RU2587405C2 - Низкоразмерный свч фотонный кристалл - Google Patents
Низкоразмерный свч фотонный кристалл Download PDFInfo
- Publication number
- RU2587405C2 RU2587405C2 RU2014117864/08A RU2014117864A RU2587405C2 RU 2587405 C2 RU2587405 C2 RU 2587405C2 RU 2014117864/08 A RU2014117864/08 A RU 2014117864/08A RU 2014117864 A RU2014117864 A RU 2014117864A RU 2587405 C2 RU2587405 C2 RU 2587405C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- photonic crystal
- metal plates
- gaps
- section
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Waveguides (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в устройствах измерительной техники. Технический результат - уменьшение продольного размера фотонного кристалла вдоль направления распространения электромагнитной волны до величины, меньшей длины волны основного типа. Для этого в качестве элементов волноводного СВЧ фотонного кристалла, образующих периодическую последовательность, используют диэлектрические слои, полностью заполняющие волновод по перечному сечению, и тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине, при этом зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у верхней широкой стенки волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у нижней широкой стенки волновода. 4 ил.
Description
Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в устройствах измерительной техники.
Известен фотонный кристалл, реализованный в виде последовательно соединенных отрезков микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоски (Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов. Д.А.Усанов, А.В.Скрипаль, А.В.Абрамов, А.С.Боголюбов, М.Ю.Куликов. Известия вузов. Электроника 2008, №5, с.25-32).
Недостатком данного фотонного кристалла является большой продольный размер, а также ограниченность области применения только малыми и средними уровнями мощности СВЧ-колебаний.
Эти недостатки частично устранены в фотонном кристалле в виде отрезка волновода, содержащего семислойную структуру, представляющую собой периодически чередующиеся нечетные слои, выполненные из поликора толщиной 1 мм, и четные слои, выполненные из фторопласта толщиной 44 мм (Резонансные особенности в разрешенных и запрещенных зонах сверхвысокочастотного фотонного кристалла с нарушением периодичности. Д. А. Усанов, С. А. Никитов, А. В. Скрипаль, Д. В. Пономарев. Радиотехника и электроника 2013, т.58, №11, с.1071-1076).
Недостатком данного фотонного кристалла является большой продольный размер, превышающий более чем в 4 раза длину волны СВЧ-излучения.
Наиболее близким по габаритным размерам к предлагаемому является фотонный кристалл в виде отрезка волновода, содержащего структуру из 11 слоев, представляющую собой периодически чередующиеся нечетные слои, выполненные из поликора толщиной 1 мм, и четные слои, выполненные из пенопласта толщиной 12 мм (см. патент на изобретение RU №2407114, МПК Н01Р 1/00).
Недостатком данного фотонного кристалла является большой продольный размер, превышающий более чем в 2 раза длину волны СВЧ-излучения.
Задачей настоящего изобретения является создание СВЧ фотонного кристалла с продольным размером, меньшим длины волны основного типа.
Техническим результатом является уменьшение продольного размера фотонного кристалла вдоль направления распространения электромагнитной волны до величины, меньшей длины волны основного типа.
Указанный технический результат достигается тем, что низкоразмерный волноводный фотонный кристалл выполнен в виде волновода, содержащего элементы, периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения, согласно решению четные элементы фотонного кристалла выполнены в виде диэлектрических слоев, полностью заполняющих поперечное сечение волновода, а нечетные элементы фотонного кристалла выполнены в виде тонких металлических пластин, частично перекрывающих сечение волновода и образующих зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине, при этом зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у одной из широких стенок волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у противоположной широкой стенки волновода, ширина всех зазоров одинакова и находится в интервале от 0,0125λ до 0,0625λ, толщина диэлектрических слоев h находится в интервале от λ/(3) до λ/(9), где
- длина волны основного типа в волноводе, соответствующая середине «запрещенной» зоны фотонного кристалла, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрических слоев.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами: на фиг.1 представлена модель фотонного кристалла, на фиг.2 - расчетные частотные зависимости коэффициента пропускания (непрерывная кривая) и отражения (пунктирная кривая) низкоразмерного фотонного кристалла с диэлектрическими слоями из фторопласта, на фиг.3 - расчетная и экспериментальная частотные зависимости коэффициента отражения низкоразмерного фотонного кристалла с диэлектрическими слоями из пенополистирола, на фиг.4 - расчетная и экспериментальная частотные зависимости коэффициента пропускания низкоразмерного фотонного кристалла с диэлектрическими слоями из пенополистирола. Позициями на фиг.1 обозначены:1 - отрезок прямоугольного волновода, 2 - верхняя стенка волновода, 3 - диэлектрические слои, 4 - нижняя стенка волновода, 5 - тонкие металлические пластины, S - величина зазора, h - толщина слоя диэлектрика.
