GHIDURILE DE UNDĂ, CARACTERISTICI GENERALE [303449]
[anonimizat] a acestora. În mod obișnuit un ghid de undă este un tub din metal ai cărui pereți nu permit pierderea de putere spre exterior și interior dielectric care poate fi miez din aer deshidratat sau gaz inert.
Fig. 1.1. O secțiune a unui ghid de undă flexibil cu flanșă
Ghidurile de undă sunt folosite într-o [anonimizat]-un punct în altul. [anonimizat] o direcție definită de limitele fizice ale acestora. Aceste caracteristici ne indică o gamă largă de utilizare a ghidului de undă care se poate extinde și aplica în mai multe arii științifice.
Unul din cei mai importanți parametrii ai ghidurilor de undă este proprietatea acestora conform căreia ghidarea undelor depinde strict de frecvență. Acest lucru se referă la faptul că dacă o undă electromagnetică scade sub o [anonimizat], invers proporțional frecvenței. Această caracteristică este unul dintre motivele principale ale utilizării ghidurilor de undă în aplicații ce implică frecvențele mari.
Prima structură folosită pentru ghidarea undelor a fost concepută de J. J. Thomson în 1893 și testată experimental de O. J. Lodge în 1894, [anonimizat] a fost făcută de Lord Rayleigh în 1897.
Studiul ghidurilor de undă dielectrice (fibre optice) a fost inițiat în 1920, [anonimizat], Sommerfeld și Debye. Fibra optică a început să prezinte o atenție deosebită în jurul anilor 1960 datorită importanței acesteia în industria comunicațiilor.
Dezvoltarea radio comunicațiilor a apărut inițial la frecvențe joase pentru că acestea puteau fi propagate mai ușor pe distanțe mari. Lungimile mari de undă au făcut aceste frecvențe incompatibile cu ghidurile de undă metalice din cauza că necesitau niște tuburi cu diametru foarte mare. [anonimizat] s-a oprit și lucrările lui Lord Rayleigh au fost ignorate pentru o [anonimizat]. Investigațiile practice au reîncepute în anii 1930 de către George C. Southworth la Bell Labs și de către Wilmer L. Barrow la MIT.
Cercetări teoretice serioase au fost concepute de John R. Carson și Sallie P. Mead și au dus la descoperirea că pentru modul TE01 în ghidurile de undă circulare pierderile scad odată cu frecvența.
[anonimizat] a oferit un avânt important cercetărilor ghidurilor de undă. Magnetronul descoperit de către John Randall și Harry Boot la Universitatea din Birmingham in Marea Britanie a făcut utilizarea radarelor mai eficientă. Cel mai important centru de cercetare a fost la Radiation Laboratory (Rad Lab) la MIT contribuții importante au fost aduse de alte centre de cercetare din SUA și din Marea Britanie Telecommunications Research Establishment.
Imediat după ce al Doilea Război Mondial s-a terminat, ghidurile de undă au început să fie utilizate în domeniul microundelor. Cu toate acestea ele prezintă costuri financiare semnificative iar frecvența de tăiere îngreunează producerea dispozitivelor de bandă largă.
PARALELĂ ÎNTRE GHIDURILE DE UNDĂ ȘI LINIILE DE TRANSMISIE
Liniile de transmisie, la fel ca și ghidurile de undă, sunt structuri folosite pentru ghidarea undelor electromagnetice dintr-un loc în altul. Cu toate acestea, caracteristicile fundamentale ale ghidurilor de undă și cele ale liniilor de transmisie sunt destul de diferite. Diferențele principale ale acestor două componente au la bază geometria pe care se bazează funcționarea fiecăreia.
Ghidurile de undă pot fi clasificate în ghiduri de undă metalice și ghiduri de undă dielectrice. Ghidurile de undă metalice iau în mod normal forma unei țevi conductoare din metal. Undele ce se propagă înăuntrul ghidului de undă din metal sunt caracterizate de reflecțiile acestora de pereții conductori ale ghidului. Ghidul de undă dielectric consistă numai din dielectrici și folosește reflecțiile din interfețele dielectrice pentru a propaga unda electromagnetică de-a lungul ghidului de undă.
În tabelul 1.1. de mai jos sunt prezentate diferențele dintre un ghid de undă și o linie de transmisie.
Tabelul 1.1. Deosebirile dintre un ghid de undă și o linie de transmisie.
PRINCIPII TEORETICE
1.3.1 PRINCIPII DE FUNCȚIONARE
Undele în spațiul liber se propagă în toate direcțiile, sub forma de unde sferice. În urma unei astfel de propagări, puterea undelor scade odată cu creșterea distanței față de sursă. Un ghid de undă constrânge unda permițându-i sa se propage într-o singură dimensiune, astfel că, sub condiții ideale, unda nu își pierde din putere în timpul propagării. Datorită reflexiei totale pe pereți, undele sunt limitate în interiorul ghidului de undă.
Exemple de ghiduri de undă:
Fibrele optice transmit lumină și semnale pe distanțe lungi cu atenuări mici și cu o bandă largă de lungimi de undă. (Ghidurile de undă elicoidale produse de Bell System au fost precursoarele acestui tip de ghid de undă, având în interior o sârmă subțire de cupru emailat bobinată strâns sub formă de spirală. Aceasta se completa cu un strat de fibre de sticlă după care intra ca și componentă interioară în sistemul tubului de oțel cu un diametru de 5 cm cu rășină epoxidică.);
Fig. 1.2. Ghidul de undă elicoidal produs de Bell System
Într-un cuptor cu microunde un ghid de undă transferă putere de la magnetron, locul în care undele sunt formate, către camera de gătit;
În radare, ghidul de undă transferă energia de radio frecvență către și de la antenă, loc în care impedanța trebuie să fie potrivită pentru o putere eficientă de transmisie;
Ghidurile de undă rectangulare și circulare sunt folosite de obicei pentru a conecta fie componente parabolice, fie receptoare cu zgomot scăzut, amplificatoare sau transmițătoare;
Ghidurile de undă sunt folosite în instrumentele de măsurat proprietăți optice, acustice și elastice ale materialelor și obiectelor. Ghidul de undă poate fi pus în contact cu obiectul (ca și exemplu medicina ultrasonoră), caz în care ghidul de undă asigură că puterea undei folosită pentru testare este conservată, sau obiectul însuși poate fi pus înăuntrul ghidului de undă (ca exemplu, măsurătorile constantei dielectrice), astfel că obiectele mai mici pot să fie testate și acuratețea se îmbunătățește;
1.3.2 TEORIA DE PROPAGARE A UNDELOR ELECTROMAGNETICE ÎNTR-UN GHID DE UNDĂ
Teoria ghidurilor de undă se bazează pe teoria de propagare a undelor electromagnetice deoarece undele ce se propagă de-a lungul ghidului de undă sunt unde electromagnetice constrânse într-un tub metalic. Granițele formate de materialul din care este format ghidul de undă metalic împiedică undele electromagnetice să se răspândească și să își piardă din intensitate, astfel încât pierderile să fie minime.
