Микрополосковые фотонные структуры СВЧ-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков

Куликов, Максим Юрьевич

Микрополосковые фотонные структуры СВЧ-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Куликов, Максим Юрьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Саратов МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Микрополосковые фотонные структуры СВЧ-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков»

Автореферат диссертации на тему "Микрополосковые фотонные структуры СВЧ-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков"

На правах рукописи

КУЛИКОВ МАКСИМ ЮРЬЕВИЧ

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ФОТОННЫЕ СТРУКТУРЫ

СВЧ-ДИАПАЗОНА И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ

01.04.03 - Радиофизика

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

48507ао

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 3 ИЮН 2011

Саратов-2011

4850795

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского»

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук, профессор

Усанов Дмитрий Александрович

доктор физико-математических наук, профессор

Скрипаль Александр Владимирович

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Байбурин Вил Бариевич

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Явчуновский Виктор Яковлевич

Ведущая организация: Саратовский филиал Института

радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Саратов

Защита диссертации состоится 01 июля 2011 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.243.01 в Саратовском государственном университете имени Н.Г.Чернышевского по адресу: 410012, г.Саратов, ул. Астраханская, 83, III корп., Большая физическая аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (Саратов, ул. Университетская, 42).

Автореферат разослан «31» мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ч Аникин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

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

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

Среди различных типов иланарных схем микрополосковые являются наиболее часто используемыми в СВЧ-электронике. Микрополосковые схемы достаточно широко используются при реализации СВЧ-методов измерения параметров материалов, в частности, материалов подложек плоских СВЧ-линий передачи [3].

Интенсивное развитие нанотехлологий стимулировало разработку и создание нового класса периодических структур, получивших название фотонных кристаллов. 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 [4].

В СВЧ-диапазоне одномерный фотонный кристалл может быть создан как с помощью волноводов с диэлектрическим заполнением, так и планарных линий передачи с периодически изменяющейся структурой [5].

В связи с этим является актуальным проведение исследований особенностей . взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастного 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 материалов, включенных в состав одномерных микрополосковых фотонных кристаллов в качестве нару-

шений периодичности, по спектрам прохождения взаимодействующего с ними излучения сверхвысокочастного 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-дианазона 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 мик-рополосковых 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-х-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 прохож-

дения, 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 />-/'- 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 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-1-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 микропо-лосковым 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 p-i-п-диод, к изменению величины диэлектрической проницаемости образца, выполняющего роль неоднородности фотонного кристалла, регулируется величиной протекающего через p-i-n -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 элеюгрической 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 научной конференции и VI российско-японском семинаре «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов: Материалы». Усть-Каменогорск, Казахстан, 24-25 июня 2008 г.;

• XVII International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications. Wroclaw, Poland, May 19-21 2008;

• 18-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-2008». Севастополь, Крым, Украина, 812 сентября 2008 г.;

• 38th European Microwave Conference. Amsterdam, The Netherlands, 27-31 October 2008;

• Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и на-ноинженерия - 2008». Москва, Московский государственный институт электронной техники МИЭТ, 25-27 ноября 2008 г.;

• Международном Форуме по нанотехнологиям. Москва, 3-5 декабря 2008 г.;

• Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, • изобретений и инноваций. Саратов, Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, 27-28 октября 2009 г.;

• VII Международной российско-казахстанско-японской научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». Волгоград, 3-4 июня 2009 г.;

• 19-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-2009». Севастополь, Крым. Украина, 1418 сентября 2009 г.;

• 39th European Microwave Conference. Rome, Italy, 29 September-1 October 2009;

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

• 20-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-2010». Севастополь, Крым, Украина, 1317 сентября 2010 г.;

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

Исследования выполнялись в рамках НИР «Технология формирования наноструктур и нанокомпозигов, разработка и создание новых технологий измерений параметров материалов, наноструктур и нанокомпозигов 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 нанокомпозигных 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, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК; 13 работ опубликованы в сборниках конференций, 1 патент РФ на изобретение.

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 использованной литературы. Работа изложена на 150 страницах, содержит 97 рисунков, список использованной литературы включает 140 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, описаны структура и объем работы.