Сущность изобретения заключается в том, что в качестве элементов волноводного СВЧ фотонного кристалла, образующих периодическую последовательность, используют диэлектрические слои, полностью заполняющие волновод по перечному сечению, и тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине. Оригинальность предлагаемого решения заключается в том, что толщина всех слоев периодической структуры предлагаемого волноводного фотонного кристалла существенно меньше длины волны основного типа в волноводе, при этом в качестве четных слоев используются диэлектрические слои, полностью заполняющие поперечное сечение волновода, а в качестве нечетных элементов - тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине, при этом зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у одной из широких стенок волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у противоположной широкой стенки волновода.
Низкоразмерный волноводный фотонный кристалл представляет собой отрезок волновода, который содержит элементы, периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения.
Четные элементы фотонного кристалла выполнены в виде диэлектрических слоев, полностью заполняющих поперечное сечение волновода. Толщина диэлектрических слоев h определяется по формуле:
где
- длина волны основного типа в волноводе, соответствующая середине «запрещенной» зоны фотонного кристалла, ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, k - численный коэффициент.
Нечетные элементы фотонного кристалла выполнены в виде тонких металлических пластин, частично перекрывающих сечение волновода и образующих зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине. Зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у верхней широкой стенки волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у нижней широкой стенки волновода. Ширина всех зазоров одинакова и находится в интервале от 0,0125λ до 0,0625λ, где
- длина волны основного типа в волноводе, соответствующая середине «запрещенной» зоны фотонного кристалла.
Теоретическое обоснование достижения положительного эффекта.
Возможность значительного уменьшения размеров предложенного СВЧ фотонного кристалла по сравнению с известными волноводными СВЧ фотонными кристаллами обосновывается предложенной физической моделью, состоящей в том, что взаимодействие в предложенном устройстве осуществляется не по основному типу волны, а по высшим типам, источником которых является зазор между металлической пластиной и широкой стенкой волновода. В последующем элементе зазор между металлической пластиной и широкой стенкой волновода расположен у противоположной стенки волновода, так что напротив возбуждающихся на зазоре высших типов волн находится металлическая отражающая стенка. В результате этого создаются условия для существования резонанса на высших типах волн. Длины волн высших типов существенно меньше длины волны основного типа. Следствием этого является уменьшенный общий размер фотонного кристалла.
Справедливость предложенной модели обоснована результатами численного моделирования и проведенными измерениями. Численное моделирование осуществлялось с использованием метода конечных элементов в САПР Ansoft HFSS.
Исходя из минимального количества тонких металлических пластин равного 5, необходимых для получения в спектре волноводного ФК «разрешенной» и «запрещенной» зон, можно определить максимальную толщину hmax диэлектрических слоев волноводной фотонной структуры, продольный размер которой не превышает длину волны основного типа в волноводе λ, по формуле
hmax=λ /(m1-1),
где λ - длина волны основного типа в волноводе, m1 - количество тонких металлических пластин в структуре.
В результате численного моделирования было выявлено, что при соблюдении условий h ≤ hmax и ε ≤ 9,8, для получения в трехсантиметровом диапазоне длин волн в спектре пропускания предлагаемого волноводного фотонного кристалла «разрешенных» зон с потерями в интервале от 6% до 50% от глубины «запрещенной» зоны коэффициент k должен находиться в интервале значений от 3 до 9, а ширина зазора S - в интервале от 0,0125λ до 0,0625λ.
Пример практической реализации устройства.