Conform teoriei ghidurilor de undă există următoarele tipuri de unde electromagnetice care se pot propaga în interiorul acestora:
undele TE: Undele transversale electric, mai sunt numite și undele H; sunt caracterizate de faptul că vectorul electric (E) este perpendicular pe direcția de propagare;
undele TM: Undele transversale magnetic, mai sunt numite și undele E; sunt caracterizate de faptul ca vectorul magnetic (M) este perpendicular pe direcția de propagare;
Fig 1.3. Reprezentarea undelor în funcție de modul de propagare
undele TEM: Undele transversale electromagnetic nu pot fi propagate printr-un ghid de undă;
undele cu moduri elicoidale HE sau EH: în aceste moduri undele se transmit pe o direcție circulară iar câmpul magnetic și cel electric au componente pe direcția de propagare. Notarea HE sau EH se face în funcție de câmpul care se manifestă mai puternic pe direcția de propagare;
În lucrările ce privesc modurile de propagare TE și TM în cadrul ghidurilor de undă, apar și anumiți indici după aceste notații: TEm,n . Indicii m și n iau valori de la 1 sau 0 la infinit și Acestea indică modurile de propagare dintr-un ghid de undă.
Fig. 1.4. Notarea modurilor de propagare cu indicii m,n în funcție de dimensiunea lungimii de undă sau de dimensiunea ghidului.
Doar un număr limitat de moduri m, n pot să fie propagate într-un ghid de undă, acestea depinzând de dimensiunile și formatul ghidului.
Pentru fiecare mod există definită o limită joasă de frecvență. Aceasta este cunoscută ca și frecvența de tăiere. Sub această frecvență niciun semnal nu se mai propagă în interiorul ghidului. Ca și rezultat ghidul de undă mai poate fi văzut și ca un filtru trece bandă.
Este posibil ca mai multe moduri să se poată propaga printr-un singur ghid de undă. Acest număr de moduri pentru un anumit tip de ghid crește odată cu frecvența. Modul dominant folosit într-un ghid de undă este modul care se transmite la cea mai joasă frecvență și în general acest mod este cel folosit pentru ghidul respectiv.
Pe lângă notațiile tradiționale, modurile de mai sus se pot scrie și se pot rezuma din cauza similitudinilor dintre acestea ca un singur set de moduri polarizate liniar respectiv moduri LP. Numerotarea modurilor LP este diferită față de cea a modurilor TE sau TM. Această numerotare se realizează prin LPlm unde m este maximul razei și l este maximul circumferinței.
Trebuie luat în considerare faptul că teoria ghidurilor de undă chiar dacă este explicată și elaborată prin termenii câmpurilor și al undelor, pereții acestora conduc curent. Pentru majoritatea calculelor se presupune o conductivitate perfectă dar în realitate există pierderi ce pot fi introduse ca și rezultat.
Tabelul 1.2. Noile moduri LP cu echivalentele lor din sistemul tradițional
Pentru utilizarea eficientă a ghidurilor de undă trebuie să ținem cont de următoarele reguli:
pentru ghidurile de undă rectangulare, modul de propagare TE10 este cel mai mic mod suportat;
pentru ghidurile de undă rectangulare, lățimea, respectiv cea mai largă dimensiune a secțiunii transversale, determină frecvența de tăiere și este egală cu ½ din lungimea de undă a frecvenței de tăiere;
pentru ghidurile de undă rectangulare, modul TE01 apare când înălțimea este egală cu ½ din frecvența de tăiere;
pentru ghidurile de undă rectangulare, modul TE20, apare când lățimea este egală cu o lungimea de undă a frecvenței de tăiere.
1.3.4. FRECVENȚA DE TĂIERE A UNUI GHID DE UNDĂ (FUNCTIONARE)
Frecvența de tăiere este frecvența sub care ghidul de undă nu poate funcționa.
În mod normal este esențial ca orice semnal care trece prin ghidul de undă să nu aibă valori apropiate de această frecvență.
Frecvența de tăiere este așadar una dintre specificațiile majore asociate oricărui tip de ghid de undă.
Dimensiunile ghidului de undă influențează frecvența de tăiere. Din cauze tehnice ghidurile de undă sunt folosite doar pentru frecvențe de la nivelul microundelor în sus. Asta nu înseamnă că un ghid de undă sub aceste frecvențe nu poate fi construit, teoretic se pot crea astfel de ghiduri dar acestea nu ar fi viabile și prețul lor ar fi foarte ridicat din cauza dimensiunilor mari pe care le-ar avea.
Semnalele pot sa traverseze un ghid de undă folosind un număr de moduri. Totuși modul dominant este cel care are cea mai joasă frecvență de tăiere. Pentru un ghid de undă rectangular acesta este modul TE10 .
Figura 1.4 ne arată câmpul electric din cadrul secțiunii ghidului de undă. Cea mai joasă frecvență care poate fi propagată prin acest mod reprezintă o frecvență care se potrivește dimensiunii ghidului de undă.
În același ghid de undă după cum se poate observa și din figurile de mai sus, este posibil ca mai multe moduri de propagare să fie active, acest lucru putând cauza nereguli și probleme semnificative. Toate modurile susțin o propagare diferită și dacă mai multe din acestea sunt active apar probleme de semnal.
Din această cauză este mai bine să selectăm dimensiunile ghidului de undă în așa fel încât pentru un anumit semnal de intrare, doar energia modului dominant să poată fi transmisă de către ghidul de undă respectiv. De exemplu: pentru o frecvență dată, lățimea ghidului de undă rectangular poate să fie prea largă și din această cauză apare prezența modului de propagare TE20.
