Введение к работе
-3-
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В развитии радиофизики и электроники четко прослеживается тенденция к освоению новых частотных диапазонов и стремление к интеграции элементов, устройств и целых систем. В настоящее время интенсивно ведется освоение диапазонов электромагнитного спектра, характеризуемых миллиметровыми и 'субмиллиметровыми (км и субмм) длинами волн, что гложет оказать существенное влияние на развитие фундаментальной и прикладное науки. Перспективное направление по созданию элементной базы, адекватной этим диапазонам, связано с использованием открытых твердотельных {диэлектрических, полупроводниковых и др.) волноводов и резонаторов. Одним из практических приложения этого направления может быть создание диэлектрических интегральных схем (ДЙС) и объемных интегральных схем (ОИС) мм и субмм диапазонов, выполняющих функции преобразования и обрзботки ВЧ сигнала и состоящих из связанных элементові При этом необходимо учитывать, что функционирование открытых интегральных устройств и схем осущэствляется в виде непрерывного процесса преобразования вола неоднородными электродинамическими структурами с формированием сложных пространственных структур электромагнитных полей, которые в процессе работы систем могут существенно перестраиваться сі*з. Возникающие здесь задачи требуют развития исследований физических явлений в открытых структурах.
Ключевой проблемой развития интегральной техники мм и субмм диапазонов радиоволн является поиск и разработка эффективных активных устройств, физически и технологически сопрягаемых с ее базовыяи элементами. Малые размеры и низкий импеданс существующих активных элементов мм диапазона (диодов Ганна, ЛПД), открытый характер структур приводят к существенным потерям энергии на ненаправленное излучение волн в свободное пространства с места их включения.
Более сложная проблема связана с отсутствием активных твердотельных элементов субмм диапазона, которая требует поиска и исследования новых механизмов генерации колебаний этого диапазона.
Указанным проблемам посвящено значительное число работ. Однако многие задачи остаются нерешенными. Анализ показывает, что к ним необходим комплексный подход, основанный на их взаимосвязи. При этом на первый план выходят задачи исследования взаимодействия волн (колебаний) в неоднородных резонансных твердотельных структурах. Постановка исследований пра таком подходе позволяет целенаправленно выделять из мноаэства нерешенных электродинамических задач та.
.-4-
решение которых открывает новые возможности генерации колебаний мм и субмм диапазонов радиоволн, и решать их совместно. Так в настоящее время далеко не полностью изучены свойства объемных и поверхностных волн в различного рода слоистых диэлектрических и полупроводниковых, резонаторах. Нет детального исследования взаимодействия волн диэлектрического волновода (ДВ> и волн цилиндрических квазиоптических диэлектрических резонаторов (КДР) при наличии в них или в самом волноводе неоднородностей. ' Недостаточно изучено взаимодействие волн (колебаний) в системах КДР с неоднородной распределенной связью, в многомодовых КДР. Здесь не исследованы резонансная перестройка колебаний, швдутиповые колебания. Нз использованы уникальные свойства КДР для электромагнитной связи их с активными элементами мм диапазона с целью создания генераторов, удовлетворяющих требованиям гибридно- интегральной технологии. Не решена проблема создания эффективных генераторов на ДВ, существующая из-за открытости структуры и излучения волн в свободное пространство активным элементом. Не рассмотрены конкретные задачи перспективных механизмов нвустойчивостей электромагнитных колебаний для создания активных элементов субмм диапазона. В основном для решения этих задач необходимы экспериментальные исследования.
Таким образом, исследование электромагнитного взаимодействия волн (колебаний) в неоднородных резонансных ' твердотельных структурах представляет несомненный интерес и является актуальным как с физической, так и с практической точек зрения.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: экспериментальное исследование и теоретическое моделирование явлений электромагнитного взаимодействия волн (колебаний) в неоднородных распределенных твердотельных резонансных структурах, которые включают в себя исследования электродинамических свойств таких структур и проведение на основе разработанного единого подхода экспериментального исследования возможностей генерации электромагнитных'колебаний миллиметрового диапазона длин волн полупроводниковыми диодами в неоднородных квазиоптических твердотельных резонансных структурах, а также теоретическое исследование взаимодействия волн пространственного заряда потоков» заряженных частиц с плазменными колебаниями тонких полупроводниковых слоев.