В первом разделе проведен критический анализ современного состояния исследований СВЧ-фотонных кристаллов.

Во втором разделе представлена теоретическая модель, описывающая взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными мик-рополосковыми фотонными структурами, в том числе содержащими нарушения пространственной периодичности параметров структур, и позволяющая рассчитывать коэффициенты прохождения СВЧ-излучения.

Для расчета коэффициента прохождения электромагнитной волны в микро-полосковом фотонном кристалле в квазистатическом приближении использовалась матрица передачи Т четырехполюсника сложной структуры, представляющего собой каскадное соединение элементарных четырехполюсников с известными матрицами передачи, которые имеют вид:

где и - матрицы передачи четырехполюсников, описывающих соответственно /-ый отрезок и прямое соединение /'-го и (;'+1)-го отрезков микрополоско-вой линии передачи.

Выражения для матриц передачи Т/ и Т,"у соответствующих элементарных

четырехполюсников имеют вид:

т; =

е1^ О О е-М

(2) Чм =

(3)

{ъ+1+Щ2лрш) (1,1+1 - О/к/'йи) [п, 1+1 -('/,1+1 + Здесь ¿1 - длина /'-го отрезка, 7,- - постоянная распространения электромагнитной волны в /-ом отрезке, гц+\ = Р/+1 /р,-,

где р,- = 377 • й,-/(л/е, • Wi ■ (1 +1,735 • е;"0-0724 • (и^/й,-)""0,836)) - волновое сопротивление г'-го отрезка структуры, е,, й,- - диэлектрическая проницаемость и толщина подложки /'-го отрезка, Ч) - ширина полоскового проводника /-го отрезка.

Коэффициент прохождения СВЧ мощности определяется через элемент г[и] матрицы передачи Г: Б = |г[1,1]р (4)

Для исследования влияния дефектов периодичности фотонной структуры была рассмотрена девятислойная структура, изображенная на рис. 1, выполненная на подложке с диэлектрической проницаемостью е = 9,6 толщиной 0,5 мм, состоящая из отрезков длиной 7 мм, шириной 2,5 мм и отрезков длиной 7,6 мм, шириной 0,5 мм с изменённой длиной пятого отрезка структуры.

Исследован также микрополосковый фотонный кристалл, выполненный в виде структуры с периодическим изменением диэлектрической проницаемости подложки, при внесении в нее неоднородности в виде изменённой длины одного из них.

На рис. 2 представлены результаты расчётов частотных зависимостей коэффициента пропускания фотонной структуры с нарушением периодичности в виде измененной длины пятого отрезка структуры.

Наруик

И 1 ч 1 1 нУУЛ 1 Г'7 — 1 1/Г

1 1'1 1 V '?'/•' Ш

И ¡1 и >У 1 V 1 /■'

Рис. 1. Модель микрополосковых фотонных структур с нарушением периодичности в виде измененной длины одного из отрезков

О 5 10 15 /(ГГц)

Рис. 2. Частотные зависимости коэффициента пропускания фотонных структур с нарушением периодичности в виде измененной длины пятого отрезка структуры: 1 - 7,6 мм (без нарушения), 2-8,8 мм, 3-5,1 мм, 4-6,0 мм

Компьютерное моделирование частотных зависимостей коэффициента пропускания одномерных фотонных кристаллов СВЧ-диапазона в микрополосковом исполнении показывает, что при создании нарушений в микрополосковом фотонном кристалле в виде изменения геометрических размеров или электрофизических параметров отельных слоев в «запрещенной зоне» фотонного кристалла появляются окна прозрачности. При этом «донорные» окна прозрачности, расположенные вблизи верхней частотной границы запрещенной зоны, появляются при увеличении электрической длины одного из структурных отрезков микропо-лоскового фотонного кристалла, а «акцепторные» окна прозрачности, расположенные вблизи нижней частотной границы запрещенной зоны, появляются при уменьшении элекгрической длины одного из структурных отрезков микрополос-кового фотонного кристалла.