Ca și rezultat, pentru ghidurile de undă rectangulare cu raportul de aspect mic, adică cu raportul înălțime, lățime, modul TE20 este imediat următorul ca și ordine după modul TE10 și este foarte apropiat ca și frecvență de tăiere de acesta. Relația caracteristicilor de propagare și a atenuării dintre cele 2 moduri determina raza de funcționare a frecvențelor ghidului de undă rectangular.
Frecvența de tăiere a ghidului de undă rectangular
Chiar dacă ghidul de undă rectangular suportă mai multe moduri de transmisie, cel care este folosit, este modul TE10. Având această premisă, calculul pentru aflarea frecvenței de tăiere devine foarte simplu. Notația: fc – frecvența de tăiere a ghidului de undă rectangular – Hz
c – viteza luminii – m/s
a – lățimea ghidului de undă – m
Înafară de lățime celelalte dimensiuni ale ghidului de undă nu influențează frecvența de tăiere.
Frecvența de tăiere a ghidului de undă cicular
Datorită formei, ecuația ghidului de undă circular este puțin mai complicată.
Notația: fc – frecvența de tăiere a ghidului de undă circular – Hz
c – viteza luminii – m/s
a – raza ghidului de undă – m
Avem următoarea relație pentru determinarea frecvenței de tăiere a ghidului de undă circular.
Chiar dacă există mult mai multe formule pentru determinare frecvenței de tăiere, acestea sunt cele mai simple și mai ușor de folosit pentru majoritatea calculelor necesare.
ASPECTE CONSTRUCTIVE ALE GHIDURILOR DE UNDĂ
MODELE DE GHIDURI DE UNDĂ
2.1.1. CLASIFICAREA GHIDURILOR DE UNDĂ ÎN FUNCȚIE DE FORMĂ
Există mai multe de ghiduri de undă care pot fi folosite pentru propagarea undelor electromagnetice.
Ghidurile de undă rectangulare: sunt cel mai des întâlnit model de ghid de undă și au secțiunea transversală rectangulară;
Fig. 2.1. Ghid de undă rectangular.
Ghidurile de undă circulare: sunt mai puțin întâlnite decât cele rectangulare. Acestea au multe similarități la nivel de bază, cu toate acestea folosesc semnale cu moduri de propagare diferite. Un ghid de undă circular este mai puțin practic decât un ghid de undă rectangular din trei mari motive. Diferența dintre cea mai joasă frecvență din modul dominant față de cea din modul următor este mai mică ca cea dintr-un ghid de undă rectangular, cu raportul b/a=0.5, unde a este lățimea ghidului de undă și b înălțimea acestuia. Al doilea motiv ar fi posibilitatea undei de a-si schimba polarizarea în cadrul acestui ghid din cauza formei circulare. Iar al treilea motiv ar fi că pentru aceeași frecvență de operare, ghidul de undă circular este mai mare în dimensiune decât ghidul de undă rectangular. Cu toate acestea ghidurile de undă circulare pot transporta semnale cu frecvențe mult mai ridicate. Ghidurile de undă circulare sunt folosite ca și atenuatoare și schimbătoare de fază;
Fig. 2.2. Ghid de undă circular.
Ghidul de undă tip bandă: Această formă a ghidului de undă este folosită pe plăcile printate cu circuite ca și linie de transmisie pentru semnale de tip microunde. Ele sunt construite după cum se poate observa în fig. 2.3. dintr-un substrat dielectric cu fața superioară și fața inferioară respectiv o componentă conductoare și cealaltă fiind placa de bază;
Fig 2.3. Ghid de undă de tip bandă.
Adițional acestor forme, există și ghiduri de undă flexibile. Acestea sunt folosite în principal în formatul rectangular. Ghidurile de undă flexibile se utilizează pentru a conecta antenele care sunt mobile și se pot deplasa de pe o poziție pe alta.
2.1.2. GHIDURILE DE UNDĂ FLEXIBILE
Ghidurile de undă flexibile sunt folosite cel mai des pentru conectarea a două elemente care folosesc sisteme de ghiduri de undă rigide, în special atunci când acestea nu pot fi localizate sau poziționate eficient. De exemplu, ghidurile de undă flexibile se folosesc pentru conectarea sistemelor de antene, atunci când acestea nu se pot fixa pe sistemul de bază de transmisie/recepție.
Fig. 2.4. Ghiduri de undă flexibile
Ghidurile de undă flexibile nu sunt la același nivel cu ghidurile de undă rigide când vine vorba de performanță, dar avantajele mecanice pe care le oferă compensează problemele care apar. Aceste ghiduri de undă sunt folosite pentru a se putea crea o mișcare mecanică a sistemelor de radar. Deseori acest tip de ghid de undă permite expansiuni sau contractări termice ale materialelor și sunt fiabile și când vine vorba de vibrații mecanice.
Ghidurile de undă flexibile au mai multe forme și sunt de mai multe tipuri. Fiecare varietate a acestui ghid are avantajele și dezavantajele ei.
2.1.3. GHIDURILE DE UNDĂ CU MICROSTRUCTURI
Fig 2.5. Ghidurile de undă cu microstructuri.
Fibrele cu microstructuri au în componență găuri cu aer în regiunea cu placaj. Aceste găuri reduc indicele acestui strat. Nucleul de dimensiuni foarte mici aproximativ 2 micrometri creează o limitare a modurilor. Fibrele cu aer ghidează lumina prin efectul foto-cristal. Preforma acestor ghiduri se face prin așezarea tuburilor din dioxid de siliciu într-o formă hexagonală.
CARACTERISTICILE FIZICE ALE GHIDURILOR DE UNDĂ
2.2.1. IMPEDANȚA GHIDURILOR DE UNDĂ
Impedanța ghidului de undă trebuie să fie cunoscută pentru a se asigura obținerea puterii de transfer optime și nivelul minim de putere reflectată. Există mai multe metode prin care se poate definii impedanța unui ghid de undă.
Fig 2.6. Iris pentru adaptarea impedanței.
Pentru a determina impedanța unui ghid de undă putem folosi raportul dintre intensitatea câmpului magnetic și respectiv câmpului electric, valori situate la jumătatea ghidului.
