Введение
В последнее время интенсивное развитие нанотехнологий стимулировало появление нового класса периодических структур, получивших название фотонных кристаллов (ФК). ФК может быть представлен как волновод с диэлектрическим заполнением, так и фотонный кристалл в микрополосковом исполнении (ФКМИ). С практической точки зрения интерес ФК в СВЧ диапазоне обусловлен наличием окон прозрачности и полос заграждения.[3, с.39] Представленный ФКМИ представляет собой микрополосковую линию передачи с периодическим изменением волнового сопротивления. Актуальным направлением практического применения микроволновых фотонных кристаллов является создание на их основе СВЧ-датчиков для контроля свойств диэлектрических материалов посредством измерения комплексной диэлектрической проницаемости [1,2].
Основная часть
Устройство (рис. 1а) представляет собой пассивное устройство на основе ФКМИ, воздействующий на объект, и вычислительно-измерительное устройство. Связь осуществляется посредством зондирующих электромагнитных колебаний. С помощью передающей антенны измерителя сигнал поступает на приемную антенну пассивного устройства, где проходит по линии передач (ЛП1), связанной непосредственно с ФКМИ. Сигнал, пришедший на ФКМИ, взаимодействуя с объектом, претерпевает характеристические изменения. Затем измененный сигнал проходит по ЛП2 и с помощью передающей антенны передается на приемную антенну измерителя. Измеритель и непосредственно датчик разнесены в пространстве, на приемной и передающей стороне имеются по две антенны с различной поляризацией для уменьшения взаимного влияния.
Устройство по отраженному сигналу (рис.1б) представляет более простую схему и работает следующим образом. Сигнал, пришедший с генератора, проходит через циркулятор и с помощью передающей антенны поступает на сам датчик на основе ФКМИ. Датчик, взаимодействуя с объектом, получает данные об объекте. Сравнивая полученные и измеренные данные, передает данные с помощью антенны измерителю. Принцип измерения параметров диэлектрических объектов аналогичен первому устройству.
Рисунок 1. Структурная схема устройства зондирования
(а) по прошедшему сигналу; (б) по отраженному сигналу.
По определению ФК представляет собой периодическую структуру с изменяющимися значениями волнового сопротивления. Предлагаемое устройство представляет собой микрополосковую периодическую структуру на основе фотонного кристалла. Периодичность изменения волнового сопротивления достигается периодичностью изменения параметров микрополосковой линии. Данный тип структуры был выбран с целью увеличения чувствительности датчика. В характеристике отражения имеется сплошной участок, так называемый полоса заграждения. При введении неравномерности в микрополосковую структуру появляется резонансный пик, по которому можно судить об изменении параметров диэлектрических объектов.
Для моделирования структуры на основе ФКМИ использовалась программа трехмерного электромагнитного моделирования СВЧ структур CST Microwave studio. Рассмотрено два варианта возможных структур. На рисунке 2 показана структура ФК по аналогии с оптическим ФК – ФКМИ с введением неоднородности в середину структуры [3]. Вторая структура (рис. 3), реализована по аналогии с волоконно-оптическими избирательными структурами – ФКМИ с фазовым сдвигом, характеризующийся наличием участка с уменьшенным вдвое периодом структуры [4].
Структура состоит из исследуемого диэлектрика в виде плоского слоя с варьируемой диэлектрической проницаемостью, в зависимости от объекта измерения. Снизу к диэлектрику приложена микрополосковая структура, представляющая собой металлический экран, диэлектрическую подложку, токоведущий проводник.
Диэлектрическая проницаемость ε исследуемого диэлектрика была взята в диапазоне 2…10. В ходе моделирования были получены характеристики (рис. 4, рис.5).
Рисунок 4. ФКМИ первого типа: (а) коэффициент отражения и (б) зависимость смещения центральной частоты от диэлектрической проницаемости
Рисунок 5. ФКМИ второго типа: (а) коэффициент отражения и (б) зависимость смещения центральной частоты от диэлектрической проницаемости
Заключение
Таким образом, предложенное пассивное устройство может быть использовано для дистанционного контроля диэлектрических объектов, например, жидкостей, в случае затрудненного доступа к объектам. Исследованы зависимости диэлектрической проницаемости от центральной частоты узкого пика в полосе заграждения, по сдвигу которого можно определить изменения диэлектрических параметров исследуемого объекта.
Список литературы:
- Пономарев Д.В. Особенности взаимодействия СВЧ-излучения с фотонными кристаллами, содержащими в качестве неоднородностей диэлектрические, полупроводниковые и металлические включения /Автореферат, Саратов, 2012
- 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, том 80, вып. 8. 143-148с.
- Ходенко С.А. Исследование микрополосковых фотонных кристаллов и устройств частотной селекции на их основе / Диссертация, Красноярск, 2009. – 159 с.
- Sheng Liang, Swee Chuan Tjin, Nam Quoc Ngo, Chunxi Zhang, Lijing Li./ Novel tunable fiber-optic edge filter based on modulating the chirp rate of a π-phase-shifted fiber Bragg grating in transmission/ Optics Communications 282, с.1363–1369 (2009)[schema type=»book» name=»ДИСТАНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ НА ОСНОВЕ МИКРОВОЛНОВЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ» author=»Насыбуллин Айдар Ревкатович, Долгова Екатерина Сергеевна, Дорогов Дмитрий Николаевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-14″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]