Отметим, 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, а уровень затухания электромагнитной волны в частотных диапазонах, соответствующих запрещенным зонам фотонной структуры увеличивается с ростом числа отрезков микрояолосковой линии передачи,

В третьем разделе предложено теоретическое обоснование метода измерения комплексной диэлектрической проницаемости материалов в широком диапазоне ее изменения по спектрам прохождения электромагнитного излучения с использованием одномерных микрополосковых фотонных кристаллов.

В процессе такого измерения образцы исследуемых материалов помещаются в микрополосковый фотонный кристалл, где выполняют роль неоднородности.

Рассмотрено влияние диэлектрического образца на частотную зависимость коэффициента пропускания микрополоскового фотонного кристалла на примере одиннадцатислойной структуры, изображенной на рис. 3 и выполненной в виде микрополосковой линии с периодическим изменением диэлектрической проницаемости подложки. Структура с постоянной шириной гюлоскового проводника равной 1 мм и постоянной толщиной подложки равной 1 мм образована отрезками длиной 8 мм на диэлектрической подложке (е = 9,6) и отрезками длиной 20 мм, выполненными в виде воздушной полосковой линии (е = 1).

Образец

Рис.3. Модель микрополоскового фотонного кристалла с образцом исследуемого диэлектрического материала

= 0,

(6)

Используемый в качестве нарушения периодичности образец диэлектрика с диэлектрической проницаемостью s = 6 имел одинаковую с подложкой толщину и помещался в один из отрезков воздушной полосковой линии между полоско-вым проводником и основанием.

Для нахождения искомой диэлектрической проницаемости е исследуемого образца но частотной зависимости £>(/) нами был использован метод наименьших квадратов, при реализации которого находится такое значение параметра ею, при котором сумма 5(ец1;.а.) квадратов разностей экспериментальных D3KCn и расчетных £>(/,еиск) значений коэффициента пропускания

(5)

становится минимальной.

Искомое значение диэлектрической проницаемости е исследуемого образца определяется численным методом в результате решения уравнения:

dS{z)J^{D3Kcn-D{f,,)f) ds де

при выполнении которого обеспечивается минимальность этих разностей.

Данные для решения тестовой задачи задавались в виде значений коэффициента пропускания исследуемой структуры, полученных из выражения (4) с погрешностью ± 0,4 дБ при погрешности в задании частоты ± 0,1 % (± 5 МГц).

При решении тестовой задачи для образца с е = 6,0 искомое значение диэлектрической проницаемости измеряемого образца составило еиск =6,011 Относительная погрешность определения диэлектрической проницаемости образца по тестовым данным составила ± 0,2 %.

Моделировался также фотонный кристалл с уже существующим нарушением периодичности, в котором измеряемый образец создаёт дополнительное нарушение периодичности.

Рассмотрен способ введения нарушения в микрополосковый фотонный кристалл, заключающийся в размещении исследуемого диэлектрического образца, соприкасающимся с одним из отрезков микрополосковой линии, образующих фотонный кристалл (см. рис. 4).

Расчет частотных зависимостей коэффициента пропускания описанной структуры с образцом, представленных на рис. 5, производился с помощью пакета программ A WR Microwave Office.

Образец

D (дБ)

арушснпс псриодичносж

4 \ / V 1 А1 П у \ /ч

\.1 ^ -Л V А / \ \ A'i

\ '' 41—<••/

Рис. 4. Модель микрополоскового фотонного кристалла с нарушением периодичности и измеряемым образцом, соприкасающимся с участком нарушения периодичности

8 9 10 11 12 /(ГГц)

Рис. 5. Частотные зависимости коэффициента пропускания фотонного кристалла с нарушением периодичности и измеряемым образцом, соприкасающимся с участком нарушения периодичности, рассчитанные при различных значениях диэлектрической проницаемости образца: 1 - е = 1 (без образца), 2 - е = 4, 3- Е = 7,4- Е = 10

Расчёты показывают, что чувствительность частоты гшка пропускания к величине диэлектрической проницаемости образца составляет 74 МГц/ед. г.