Majoritatea metodelor tind sa ne dea același rezultat care sunt în aproximație cu un factor sau doi față de impedanța spațiului normal care are 377 de ohmi.
Pentru a asigura o potrivire optimă a unei impedanțe într-un ghid de undă, dispozitive mai mici pot fi plasate în interiorul ghidului în proximitatea punctului unde potrivirea impedanței este necesară și o schimbare a caracteristicilor acesteia trebuie să aibă loc.
Sunt mai multe metode prin care această problema poate fi rezolvată:
Folosirea schimbărilor graduale ale ghidurilor de undă;
Folosirea unei componente numită iris;
Folosirea unui șurub pentru potrivirea impedanței sau a unei componente aflate la cavitatea ghidului numită post;
Fig. 2.7. Șurub pentru potrivirea impedanței.
Fiecare metodă are avantajele și dezavantajele ei și poate fi folosită în circumstanțe diferite.
Folosirea acestor elemente incluse în ghidul de undă are un efect care se manifestă la o anumită distanță de obstacolul din ghid deoarece câmpurile din vecinătatea acestor reglatoare de impedanță sunt afectate.
S-a demonstrat că schimbări abrupte în ghidul de undă vor crea o discontinuitate care va provoca unde statice. Cu toate acestea schimbările de impedanță nu provoacă acest lucru.
Această abordare este folosită la antenele cu corn, acestea au formă de pâlnie și produc potrivirea de impedanță de care are nevoie ghidul de undă în raport cu spațiul liber, printr-o extindere treptată a dimensiunilor ghidului de undă.
Există 3 tipuri de ghiduri de undă de formă conică care sunt folosite în sistemele radar:
În plan-E
Fig. 2.8. Ghid de undă conic în plan electric.
În plan-H
Fig. 2.9. Ghid de undă conic în plan magnetic.
Corn piramidal
Fig. 2.10. Ghid de undă conic piramidal.
Un iris este efectiv o obstrucție din ghidul de undă care asigură un element capacitiv sau inductiv în ghidul de undă pentru a obține impedanța corectă.
Obstrucția sau irisul este localizat fie în câmpul transversal magnetic fie în cel electric. Un iris al ghidului de undă formează o capacitate sau o inductanță de șunt de-a lungul ghidului de undă și este direct proporțional cu dimensiunea irisului.
Iris capacitiv
Fig. 2.11. Iris capacitiv
Iris inductiv
Fig. 2.12. Iris inductiv
Irisul inductiv este plasat în interiorul câmpului magnetic iar irisul capacitiv este plasat în câmpul electric. Acestea pot fi predispuse la anumite defecte de funcționare când funcționează sub puteri foarte mari, în mod deosebit irisul din câmpul electric din cauza concentrației câmpului electric pe care o cauzează acesta. Astfel folosirea irisului sau șurubului poate limita regimul de putere din dispozitiv.
Un iris poate fi plasat fie pe o parte a ghidului de undă sau pe ambele părți ale acestuia pentru a balansa sistemul ghidului. Un iris care este singur in componența ghidului de undă este numit un iris asimetric sau diafragmă iar două componente iris din cadrul aceluiași ghid de undă sunt numite iris simetric.
Fig. 2.13. Secțiunea transversală a unui ghid de undă cu iris
O combinație de iris TM și TE poate fi folosit pentru a furniza o reactanță atât inductivă cât și capacitivă. La rezonanță, irisul se comportă ca un șunt de impedanță ridicată. Sub sau peste nivelul de rezonanță, irisul se comportă ca o reactanță capacitivă sau inductivă.
Pe lângă iris, alte elemente cum ar fi un șurub se pot folosi pentru a obține efecte similare respectiv pentru a asigura o potrivire a impedanței.
Acest șurub este făcut dintr-un material conductiv. Pentru a face șurubul inductiv, acesta ar trebui sa fie extins de-a lungul ghidului, făcând contact atât cu peretele superior cât și cu cel inferior al ghidului. Pentru o reactanță capacitivă șurubul trebuie plasat pe o porțiune mai scurtă ca cel inductiv. Când folosim un șurub, nivelul poate fi ajustat pentru a produce condițiile potrivite.
2.2.2 GHIDUL DE UNDĂ CUPLOR DIRECȚIONAL
Ghidul de undă cuplor direcțional este exact un cuplor direcțional format folosindu-se tehnologia ghidurilor de undă. Un cuplor ghid de undă asigură metode de a transmite energia într-un ghid de undă.
Există cuploare ghid de undă care permit energiei să se deplaseze în ambele direcții; acestea se mai numesc și cuploare bidirecționale.
2.2.3. DIMENSIUNILE ȘI MĂRIMILE GENERALE ALE GHIDURILOR DE UNDĂ
Ghidurile de undă folosite pentru a transmite energie de radio frecvențe vin în diferite forme și modele. Mărimea și dimensiunea unui ghid de undă determină proprietățile și parametrii acestuia. Dimensiunile ghidurilor de undă sunt standardizate pentru a permite utilizarea acestora în condiții optime.
Standardele ce țin de forma și dimensiunile unui ghid de undă, cel mai des întâlnite sunt:
Sistemul ghidurilor de undă WR (rectangular waveguide): desemnate de EIA, folosit în Statele Unite;
Sistemul ghidurilor de undă WG (waveguide): desemnate de RCSC, folosit în Marea Britanie.
Ambele sisteme sunt răspândite în întreaga lume și permit ca dimensiunile ghidurilor de undă să fie cunoscute și potrivite pentru orice beneficiar.
Tabel 2.1. Dimensiunile și proprietățile ghidurilor de undă din sistemul WG
Dimensiunile ghidului de undă sunt de o importanță majoră, ele determinând raza de operare a ghidului. Mărimile standard ale ghidului de undă permit o încadrare completă a spectrului de frecvențe și permit astfel o alegere a dimensiunilor pentru fiecare aplicație particulară în parte.
Tabelul 2.2. Dimensiunile și proprietățile ghidurilor de undă din sistemul WR
ELEMENTE CONSTRUCTIVE ALE GHIDURILOR DE UNDĂ
2.3.1. CUPLOARE
Un semnal poate intra într-un ghid de undă prin mai multe moduri. Cel mai direct mod este de a folosi un obiect numit lansator. Acesta reprezintă o mică probă ce penetrează pe o distanță mică centrul ghidului de undă.
