Методичка к курсовой

УДК 621.372.8,029.7(075.3) Гривйв А.Ю., Темчвнко В.С. Поверхностные электромагнитные волны в планарных диэлектрических волноводах: Учебное пособие, — М.: Изд-во МАИ, 2006. — 63 с,: ил. Рассмотрены вопросы численного математического моделирования и расчета планарных диэлектрических волноводов (ДВ) с поверхностными электромагнитными волнами, Приведены упражнения и задачи для закрепления теоретического материала. Пособие предназначено для студенов, изучающих дисциплину «Электродинамика и распространение радиоволне и выполняющих курсовую работу.

Р е ц е н з е н т ы: кафедра «Техническая электролинамика и антенныэ МТУСИ (проф., д-р техн. наук В.В. Чебышев)„ проф., д-р техн. наук Г.Л. Петрухин 1$ВХ 5- 7035-! 641-2 © Московский авиационный институт (государственный технический университег), 2006 ПРКДИСЛОВИЕ В пособии рассматриваются вопросы ~а~е~~~~~~ско~о моделирования и расчета диэлектрических волноводов (ДВ) с поверхностными электромагнитными волнами. Диэлектрические волноводы предсгавляют собой одну из о~~~~~~~ ~иний п~р~да~и в миллимстровом и оптическом диапазоне волн, а также элементную базу для устройств этих диапазонов. Последовательно рассмотрены особенности линии передачи на основе диэлектрических волноводов и их применение в волоконно-опгических линиях связи и в устройствах интегральной оптики.

В качестве базовой модели ДВ выбран гиавзриьш диэлектрический ааюовод, Во-первых, он представляет самостоятельный практический интерес. Во-вторых„при переходе от планарного к более сложным ДВ качественная картина волновых процессов сохраняется, изменяются лишь определенные (часто незначительные) количественные характеристики. В-третьих, планарный ДВ относительно просто анализируется как методом лучевой оптики, так и с помошью строгого решения уравнений Максвелла. При выполнении курсового проекта для определения структуры поверхностных электромагнитных волн, постоянной распространения, фазовой скорости и длины волны в ДВ студент осваивает на конкретном примере базовые понятия электродинамики: уравнения Максвелла, граничные условия, волновые уравнения и их рещение, Е-и Н-волны, характеристические уравнения, переносимую по ДВ среднюю мошность отдельной волной и т.п, Планарный диэлектрический волновод на металлической подложке и Н-образнная металлодиэлектрическая линия передачи рассматриваются как разновидность планарного диэлектрического во ч 1 ~ овода Основная цель пособия — стимулировать самостоятельную рабогу студентов.

Для этого наряду с теорией приводятся задания, позволяющие закрепить пройденный материал. В конце пособия лаются задачи и упражнения„для выполнения которых требуются теоретические знания, умение составлять простейшие программы и анализировать полученный результат. 1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД вЂ” БАЗОВАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ МИЛ.ДИМЕТРОВО™ И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНОВ ВОЛН 1.1. ОСОБЕННОСТИ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ Устойчивой тенденцией развития современной радиоэлектроники является освоение все более коротких диапазонов длин волн (Х): миллиметровых ).=10...1мм Ч= 30...300 Пц) и оптических Х =1ООО„,О 001 мкм Ц'= 3 1О'1.„3-10! 6 Гц).

Линии передачи (ЛП) предназначены для канализации электромагнитной энергии на расстояния. На их основе создаются различные устройства (Фильтры, направленные ответвители, делители, фазовращатели, вентили и т.п.). Перед разработчиками линий передачи ставятся довольно противорсчивыс задачи: ЛП должны обеспечивать малые потери энергии, большую передаваемую мощность; они должны иметь малые габариты и массу, обладать высо- кОЙ.технологичностью и устойчивостью к внешним вОздействиям.

К этим требованиям добавляются широкополосность, легкость изгиба линии передачи при минимальных потерях, удобство подключения активных элементов, отсутствие излучения, невосприимчивость к внешним помехам, удобство управления электромагнитным полем в линии и стыковки с другими ЛП, стоимость, Важным является также наличие надежной и подтвсрждаемой экспериментом теории, алгоритмов и программного обеспечения.

На более длинных диапазонах (чем миллиметровые и оптические) волн с успехом используется ЛП в виде металлических волноводов различных сечений, полосковые и микрополосковые линии и т,п, Все эти ЛП содержат металлические проводники с конечной проводимостью а„. Поперечные размеры 1П пропорциональны длине волны, что обусловливает (в миллиметровом и осо- бенно в оптическом диапазонах волн) технологические и функциональные ограничения по изготовлению таких ЛП. С уменьшением толщины скин-слоя увеличивается затухание энергии в металлических проводниках. Этот процесс усугубляется такими технологическими дефектами проводников, как неровность краев и шероховатость поверхностей.