Реализовывался фотонный кристалл 3-сантиметрового диапазона длин волн. Периодическая структура фотонного кристалла состояла из 9 слоев и размещалась в отрезке волновода сечением 23×10 мм. Четные слои структуры были выполнены из диэлектрика, полностью заполняющего поперечное сечение волновода. В качестве материала диэлектрика использовался пенополистирол (ε=1,02). Толщина диэлектрических слоев h составляла 3 мм. В качестве нечетных слоев фотонного кристалла использовались тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине. Зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом располагались у верхней широкой стенки волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у нижней широкой стенки волновода. Металлические пластины изготовлены из алюминия. Толщина каждой пластины составляла 15 мкм. Минимальная величина толщины металлической пластины должна превышать толщину скин-слоя в выбранном диапазоне частот, а максимальная величина толщины металлической пластины должна быть меньше 0,001λ. Величина каждого из зазоров между металлическими пластинами и широкой стенкой волновода составляла 1 мм. Продольный размер созданного волноводного фотонного кристалла составил 12,25 мм.
Частотные зависимости коэффициентов отражения и пропускания полученной фотонной структуры измерялись в трехсантиметровом диапазоне длин волн с помощью векторного анализатора цепей AgilentPNA-LN5230A. На фиг. 2, 3 представлены расчетные и экспериментальные частотные зависимости коэффициентов отражения и пропускания созданного фотонного кристалла. Таким образом, длина волны основного типа, распространяющейся в полученном фотонном кристалле, более чем в 2 раза превысила его продольный размер.
Claims (1)
- Низкоразмерный волноводный фотонный кристалл, выполненный в виде волновода, содержащего элементы, периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения, отличающийся тем, что четные элементы фотонного кристалла выполнены в виде диэлектрических слоев, полностью заполняющих поперечное сечение волновода, а нечетные элементы фотонного кристалла выполнены в виде тонких металлических пластин, частично перекрывающих сечение волновода и образующих зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине, при этом зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у одной из широких стенок волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у противоположной широкой стенки волновода, ширина всех зазоров одинакова и находится в интервале от 0,0125λ до 0,0625λ, толщина диэлектрических слоев h находится в интервале от λ/(3) до λ/(9), где λ - длина волны основного типа в волноводе, соответствующая середине запрещенной зоны фотонного кристалла, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрических слоев.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014117864/08A RU2587405C2 (ru) | 2014-05-05 | 2014-05-05 | Низкоразмерный свч фотонный кристалл |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014117864/08A RU2587405C2 (ru) | 2014-05-05 | 2014-05-05 | Низкоразмерный свч фотонный кристалл |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014117864A RU2014117864A (ru) | 2015-11-10 |
RU2587405C2 true RU2587405C2 (ru) | 2016-06-20 |
Family
ID=54536233
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014117864/08A RU2587405C2 (ru) | 2014-05-05 | 2014-05-05 | Низкоразмерный свч фотонный кристалл |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2587405C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2658113C1 (ru) * | 2017-07-10 | 2018-06-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | СВЧ фотонный кристалл |
RU2698561C1 (ru) * | 2018-12-03 | 2019-08-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | СВЧ фотонный кристалл |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3939446A (en) * | 1969-11-12 | 1976-02-17 | Kozul Theodore L | Millimeter wave translating device with changeable insert element |
US5987315A (en) * | 1996-08-29 | 1999-11-16 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Diode circuit in dielectric waveguide device, and detector and mixer using the diode circuit |
RU2345450C1 (ru) * | 2008-01-16 | 2009-01-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов" (ОАО "НИИПП") | Волноводный детекторный модуль миллиметрового диапазона длин волн |
RU2407114C1 (ru) * | 2009-12-08 | 2010-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Свч-фильтр с регулируемыми положением частотной области пропускания и величиной пропускания в этой области |