De cele mai multe ori această probă poate fi conductorul central al cablului coaxial conectat la ghidul de undă.
Când o probă de mici dimensiuni este inserată într-un ghid de undă și este asigurată cu energie de microunde, aceasta acționează ca o antenă. Curentul circulă prin probă și creează un câmp electric. Liniile câmpului electric se detașează de probă. Când proba este plasată în punctul de maximă eficiență, liniile electrice formează un câmp electric de o intensitate considerabilă. Cea mai eficientă poziție în care o probă poate fi localizată este în centrul peretelui “a”, paralel cu peretele “b”, și la o pătrime de lungime de undă de capătul ghidului de undă, după cum se observă în figura 2.13. Acesta este punctul în care câmpul electric este maxim în modul dominant de propagare iar transferul energiei (cuplarea) este maximă în acest punct.
Fig. 2.14. Lansator folosit pentru introducerea semnalului în ghidul de undă
Când o probă mică este inserată într-un ghid de undă și este asigurată cu energie de microunde, aceasta acționează ca o antenă. Curentul circulă prin probă și creează un câmp electric. Liniile câmpului electric se detașează de probă. Când proba este plasată în punctul de maximă eficiență, liniile electrice formează un câmp electric de o intensitate considerabilă. Cea mai eficientă poziție în care o probă poate fi localizată este în centrul peretelui “a”, paralel cu peretele “b”, și la o pătrime de lungime de undă de capătul ghidului de undă, după cum se observă în figura 2.13. Acesta este punctul în care câmpul electric este maxim în modul dominant de propagare și transferul energiei (cuplarea) este maxim în acest punct.
Fig 2.15. Cablu coaxial transmițând semnalul în ghidul de undă.
O altă modalitate de a injecta energie într-un ghid de undă este prin crearea unui câmp magnetic. Acesta se poate realiza prin inserția unei bucle mici prin care se transmite în ghidul de undă un curent de înaltă tensiune, după cum se poate observa și în figură. Un câmp magnetic se formează în jurul buclei și va crește până când va umple ghidul de undă. Aceste lansatoare pot fi folosite și pentru a primi și pentru a transmite semnale în ghidul de undă.
2.3.2. FLANȘE CE INTRĂ ÎN COMPONENȚA GHIDURILOR DE UNDĂ
Pentru ca două ghiduri de undă să fie conectate, sunt folosite flanșe pentru ghiduri de undă.
Există mai multe categori de flanșe care intră în alcătuirea ghidurilor de undă și diferite abrevieri care li se aplică.
Tabelul 2.3. Standarde internaționale pentru anumite tipuri de flanșe.
Introducerea de componente într-un sistem de ghid de undă implică inevitabil apariția unor pierderi, fie ele și foarte mici.
Pierderile provocate de o flanșă, sunt influențate in principal de doi factori:
pierderi provenite din scurgeri: scurgerile din locul de unire a două flanșe sunt în mod normal mic, dar sunt situații când alăturări precare pot să determine niveluri semnificative de pierder;
pierderi provenite din rezistența flanșelor; dacă două flanșe nu sunt strânse îndeajuns de bine, se va crea o rezistență între ele.
În mod normal pierderile sunt mici de aceea se pot folosi garnituri pentru a rezolva problemele apărute.
Pentru a fi siguri ca o flanșă nu prezintă scurgeri și creează doar pierderi mici la nivelul de unire a componentelor, forța de prindere a celor două flanșe trebuie să fie suficient de mare.
2.3.3. JONCȚIUNILE GHIDURILOR DE UNDĂ
Joncțiunile ghidurilor de undă sunt folosite când puterea unui ghid de undă trebuie să fie împărțită sau extrasă. Sunt mai multe tipuri de joncțiuni care se pot folosi, fiecare tip având proprietățile lui. Joncțiunile ghidurilor de undă diferite afectează fiecare în felul ei energia care se află în interiorul ghidului.
Când selectăm un tip de joncțiune raportul preț/calitate al acesteia este factorul principal de care se ține cont, prin urmare o cunoaștere și o înțelegere a fiecărui tip de joncțiune este necesară pentru a o atribui aplicației pentru care a fost concepută. Există mai multe tipuri de joncțiune a ghidurilor de undă. Dintre acestea cele care ies în evidență fiind cele mai des folosite sunt:
joncțiunea T de tip H: acest tip de joncțiune a ghidului de undă își trage numele de la forma acesteia, respectiv joncțiunea își are partea de sus "T" paralelă cu planul câmpului magnetic, H.
Fig. 2.16. Joncțiunea T de tip H.
Această joncțiune este caracterizată de faptul ca ambele ieșiri ale acesteia sunt în fază una cu cealaltă.
Pentru a putea observa cum această joncțiune operează, figura de mai jos ne arată liniile câmpului electric. Liniile câmpului electric sunt notate în mod tradițional folosindu-se o cruce care indică o linie care iasă din ecran, iar un punct reprezintă o linie care intră în ecran.
Fig. 2.17. Secțiune a joncțiunii T de tip H.
Se poate vedea din această diagramă că semnalele din toate porturile sunt în fază. Chiar dacă este mai la îndemână să folosim intrarea de jos a T-ului ca fiind secțiunea de intrare, orice port poate fi folosit în acest fel păstrându-se și relația de fază.
joncțiunea T de tip E: Acest tip de joncțiune a ghidului de undă are partea de sus a joncțiunii "T" se extinde de la ghidul de undă principal în același plan ca și câmpul electric din ghidul de undă.
Această joncțiune este caracterizată de faptul că ieșirile acestei formei a ghidului de undă sunt la o diferență de fază de 180° una față de cealaltă.
Fig. 2.18. Joncțiunea T de tip E.
Construcția de bază a unei joncțiuni prezintă trei porturi ale ghidului de undă.
Pentru a observa cum operează o joncțiune T de tip E și cum apare schimbarea de fază de 180°, este necesar să fie observat câmpul electric.
Fig. 2.19. Secțiune a joncțiunii T de tip E.