Частично устранить отмеченные недостатки можно, используя диэлектрические волноводные линии передачи. Некоторые из ДВ показаны на рис. 1,1 11, 2]. Большая часть энергии, передаваемой по диэлектрическому волноводу, сосредоточена в подпространстве, ограниченном ДВ с поперечными размерами, сравнимыми с длиной волны, Потери энергии, связанные с наличием неидеального диэлектрика в области концентрации пОля, Оказываются меньше, чем В металлических Волноводах, уже. на частотах1"= е/'2д = 30 ..40 Ггц при значении тангснса угла диэлектрических потерь 1а6 = а/ож,, =-10 4 ( г, — абсолютная диэлектрическая проницаемость материала).

С ростом частоты колебаний при одинаковом значении ф о соотношение потерь в диэлектрике и металле пропорционально ~-О . Д~электр~ч~~кие волноводы, показаннь1е на рис. 1,1,о — з, применяются в диапазоне миллиметровых волн, при этом использует- Рис.

1.1. Диэлектрические волноводы: а — прямоугольный; 6 — круглый; в — двухслойный; г — прямоугольный зеркальпыи; д — изолированный прямоугольный зеркальный: е — Н-образный; ж — плапарный; з — лиэлектричсский шелевой; и — планарный на подложке; к — утопленный полосковый; д — гребенчатый полосковый: м — составной полосковый ся достаточно ц[ирокая номенклатура материалов: полиэтилен (е = 2)„кремний (г.

= 2,5), поликор (е = 9,6; [уб = 10 4), арсении галлия и кремний ( е == 12-.14, [яб = 5 10 ~). Достигнутая величина потерь составляет 0,1 — 0,15 ДБ/см при»"= 100 ГГи (Х = 3 мм). Круглый дяухслой[и[,[й Волиовод (рис. 1.1,е). называемый Волоконным свстоводом, представляет наибольший интерес для создания юопокОНПО-опп[ических и!КУКУЙ СВЯзе4 (ВОЛС).

Структур[! О[1 тического волокна показана иа рис. 1.2. Оно состоит из световода, показатель преломления п, = ~~~ которого больше показателя пре- Защитная Оболочка Рис. 1.2, Структура оптического волокна ломлениЯ и! =,~~6~ Отражающей ОбОЛО'1ки. Световодь[ изго['Ов;!'.!ю[' из плавленного кварца п, =1,45, кварцевого стекла, легированного германием, фосфором или бором. Характерн! !с параметры сястовода: В~ = 100 мкм, 01=10=;70 мкм„п, — и, = 10 -", потери О,.

— 5 д Б/кч. Отметим некоторые преимушества ВОЛС по сравнению с об[.[ 1- 11ыми кабельными линийми связи: — высокая помсхоустойчивосзь, нечувствительиость к внешним электромаг1[итным полям и практически отсутствие перс. крестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель; — значительно большая широкополосное п (20 — 200 М Гц) ири использОВании светодиодоВ (и вплоть до 1 — 3 1 Г[1 при испо:!ьзоВании полупроВодниковых лазеров); — малые габариты и масса (при дальнейшем совершенствомнии техноло!'ии ожидается уменьшение массы и габ[тритов примерно в 10 раз и более ио сравнению с существующими кабельными линиями сВЯзи.

Эти качества ОсобеннО важны ДЛЯ бОртОВой радиоэлектроники); — полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи: отсутствие коротких замыканий, вследствие чего волоконные световоды могут быть использованы в пожароопасных зО![ах; — потенциально низкая стоимость, обусловленная заменой дефицитных дорогостояших цветных металлов кабельных линий (медь, свинец) магериалами (сгекло, кварц, полимеры), сырьевые ресурсы которых не ограничены (например, для изготовления 1 км световода Е~~ = 100 мкм требуется 1 г стекла), а также простотой изготовления, прокладки и эксплуатации ВОЛС. Диэлектрические волноводы, показанные на рис.

1.1,и — м, наиболее широко используются в устройствах интегральной оптики. !Ъ![[нарный диэлектрический волновод (см. рис, 1.1,и) представляет собой нанесенную на подложку полоску тонкой пленки, показатель преломления пз которой больше показа'гелей преломления и, подложки и покрытия п[ (если покрытие отсутствует, то п[ = п[1). Если и! = пз, то Волновод н~з~~аетсЯ спммеп[[[[[ппым, В пРотиВном случае ( п[ ~ пз ) — асимметричиым. Поскольку планарный волнояод «удерживаетэ поле тОлько и ОднОм измерении, для сОздания ряда устройств используют полосковые (двумерные) структуры (см.

рис. 1,1,к — м). Для изготовления диэлектрических оптических волноводов и устройств интегральной оптики применяют подложки из стекла, арсенида галлия (ОаАк), ниобата лития (1 [ХЬОз) и др. Лиаиазон измерения значений основных параметров диэлектрических оптических волноводов (см. рис. 1.1) составляет. толшина пленки 0,3 — 10 мкм, ширина полосковых волноводов 3 — 10мкм; Ж пзМ =10 '-'- 10 ', затухание 0,2 — 10 ДБ~см, Диэлектрические волноводы, представленные на рис, 1.1,и — м, широко используются в интегральной оптике для построения делителей, фильтров, направленных ответвителей, модуляторов„переключателей, дефлекторов, тонкопленочных лазеров и др., а также в ВОЛС, в функциональных узлах оптоэлектронных устройств, осушествляюших обрабо.гку информации, в голографических системах и т.п. Для примера на рис.