6th Colloq. Microwave Commun. — Budapest, 1978. — P.IV — 6/40.4.

91. ВайсблатА. В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах // М.: Радио и связь, 1987. — 120 с.

92. Karl D. Stephan, Frank Н. Spooner, and Paul F. Goldsmith. Quasioptical Millimeter-Wave Hybrid and Monolithic PIN Diode Switches // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 41, no. 10, Oct. 1993, pp. 1791—1798