Предложен метод определения электрофизических параметров как неполярных жидкостей, так и полярных жидкостей, основанный на использовании мик-рополоскового фотонного кристалла, один из элементов которого - отрезок воздушной полосковой линии конструктивно выполнен в виде измерительной кюветы.

Измеряемый жидкий диэлектрик заливается в кювету, полностью заполняя ее, и занимает все пространство между полосковым проводником и основанием, образуя тем самым отрезок микрополосковой линии, в котором жидкий диэлектрик выполняет роль подложки.

Рассматриваемая структура выполнена в виде микрополосковой структуры с постоянной шириной полоскового проводника равной 1 мм и постоянной толщиной подложки равной 1 мм, периодическая часть которой образована отрезками длиной 8 мм на диэлектрической подложке (е = 9,6) и отрезками длиной 20 мм, выполненными в виде воздушной полосковой линии (е = 1). В центральном отрезке микрополосковой структуры длиной 32 мм и диэлектрической проницаемостью подложки е = 9,6 создана кювета для измерения жидких диэлектриков в виде участка с воздушной полосковой линии длиной 10 мм.

Данные для решения тестовой задачи задавались в виде значений коэффициента пропускания исследуемой структуры с комплексной диэлектрической проницаемостью е = 4 -/0,5, полученных из выражения (4) с погрешностью ± 0,2 дБ при погрешности в задании частоты ± 0,1 % (± 5 МГц).

Как следует из результатов расчета, функция невязок определяемая выражением (5), представленная на рис. 6, для этого случая обладает ярко выраженным глобальным минимумом в пространстве координат (е',е",5(е)), что позволяет однозначно определять действительную и мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости неполярного жидкого диэлектрика

Рис. б. Вид фуйкиий невязок в пространстве искомых парамеггров (а) и контурная карта функции невязок в плоскости искомых параметров е' и е" (б) для жидкого диэлектрика с комплексной диэлектрической проницаемостью Еиск = 4,002 - /0,494

Моделировалось измерение диэлектрической проницаемости полярных жидких диэлектриков с диэлектрической проницаемостью £ = 40- /6,0, помещаемых в кювету длиной 1 мм.

Относительная погрешность определения действительной части комплексной диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика по тестовым данным составила ± 0,06 %, мнимой части составила ± 1,24 %.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований взаимодействия СВЧ-излучения с одномерными микрополосковыми фотонными структурами. Экспериментально была исследована частотная зависимость «окна» прозрачности в запрещенной зоне (диапазон частот 9-12 ГГц) микрополоскового фотонного кристалла при размещении над четвертым высо-коомным отрезком микрополосковой линии исследуемого образца с диэлектрической проницаемостью s.

Сопоставление расчетных и экспериментальных частотных зависимостей коэффициента пропускания фотонного кристалла с нарушенным четвёртым отрезком, при расположении над ним образцов с различной диэлектрической проницаемостью в виде пластин свидетельствует об их хорошем количественном совпадении, что позволяет сделать вывод о возможности использования данной конструкции микрополоскового фотонного кристалла для реализации достаточно простого с технической точки зрения метода измерения диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков.

Для измерения комплексной диэлектрической проницаемости неполярных жидких диэлектриков была изготовлена микрополосковая измерительная структура, соответствующая описанной модели, представленной на рис. 6.

Частотная зависимость коэффициента прохождения измерялась при комнатной температуре с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA-L Network Analyzer N5230A 10 MHz-40 GHz.

Определение комплексной диэлектрической проницаемости е = s' - j- г" по частотным зависимостям коэффициента прохождения D(j) электромагнитного излучения для этого случая так же может быть осуществлено в результате решения уравнения (6), сформулированного для функции невязок S(z) с использованием выражения (5).

Полученные данные хорошо согласуются с известными из литературы для таких неполярных жидкостей, как толуол, трансформаторное масло, вакуумное масло на частотах / = /макс, соответствующих максимуму коэффициента пропускания разрешенного уровня микрополоскового фотонного кристалла.

При измерениях комплексной диэлектрической проницаемости полярных жидкостей использовалась микрополосковая структура с узкой кюветой.