Se poate vedea din liniile câmpului electric că atunci când acesta se apropie de joncțiunea T, liniile devin distorsionate și se îndoaie. Acestea se despart astfel încât partea pozitivă să rămână pe partea dreaptă a diagramei și partea negativă pe partea stângă a secțiunii. În acest fel semnalele care apar la fiecare secțiune a joncțiunii T sunt în faze diferite.
Aceste proprietăți se păstrează indiferent de portul prin care intră semnalul.
joncțiunea T magic: este o combinație între joncțiuni T de tip H și de tip E.
Cea mai comună aplicație pentru acest tip de joncțiune este regăsită în secțiunea mixer a receptoarelor radar.
Fig. 2.20. Joncțiune T-magic.
În figura 2.18. este prezentată o versiune simplificată a joncțiunii T magic cu patru porturi.
Pentru a observa modul în care operează o joncțiune T magic, luăm ca exemplu momentul în care un semnal este aplicat pe brațul H. Acesta se va divide în două componente de faze diferite care se deplasează pe brațele a și b. Niciun semnal nu trece prin brațul E ca și rezultat al potențialul care are valoarea 0 în acel loc. Acest lucru este cauzat de condițiile necesare pentru a crea semnale în brațele a și b.
Fig. 2.21. Modul de funcționare a joncțiunii T-magic.
Când un semnal intră în oricare din brațele a sau b porturile de ieșire vor fi cele din brațele H sau E iar brațul opus nu va avea niciun semnal.
Unul dintre dezavantajele joncțiunii T magic este că apar reflecții în interiorul acesteia din cauza impedanțelor diferite. Aceste reflexii duc la pierderi de putere și la formarea arcurilor electrice. Aceste reflexii se pot reduce prin tehnici de potrivire a impedanței. În mod normal sunt folosite posturi sau șuruburi pentru a rezolva această problemă; din punct de vedere al potrivirii de impedanță respectiv al reflexiei ele reduc capacitatea de lucru cu puterea a ghidului de undă
joncțiunea inel hibridă: este o joncțiune mai complexă ca și formă față de tipurile normale E și H
Acest tip de joncțiune depășește limitările de putere a joncțiunii T magic.
Joncțiunea inel hibridă este o versiune mai dezvoltată a joncțiunii T magic. Este construită dintr-un ghid de undă sub forma de inel circular. Ca și la celelalte joncțiuni, dacă semnalul intră pe un port nu este necesar ca acesta să iasă pe toate celelalte porturi existând și aici porturi fără semnal.
Inelul hibrid este folosit în principal în radarele de putere înaltă și în sisteme de comunicații unde ia rolul de duplexor permițând aceleiași antene să fie folosită atât pentru funcția de transmitere cât și pentru funcția de recepție.
În perioada în care se transmite, ghidul de undă în joncțiunea inel hibrid cuplează energia de microunde de la transmițător la antenă blocând în același timp energia de la receptor. Apoi pe măsură ce începe ciclul recepției, ghidul de undă în joncțiunea inel hibrid cuplează energia de la antenă la receptor. În acest interval acesta oprește contactul energiei cu transmițătorul.
Joncțiunile ghidurilor de undă sunt un element esențial în ceea ce privește tehnologia ghidurilor de undă. Acestea permit semnalelor să se combine și să se despartă făcându-se astfel utile în mai multe aplicații. Joncțiunile T sunt cele mai simple și cele mai folosite, cu toate că versiunile T-magic și inel hibrid sunt folosite în aplicații mai speciale unde proprietățile lor particulare sunt folositoare.
2.3.4. GHIDURILE DE UNDĂ CURBATE
Ghidurile de undă sunt în mod normal rigide, excepție făcând ghidurile de undă flexibile, astfel că transmiterea undelor în anumite direcții cu un ghid de undă poate să devină o problemă din cauza limitărilor fizice. Folosind ghidurile de undă curbate și ghidurile de undă răsucite putem aranja canalul de transmisie astfel încât să atingem poziția cerută
Când folosim ghiduri de undă curbate sau ghiduri de undă răsucite, este necesar să ne asigurăm ca îndoirea și răsucirea sunt făcute într-o manieră corectă altfel câmpul electric și câmpul magnetic vor deveni distorsionate determinând ca semnalul să nu se propage în maniera stabilită. În general secțiunile ghidurilor de undă curbate sau răsucite sunt fabricate astfel încât să permită alterarea direcției ghidului de undă fără a distruge câmpurile magnetice sau electrice și fără a crea pierderi.
Există mai multe tipuri de ghiduri de undă curbate și ghiduri de undă răsucite. Acestea se clasifică în funcție de proprietățile lor și de aplicațiile pe care le îndeplinesc:
ghidul de undă curbat de tip E
Această formă a ghidului de undă curbat se numește de tip E deoarece distorsionează sau schimbă câmpul electric pentru a permite ghidului de undă să se curbeze în direcția potrivită.
Fig. 2.22. Ghidul de undă curbat de tip E.
Pentru a preveni reflecțiile acest tip de ghid de undă curbat trebuie să aibă raza de mai mare ca dublul lungimii de undă.
ghidul de undă curbat de tip H
Această formă a ghidului de undă curbat se numește de tip H deoarece distorsionează câmpul magnetic respectiv curbând partea mai subțire a ghidului de undă.
Fig. 2.23. Ghidul de undă curbat de tip H.
La fel ca și ghidul de undă curbat de tip E, această formă a ghidului de undă curbat trebuie să aibă raza mai mare ca dublul lungimii de undă pentru păstrarea unui semnal optim în timpul transmisiei.
ghidul de undă ascuțit de tip E
În unele circumstanțe o curbură mai scurtă și mai ascuțită este necesară. Această problemă se poate rezolva printr-un ghid de undă puțin diferit. Tehnica folosită este crearea unui unghi de 45° în componența ghidului de undă curbat. Astfel semnalul este efectiv reflectat și folosindu-se suprafața la 45° reflexia se realizează într-o manieră care nu afectează semnalul chiar dacă faza acestuia este inversată fiind nevoie de anumite corecturi la anumite aplicații particulare.
Fig. 2.24. Ghidul de undă ascuțit de tip E.
ghidul de undă ascuțit de tip H
Acest tip de ghid de undă este asemănător celui ascuțit de tip E, exceptând doar că acesta afectează câmpul magnetic spre deosebire de celălalt care afectează câmpul electric.
Fig. 2.25. Ghidul de undă ascuțit de tip H.