НОВИЗНА РАБОТЫ, Исследования, проведенные в диссертационной работе, позволили получить новые физические представления об электродинамических свойствах широкого класса неоднородных
рззонансных твердотельных структур» как пассивных, так и с активными элементами, предложить новые подходы к созданию твердотельных генераторов на диэлектрических волноводах и резонаторах.
В диссертации получены следующие новые результаты.
1. Построены теоретические модели планарных слоистых и
цилиндрических радиально-слоистых твердотельных резонаторов с
высшими типами колебаний, при этом
а) показано, что в структуре полупроводнда-даэлектрик-полу-
проводаик минимальная фазовая скорость поверхностных волн может
быть в несколько раз меньше, чем на одной границе раздела полупро
водник-диэлектрик ,
б) установлено, что поверхностная волна на внешней границе и
волноводная мода внутреннего слоя пятислойноа полупроводниково-диз-
лектрической структуры могут резонансно взаимодействовать с
образованием гибридной волны,
в) определена аналитическая связь между величиной расщепления
резонансных частот гибридных колебаний слоистых структур, и их
параметрами.
2. Проведены комплексные исследования колебаний высшего порядка и
их резонансной перестройки в неоднородных распределенных резонанс
ных структурах, в результате которых:
а) обнаружен эффект восстановления вырождения азимутальных
колебаний в дисковом резонаторэ с несколькими локальными
неоднородностями и определена связь его с их количеством, взаимным
расположением и азимутальным индексом колебаний,
б) установлены особенности взаимодействия волн диэлектрическо
го волновода и дискового диэлектрического резонатора вблизи режима
их критической связи, в условиях взаимного возмущения при
выполнении резонаторов как из изотропных материалов, так из
анизотропных с отклонением оси анизотропии от оси диска,
в) -показана возможность' целенаправленного формирования
аксиального распределения шля азимутальных колебаний
цилиндрических резонаторов без существенного увеличения
радиационных потерь энергии путем деформации их сбразуюіцей,
г) определены особенности взаимодействия (мевдутиповоа связи)
колебаний высшего порядка, рассмотрены способы его устранения как
за счет взаимной компенсации нескольких неоднородностей, так и
путем самокомгонсации одной распределенной неоднородности,
д) обнаружен и проанализирован зффэкт периодического пространственно-частотного разделения полей междутиповых колебаний,
в) изучена динамика резонансной горестройки азимутальных колебаний бегущих волн вблизи точек совпадения их резонансных частот при изменении величины связи с возбуждающим диэлектрическим волноводом,
ё> определены в рамках геомвтрооптического приближения зависимости параметров системы "диэлектрическиа волновод- дифракционная решетка-квазиоптический диэлектрический резонатор" от длины волны для обеспечения резонансной связи по каналам туннелирования и (или) дифракционного излучения волн; экспериментально исследованы 'эти каналы,
ж) установлено, что частотная зависимость эффективности
возбуждения цилиндрического резонатора имеет минимум при нормальном
излучении волн решеткой, который обусловлен конечным аксиальным
размером резонатора,
з) показано, что система концентрических колец на поверхности
радиального диэлектрического волновода преобразует его направляемые
волны в объемные в виде аксиальносимметричного волнового пучка,
к) предложены новые типы открытых твердотельных резонаторов, интегральных устройств с новыми функциональными возможностями. 3. На основе проведенных исследований неоднородных резонансных структур предложен и развит квазиогггический подход к созданию эффективных генераторов колебаний мм диапазона длин волн на дазлектрических волноводах и резонаторах, удовлетворяющих требованиям гибридно-интегральной технологии.-
а) разработаны физико-технические основы генераторов с
открытыми квазиопгическими диэлектрическими резонаторами с
использованием принципов интегральной оптики и с учетом
особенностей мм диапазона радиоволн и его элементной базы,
б) получены когерентная генерация, взаимная синхронизация
колебаний и суммирование мощностей диодов Ганна в макетах
разработанных генераторов, показываодиз перспективность выбранного
подхода, .
в) обнаружен и проанализирован режим двухчастотноа генерации
колэбаниа с близкими частотами,
г) показана возможность уменьшения потерь энергия на излучение
волн с места включения диодов в диэлэктричэсгай волновод при
одновременном повышении спектральных и энвргетичэских характеристик
выходного сигнала с помощь» призаенных резонаторов путем
формирования распределенной обратной связи по каналам дифракционного излучения и тунЕвлирования волн,
д) предложены новые типы генераторов на диэлектрических волноводах и резонаторах (генератор асинхронных частот, генераторы-сумматоры, генераторно-излучавдие модули).