На рис, 7 представлены экспериментально измеренные частотные зависимости (пунктирные кривые) коэффициента прохождения £>эксп электромагнитной волны через устройство с кюветой заполненной полярной жидкостью, а также зависимости Dp.dC4 (непрерывные кривые), рассчитанные с использованием соотношения (4) при значениях комплексной диэлектрической проницаемости е = еж, определяемых из решения уравнения (6).

Рис. 7. Расчетные (сплошные) и измеренные (пунктирные) частотные зависимости коэффициента пропускания экспериментальной микрополосковой фотонной структуры с неоднородностью в виде пустой кюветы (кривые I) и кюветы, заполненной полярными

жидкостями: 2 - деионизованная вода,

/, ГГц 3 - этиловый спирт, 4 - глицерин

Полученные данные хорошо согласуются с известными из литературы для таких полярных жидкостей, как деионизованная вода, этанол, глицерин на частотах / = /макс, соответствующих максимуму коэффициента пропускания разрешенного уровня микрополоскового фотонного кристалла.

Предложенная методика была использована для измерения комплексной диэлектрической проницаемости ряда водноэтанольных растворов с объемным содержанием этанола от 0 % (дистиллированная вода) до 96 %.

Результаты измерений действительной б' и мнимой б" частей комплексной диэлектрической проницаемости водно-этанольных растворов с различным объемным содержанием этанола представлены на рис. 8.

...Д-А •Л.

.д'* Чч' 'д.

'д

Рис. 8. Экспериментальные зависимости е' и е* водно-этанольного раствора от объемной доли X этанола в растворе

Как следует из результатов измерений, представленных на рис. 8, с ростом объемной доли X содержания этанола в водном растворе наблюдается монотонное уменьшение действительной части относительной диэлектрической проницаемости раствора от 76,6 до 10,5. При этом мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости раствора ведет себя немонотонным образом, достигая максимального значения при объемной доле этанола ~ 40 %.

В пятом разделе приведены результаты экспериментальных исследований системы, содержащей конденсатор и петлевой элемент связи, в центре которого расположен р-1-п-диод, и подключенной к короткозамкнутому отрезку мик-рополосковой линии передачи или микрополосковому фотонному кристаллу.

Исследованы частотные зависимости потерь затухания на отражение электромагнитного излучения, взаимодействующего со структурой, состоящей из короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии передачи с подключенным р~1-п -диодом, при различных значениях протекающего через р -1-п -диод тока (см. рис. 9).

¿,ДБ

Рис. 9. Частотные зависимости потерь затухания на отражение

электромагнитного излучения, измеренные при различных значениях протекающего через р — 1-п-диод прямого тока /: 1 - 0, 2 - 0,45 мА, 3 - 0,2 мА,

4 — 0,5 мА, 5-1,2 мА, 6 - 6,4 мА, б 6.5 7 7,5 /ГГц ?-200мА

Экспериментально установленные частотные зависимости потерь затухания при различных значениях тока, протекающего через р-1~п -диод, позволяют использовать предлагаемую структуру для создания выключателей и переключателей СВЧ-сигнала. В зависимости от выбранной частоты СВЧ-скгнала может быть реализован как прямой, так и инверсный режим их работы.

Исследована возможность использования данной структуры для измерения диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков. Образцы с различной диэлектрической проницаемостью размещались непосредственно на структуре в определенном месте, выбранном с целью достижения максимального влияния образца диэлектрика на частотные зависимости потерь затухания экспериментальной структуры.

л (дб) 60 40 20 О

0 2 4 6 8'

Рис. 10. Зависимости потерь затухания на отражение от диэлектрической проницаемости образца, полученные на частоте / = 5,35 ГГц при различных токах управления: 1 - I = 0,4 мА , 2 - / = 0,641 мЛ, 3 -/ = 1мЛ

/Л / \ Л V» 2

'О [ 3 —

-.........-.....г .......—.....о

¿(дБ) 60 40

11 ) \ /\ 2

а—* / рУ \ 4 _______ За--©-

VI \л

0 2 4 6 8 е

Рис. 11. Зависимости потерь затухания на отражение от диэлектрической проницаемости образца, полученные на частоте / = 5,33 ГГц при различных токах управления: 1 - ;=0,5мА, 2 - 1 = 0,69 мА , 3 — / = 1,2 мА