Fiecare tip asigură o bună propagare a semnalului în interiorul ghidului cu o influență minimă asupra câmpurilor magnetice sau electrice respectiv asupra semnalului în general.
Ideal ar fi ca și curbarea ghidului de undă să fie făcută gradual, dar acest lucru nefiind viabil forme specifice sunt folosite în majoritatea aplicațiilor.
Cele mai întâlnite unghiuri din construcția ghidurilor de undă curbate sunt cele de 90° acestea fiind pe departe cele mai comune. Există și situații în care trebuie să folosim ghiduri de undă răsucite. O răsucire graduală a ghidului de undă este folosită pentru a schimba polarizarea ghidului de undă respectiv a undei care se transmite prin el. Pentru a preveni ca unele erori să apară în cea ce privește unda, o rotire de 90° este necesară pe o distanță mai mare ca dublul lungimii de undă în funcție de frecvența folosită. Dacă o rotire întreagă este necesară pentru a îndeplinii anumite cerințe rotirea de 180° sau răsucirea în sine trebuie să aibă loc pe o distanță mai mare decât patru ori lungimea de undă.
Ghidurile de undă curbate și ghidurile de undă răsucite sunt foarte utile în momentul în care construim un sistem de ghid de undă. Folosind ghidurile de undă curbate de tip E și ghidurile de undă curbate de tip H sau celelalte tipuri similare acestora, putem depășii constrângerile mecanice ajungând.
tehnologii folosite pentru construirea ghidurilor de undă
TEHNICI DE CONSTRUIRE A GHIDURILOR DE UNDĂ OPTICE
3.1.1. EPITAXIA
Epitaxia este procesul prin care pe un suport orientat se creează unul sau mai multe straturi monocristaline. Cuvântul își are proveniența în limba greacă, unde epi înseamnă pe, iar taxis înseamnă aranjare. În timpul acestui proces atomii din diferitele stări de agregare solidă, lichidă sau gazoasă sunt transportați la suprafața unui suport monocristalin unde intră prin cumul în componența cristalină a acestuia.
Epitaxia poate să fie directă sau indirectă această clasificare depinzând de modul în care se face transportul de la sursă la stratul care își mărește substratul semiconductor monocristalin.
Epitaxia se mai clasifică în funcție de felul materialelor ca fiind: homoepitaxie, când materialele sunt identice sau heteroepitaxie când materialele sunt diferite.
Epitaxia se poate realiza prin pulverizare catodică, evaporare termică și sublimare.
Un ghid de undă optic se poate construi prin creșterea epitaxială a mai multor straturi pe un substrat de bază acesta fiind în general compus din arseniură de galiu (GaAs) sau fosfat de indiu (InP).
Tehnologia creări ghidurilor de undă optice prin eptiaxie se bazează pe trei tehnici principale:
epitaxia prin jet molecular – MBE (Molecular Beam Epitaxy); acest procedeu se realizează prin proiectarea moleculelor pe suprafața substratului;
Fig. 3.1. Epitaxia prin jet molecular.
epitaxia în fază lichidă – LPE (Liquid Phase Epitaxy); acest procedeu se realizează prin creșterea cristalului în urma interacțiunii acestuia cu o sursă de atomi lichidă;
Fig. 3.2. Epitaxia în fază lichidă.
epitaxia în fază de vapori – VPE (Vapor Phase Epitaxy); Această tehnică folosește un aport de atomi dintr-o sursă gazoasă care să ajungă pe suprafața semiconductorului. Epitaxia în fază de vapori mai poate fi întâlnit și ca CVD (Chemical Vapor Deposition). În practică se folosește des notarea MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).
Fig. 3.3. Epitaxia în fază de vapori.
3.1.2. FORMAREA GHIDURILOR DE UNDĂ PRIN SCRIEREA CU LASER
Dioxidul de siliciu sau alte tipuri de sticlă pot fi folosite pentru crearea unor ghiduri de undă de dimensiuni foarte mici prin scrierea laser cu (CW) undă de lumină continuă sau pulsată. Fotosensibilitatea dioxidului de siliciu dopat cu germaniu e exploatată pentru a îmbunătății indicele de refracție în regiunea expusă laserului UV.
Absorbția de 244 nm de lumină de la un laser KrF (florură de kripton) schimbă indicele de refracție cu până la 10-4 în regiunea expusă de acest tip de laser UV. Indicele de refracție poate fi schimbat cu peste 10-3 cu un laser florură de argon (ArF) de 193 nm.
Fig. 3.4. Gravarea unui ghid de undă cu ajutorul laserului.
Pulsații de viteza femtosecundelor (10-15) dintr-un laser de titaniu și safir sunt folosite pentru scrierea ghidurilor de undă în sticlă. Pulsațiile intense pot modifica și structura dioxidului de siliciu prin absorbția unei multitudini de fotoni.
FABRICAREA GHIDURILOR DE UNDĂ RECTANGULARE DUPĂ STANDARDE MILITARE (MODEL MIL-HDBK-660A)
ȘABLONUL
Primul pas în fabricarea ghidurilor de undă este de a crea un șablon de mărime reală. Scopul acestui șablon este de a asigura informațiile necesare despre formă, rază și despre unghiurile eventualelor curbe sau răsuciri ce intră în componența ghidului și pe lângă acestea și poziția de fixare, găurile pentru flanșe și dimensiunea propriu-zisă a ansamblului. (conform figurilor x și x)
PRE-ASAMBLAREA
ÎNDEPĂRTAREA UMPLUTURII
Dacă se folosește colofoniu pentru umplerea formei, adânciturile și încrețiturile trebuie să fie remediate până la îndepărtarea umpluturii. Se folosește un ciocan pentru nivelare care are curbura corespunzătoare modelului format.
Fig. 3.5.
METODA ALIAJ
După ce procesul de îndoire și răsucire este finalizat, urmează scufundarea ghidului de undă într-un container cu apă fierbinte cu temperatura cuprinsă între 82℃ și 93℃ și scoaterea aliajului din ghid în urma acestui proces. Containerele folosite pentru această operațiune trebuie să fie de preferat dintr-un material rezistent la coroziune. Se scutură și se înclină ghidul pentru extragerea aliajului în totalitatea sa. Cât încă este la o temperatură ridicată ghidul este introdus în apa rece pentru 2 minute astfel încât impuritățile ce s-au păstrat într-un strat de ulei să se solidifice și să fie îndepărtate ca urmare. Pentru a îndepărta stratul de soluții uleioase și particulele solide rămase se aplică o clătire cu un solvent de temperatură scăzută și se șterge interiorul ghidului cu un material specific formei acestuia.