4. Развита теория пучковоя неустойчивости плазменных волн в тонком полупроводниковом слое и предлонена методика постановки эксперимента по ее обнаружению и исследования.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Полученные в диссертационной работе результаты и сделанные обобщения углубляют наші представления о фундаментальных электродинамических явлениях в неоднородных резонансных твердотельных структурах, как пассивных, так и с активными элементами, и поэтому представляют общефизический интерес.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что ее результаты имеют прямой выход в область экспериментальных исследований и технических приложения. В хода работы предлозэны и исследованы новые типы неоднородных твердотельных резонаторов, генераторов, которые могут быть основой для разработки и создавая квазиоптической интегральной техники мм и субмм диапазонов длин волн, включающей активные устройства. Возможности этих элементов и устройств показаны в предлоненных интегральных устройствах для исследования материалов.
-
Результаты комплексного исследования колебаний высшего порядка и их взаимодействия (резонансной перестройки) в неоднородных диэлектрических резонансных структурах.
-
Анализ и результаты исследования распределенной связи диэлектрического волновода и квазиоптических диэлектрических резонаторов в виде цилиндров, призм по каналам дифракционного излучения и (или) туннелирования волн.
-
Теоретические модели планарных слоистых и радаально-слоистых твердотельных резонаторов с колебаниями высшего, порядка, включаодиэ аналитические зависимости спектральных характеристик гибридных (меадутиповых) колебаний от неспектральных параметров.
4. Квазиоптический подход к проблеме создания эффективных
генераторов на диэлектрических волноводах и резонаторах, физико-
технические основы диодных генераторов с квазиоптичееккни
диэлектрическими резонаторами и результаты их- исследования.
5. Результаты теоретического исследования пучковой неустойчивости
плазменных волн в тонком полупроводниковом слое на основе механизма переходного излучения.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на.-
Всесоюзном семинаре "Электронные процессы в двумерных системах" (Новосибирск, 1982), XI Всесоюзной научной конференции "Электроника СВЧ" (Орджоникидзе, 1986), II Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниковыми и полупроводаиково-диэлектрическими структурами" (Саратов, 1988), I Всесоюзной научно-технической конференции "Устройства и метода прикладной электродинамики" (Одесса, 1988), Всесоюзной научно-технической конференции "Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах" (Тбилиси, 1988), III и IV Всесоюзных научно-технических конференциях "Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на обЪэмных интегральных схемах (ОИС)" (Суздаль,1889, Волгоград,1991), Всесоюзной школе по электродинамике периодических и нерегулярных структур (Орджоникидзе, 1989), I Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микрозлектронных информационных системах" (Ялта, 1990), XII Всесоюзной научно-технической конференции по нвразрушакщзму контролю (Свердловск, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Твердотельная электроника СВЧ"(Киев, 1990), I Украинском симпозиуме "Физика и техника км и субмм радиоволн" (Харьков, 1991), школе-семинаре МГУ "Физика и применение микроволн" (Красновидово Московской обл., 1991, 1993), К5ежведомстввнно2 научно-технической конференции по приборам, технике и распространению радиоволн (Харьков,1992), Всесоюзном научном семинаре по электродинамике периодических и нерегулярных структур при секции НТО РЭС ии. А.С. Попова (Москва, 1992), Научных сессиях Республиканского Совета по физике и технике мм и субмм волн (Долгое Львовской обл. ,1989, Харьков, 19Э0>, Ученом Совете ИРЭ АН УССР (Харьков, 1989).
Кроме этого результаты, вошедшие в диссертацию были
Представлены на Vll Int.Conf.on Infrared & Millimeter Wave (Mareellle,France,19B3), Int.Conf."Millimeter Wave & Far-Infrared Technology", Beijing,China,1992), XXIV General Assembly of the International Union of Radio Science (Kyoto,Japan,1993), а ТаЮКв
вошли в отчеты по НИР "Теоретическое исследование высокочастотных свойств твердых тел" (шифр Спектр-4, 1885) и "Теоретическое и,
зкспериментальное исследование высокочастотных свойств твердых тел" (шифр Сшктр-Б, 1990).
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты диссертации опубликованы в 62 научных публикациях, включающих 29 основных публикаций [1-29] и 10 описаний авторских свидетельств на изобретения [30-39].
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из введення, восьми глав, заключения и списка литературы. Она содержит 305 стр. основного текста, 65 стр.рисунков, список литературы из 243 наименования на 26 стр.