На рис. 10 и 11 изображены зависимости потерь затухания от диэлектрической проницаемости образца, полученные при различных токах управления, на фиксированных частотах / = 5,35 ГГц и / = 5,33 ГГц. На данной частоте, в зависимости от выбранного управляющего тока, удается получить монотонно возрастающую зависимость коэффициента затухания от диэлектрической проницаемости образца в (см. рис. 10 и 11, кривые 1), зависимость с максимумом при некотором значении е (кривые 2) и монотонно убывающую зависимость (кривые 3).

Исследована возможность использования структуры, содержащей конденсатор и петлевой элемент связи, в центре которого расположен р-1-п-диод, и подключенной к микрополосковому фотонному кристаллу для измерения диэлектрической проницаемости твердых диэлекгриков.

При этом образцы с различной диэлектрической проницаемостью располагались так, как показано на рис. 12, непосредственно на фотонной структуре, над одним из ее отрезков, который выполняет роль нарушения фотонной структуры.

образец

Рис. 12. Модель структуры на основе микрополоско-вого фотонного кристалла, подключённого к конденсатору и петлевому элементу связи, в центре которого расположен р-1-п -диод, с образцом из поликора, расположенным непосредственно на фотонной структуре

Выбором частоты зондирующего СВЧ-излучения и управляющего тока р-/-я-диода могут быть получены как монотонные, так и немонотонные зависимости потерь затухания на отражение от диэлектрической проницаемости исследуемого образца.

В заключении приведены основные результаты и сформулированы выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1 Разработана модель, которая позволяет адекватно описать взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-дкапазона с многослойными фотонными структурами, реализованными на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной гюлоскового проводника или диэлектрической проницаемостью материала подложки и содержащими нарушения периодичности в виде изменения длины пли 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 микорополосковой 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 полоско-вого проводника или диэлектрической проницаемостью материала подложки, содержащие нарушения периодичности в виде изменения длины одного из отрезков микрополосковой линии, и получено 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 на частотах от 3,2 до 3,6 ГТц 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 p-i-n-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 p-i-n-тод, и 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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ: В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. УсановДА., Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов A.C., Куликов М.Ю. Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов // Известия вузов. Электроника. 2008. №5. С. 25-32.

2. УсановД.А., Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов A.C., Куликов М.Ю., Скворцов B.C., Мерданов М.К. СВЧ-фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов и создания функциональных устройств СВЧ-элекгроники И Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2008. Т. 11, № 3. С. 51-59.

3. УсановД.А., Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов A.C., 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.

4. УсановД.А., Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов A.C., Романов A.B., Куликов М.Ю., Пономарев Д.В. Фотонные структуры в СВЧ-диапазоне и их применение для измерения параметров композитов с включениями из угле-

родных нанотрубок и жидких диэлектриков // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010. Т. 13. № 3. С. 26-34.

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

В других изданиях

6. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов A.C., Куликов М.Ю., Скворцов B.C., МердановМ.К. Использование микрополосковых и волно-водных фотонных кристаллов для измерения параметров материалов и наноструктур // Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов: Материалы I Международной казахстанско-российско-японской научной конференции и VI российско-японского семинара / Под ред. проф. JI.B. Кожитова. М.: Интерконтакт Наука, 2008. С. 336-344.

7. Usanov D.A., Skripal A.V., Abramov A.V., Bogolubov A.S., Kulikov M.Y. Application of waveguide and microstrip photonic crystals for measurement of parameters of materials and structures // XVII International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications. Poland, Wroclaw, 2008. V. 3. P. 904-907.

8. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С., Куликов М. Ю. Использование микрополосковых фотонных кристаллов для измерения параметров материалов // Материалы 18-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМи-Ко-2008». Украина, Крым, Севастополь: Изд-во Вебер, 2008. С. 765-766.