RU2454688C2 (ru) * | 2007-02-23 | 2012-06-27 | Консехо Супериор Де Инвестигасионес Сьентификас | Многослойная структура, образованная слоями наночастиц, со свойствами одномерного фотонного кристалла, способ ее изготовления и ее применение |
US8390403B1 (en) * | 2009-01-26 | 2013-03-05 | Hrl Laboratories, Llc | Wideband ridged waveguide to diode detector transition |
-
2014
- 2014-05-05 RU RU2014117864/08A patent/RU2587405C2/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3939446A (en) * | 1969-11-12 | 1976-02-17 | Kozul Theodore L | Millimeter wave translating device with changeable insert element |
US5987315A (en) * | 1996-08-29 | 1999-11-16 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Diode circuit in dielectric waveguide device, and detector and mixer using the diode circuit |
RU2454688C2 (ru) * | 2007-02-23 | 2012-06-27 | Консехо Супериор Де Инвестигасионес Сьентификас | Многослойная структура, образованная слоями наночастиц, со свойствами одномерного фотонного кристалла, способ ее изготовления и ее применение |
RU2345450C1 (ru) * | 2008-01-16 | 2009-01-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов" (ОАО "НИИПП") | Волноводный детекторный модуль миллиметрового диапазона длин волн |
US8390403B1 (en) * | 2009-01-26 | 2013-03-05 | Hrl Laboratories, Llc | Wideband ridged waveguide to diode detector transition |
RU2407114C1 (ru) * | 2009-12-08 | 2010-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Свч-фильтр с регулируемыми положением частотной области пропускания и величиной пропускания в этой области |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2658113C1 (ru) * | 2017-07-10 | 2018-06-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | СВЧ фотонный кристалл |
RU2698561C1 (ru) * | 2018-12-03 | 2019-08-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | СВЧ фотонный кристалл |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014117864A (ru) | 2015-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Robillard et al. | Resolution limit of a phononic crystal superlens | |
RU2587405C2 (ru) | Низкоразмерный свч фотонный кристалл | |
Xiang et al. | Spoof surface plasmon polaritons on ultrathin metal strips with tapered grooves | |
Yang et al. | On wave propagation and attenuation properties of underwater acoustic screens consisting of periodically perforated rubber layers with metal plates | |
Chen et al. | A two-way unidirectional narrow-band acoustic filter realized by a graded phononic crystal | |
Usanov et al. | One-dimensional microwave photonic crystals: new applications | |
Wang et al. | Band structures in two-dimensional phononic crystals with periodic S-shaped slot | |
Karabutov et al. | Bloch oscillations of an acoustic field in a layered structure | |
Rostami et al. | Design and analysis of tunable acoustic channel drop filter based on fluid–fluid phononic crystal ring resonators | |
Craster et al. | Mechanism for slow waves near cutoff frequencies in periodic waveguides | |
Euvé et al. | Negative refraction of water waves by hyperbolic metamaterials | |
Lubkowski et al. | Broadband transmission below the cutoff frequency of a waveguide loaded with resonant scatterer arrays | |
Hashimoto et al. | A level set-based shape optimization method for periodic sound barriers composed of elastic scatterers | |
Aminifard et al. | Simulation of transmitted spectrum in metallic photonic crystals by boundary element method | |
Li et al. | Bragg scattering by a line array of small cylinders in a waveguide. Part 1. Linear aspects | |
Farhat et al. | Biharmonic split ring resonator metamaterial: Artificially dispersive effective density in thin periodically perforated plates | |
Dixit et al. | Off-axis photonic bands of hexagonal plasma photonic crystal fiber containing elliptical holes with defect of high index material for nonlinear waves by PWE method | |
Usanov et al. | Resonance features of the allowed and forbidden bands of the microwave photonic crystal with periodicity defects | |
Bakharev et al. | Spectral gaps for the linear surface wave model in periodic channels | |
KR101953252B1 (ko) | 큐 값 조절이 가능한 도파모드 공진 소자, 제조 방법 및 제조 장치 | |
Jandieri et al. | Full-wave analysis of leaky modes in 2-D EBG waveguides | |
Narayanan et al. | Effect of doping on defect modes of 2D photonic band gap crystals | |
Férachou et al. | Compact hollow-core photonic band gap resonator with optimised metallic cavity at microwave frequencies | |
Cicek et al. | Sharp bends of phononic crystal surface modes | |
Su et al. | A matrix-exponential decomposition based time-domain method for calculating the defect states of scalar waves in two-dimensional periodic structures |