9. Usanov D. A., Skripal А. V., Abramov А. V., Bogolubov A. S., Kulikov М. Y. Microstrip Photonic Crystals and their Application for Measurement Parameters of Materials // Proceedings of the 38th European Microwavc Conference. The Netherlands, Amsterdam, 2008. P. 785-788.

10. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов A.C., Куликов М.Ю., Скворцов B.C., Мерданов M.K. Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов, микро- и нанометровых слоев и создания функциональных устройств СВЧ-электроники // Микроэлектроника и нано-инженерия - 2008. Международная научно-техническая конференция: Тезисы докладов. М.: МИЭТ, 2008. С. 173-174.

11. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов A.C., Куликов М.Ю., Скворцов B.C., Мерданов М.К. Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов, микро-и нанометровых слоев и создания функциональных устройств СВЧ-электроники // Междунар. Форум по нано-технологиям. М.: Роснанотех, 2008. Т. 1. С. 152-154.

12. Пономарев Д.В., Куликов М.Ю. Сенсоры на основе СВЧ фотонных кристаллов // Всероссийская молодежная выставка-конкурс прикладных исследований, изобретений и инноваций. Сборник материалов. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. С. 28.

13. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Абрамов A.B., Боголюбов A.C., Куликов М.Ю., Пономарев Д.В. Микрополосковые фотонные кристаллы и их использование для измерения жидкостей // Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов: Труды VII Международной российско-казахстанско-японской научной конференции / Под ред. проф. Л.В. Кожитова. М.: Изд-во МГИУ, 2009. С. 540-548.

14. 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 полярных жидкостей // Материалы 19-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-2009». Украина, Севастополь: Изд-во Вебер, 2009. С. 845-846.

15. Usanov D. A., Skripal А. V., AbramovA. V., Bogolubov A. S., Kulikov М. Y., Ponomarev D. V. Microstrip Photonic Crystals and Their Utilization for Measurement of Liquids // Proceedings of the 39th European Microwave Conference. Italy, Rome, 2009. P. 1049-1052.

16. Usanov D.A., Skripal AI.V., Skripal An.V., AbramovA.V., Bogolubov A.S., Kulikov M.Y., Ponomarey D.V. Photonic Structures in the Microwave Band and Their Applications // Proc. of 18th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications MIKON-2010. Lithuania, Vilnius, 2010. V. 2. P. 686-694.

17. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С., Куликов М. Ю., Пономарев Д. В. Использование микрополосковых фотонных кристаллов для измерения электрофизических параметров водноэтанольных растворов // Материалы 20-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-2010». Украина, Севастополь: Изд-во Вебер, 2010 С. 1063-1064.

18. Куликов М.Ю. Микрополосковый p-i-n-диодный СВЧ-выюночатель // Сборник конкурсных научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области стратегического партнерства вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. С. 26-30.

Патенты

19. Пат. 2419099 Российская Федерация, МПК G01R 27/26. Устройство для измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь жидкости / Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Куликов М.Ю., Пономарев Д.В.; заявитель и патентообладатель Сарат. гос. ун-т. Заявл. 14.01.2010; опубл. 20.05.2011. Бюл. 14. 11 е.: ил.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Усанов Д.А., Скрипаль А.В. Физика работы полупроводниковых приборов в схемах СВЧ. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999. 376 с.

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

3. Microwave Electronics. Measurement and Materials Caracterization / Chen L.F., Ong C.K., Neo C.P., Varadan V.V., Varadan V.K. England, Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 2004. 538 p.

4. Donor and acceptor modes in photonic band structure / Yablonovitch E., Gimit-ter T.J., Meade R.D. et al. // Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 67, N 24. P. 3380-3383.

5. Гуляев Ю.В., Никитов C.A. Фотонные и мапштофотонные кристаллы - новая среда для передачи информации // Радиотехника. 2003. № 8. С. 26-30.

Подписано в печать 26.06.11. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать офсетная.

Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № Jf .

Типография Издательства Саратовского университета.

410012, Саратов, Астраханская, 83.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата 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 диссертация по физике, 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:

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.

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:

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.

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];

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"

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;

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.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Куликов, Максим Юрьевич, Саратов

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