METODA COLOFONIU
În această metodă singurele acțiuni luate sunt îndepărtarea capacelor ce păstrează umplutura folosindu-se o pârghie cu lanț pentru înclinare.
Acest proces se realizează prin încălzirea moderată a părții inferioare a ghidului până în momentul în care începe topirea colofoniului respectiv scurgerea acestuia, moment în care se aplică această încălzire gradual și pe partea superioară. După ce se termină acest proces se aplică o încălzire directă și în interiorul ghidului pentru a îndepărta particulele de colofoniu. Se evită în orice situație încălzirea părții mijlocii a ghidului deoarece pot să rezulte explozii în urma unei astfel de proceduri.
ÎNDEPĂRTAREA IMPERFECȚIUNILOR
Îndepărtarea imperfecțiunilor se realizează după ce umplutura a fost extrasă. Această operațiune se face în trei etape:
se sigilează ghidul de undă în ambele capete după care se plasează o valvă la unul dintre aceste capete;
se introduce în ghid aer cu o presiune de aproximativ 2 bari;
se încălzește zona necesară și se aplică o nivelare a acesteia. Încălzirea directă trebuie evitată în cadrul ghidurilor de undă formate din magneziu deoarece acesta riscă să se inflameze dacă o anumită temperatură este atinsă.
TĂIEREA
Tăierea ghidului se face cu un fierăstrău simplu sau cu unul conectat la energie electrică. Pentru metalele moi se folosește o lamă dințată cu 4-5 dinți pe centimetru. Pentru cupru sau aliaje din cupru, ghidul poate să fie tăiat cu o lamă cu 9-10 dinți pe centimetru.
Pentru ghidurile de undă din alamă se folosește un fierăstrău electric de aproximativ 1200 de rotații pe minut.
Unghiul de tăiere trebuie să fie drept și potrivit pentru lungimea ghidului. Pentru o potrivire optimă marginile trebuie să fie finisate astfel încât devierile maxime să nu depășească 0.79 mm. Toate impuritățile trebuie să fie îndepărtate înainte de a introduce ghidul în flanșă.
Modificarea flanșelor și ghidurilor de undă cu pereți grei se poate face în două moduri. Una este prin acoperire, respectiv se aduce ghidul de undă la dimensiunea standard astfel încât sa se potrivească cu flanșa. A doua metodă reprezintă modificarea flanșei pentru a se potrivi cu ghidul de undă cu pereți grei.
ASAMBLAREA
Se atașează flanșa astfel încât alinierea ei cu ghidul de undă să fie perfectă pentru a minimaliza pierderile prin reflexie sau nepotrivirea componentelor.
În momentul așezării flanșei după ce componentele au fost curățate, este necesară o extindere a ghidului de undă dincolo de aceasta la aproximativ 0,7874 cm.
Diferența dintre centru ghidului și centru flanșei nu trebuie să depășească 0.127 mm.
Fața flanșei trebuie să se plaseze perpendicular pe colțul și marginile plane ale suprafeței interne ale ghidului de undă.
Fig. 3.6. Cuplarea flanșei pe ghidul de undă.
Sudarea cu argint a ghidurilor de undă din alamă se face în conformitate cu QQ-B-654 gradul 4 sau 6. După ce părțile care urmează să fie brazate se așază în cleme și se pregătesc pentru topire se începe încălzirea. O flacără ușoară este folosită în acest proces. Se răspândește pe flacăra printr-o torță cu acetilenă pe toată suprafața ghidului pentru o încălzire uniformă.
Fig. 3.7. Încălzirea uniformă a ghidului
Se aplică căldura și pe suprafața plană a flanșei până când sudura de argint începe să se topească. Această sudură de argint se aplică pe suprafața brazată. Pentru o îmbinare bună, sudura lichefiată trebuie să curgă cu în mod egal între ghid și flanșă. Se menține o căldura adecvată pentru a topi sudura de argint. Ghidul și flanșa trebuie să fie răcite gradual fără a se face cu o scădere bruscă de temperatură. Finisarea suprafeței ghidului de undă se realizează prin șlefuire sau frecare.
Există mai multe metode prin care se poate realiza brazarea flanșelor de aluminiu pe un ghid de undă din aluminiu. Torțe cu diferite vârfuri determină mărimea ariei care urmează să fie brazată. Aceste vârfuri variază în funcție de deschiderile lor.
Curățarea și purificarea ghidului după aceste procedee se face în două etape:
se scufundă componentele în acid azotic fluorhidric menținut la temperatura camerei pe o durată de 30-60 secunde;
clătirea se face în două cascade de apă rece provenite din niște containere concomitent cu un jet de apă care curge constant.
Fiecare parte trebuie să fie asamblată și o mandrină de dimensiuni suficiente pentru a asigura o aliniere precisă a ghidului de undă cu flanșa, e introdusă în zona de îmbinare după care flanșa se sudează cu gaz inert in două colțuri opuse înainte de brazare. Un fir dintr-un aliaj rezistent la căldură, garnituri din reglare, șabloane, cleme sau brățări perforate sunt folosite pentru a asambla ghidul de undă pentru brazare.
Pentru secțiunile care necesită montaje pentru presurizarea și curățarea cu aer se folosesc pompe cu aer uscat.
OPERAȚIUNILE DE FINALIZARE A CONSTRUCȚIEI
Operațiunile de finalizare a fabricării unui ghid de undă se realizează în următoarea ordine: potrivirea, finisarea, curățarea și închiderea/vopsirea.
Potrivirea se face după finalizarea brazării pentru a obține configurația dorită.
Netezirea se realizează prin șlefuirea interiorului ghidului de undă prin folosirea unui șmirghel sau a unei cârpe dintr-un material special. Rugozitatea trebuie să fie măsurata pentru a se aduce la standardele militare (ASME B46.1) și pentru a corespunde specificațiilor cerute.
După ce fabricarea este terminată, fiecare secțiune a ghidului de undă trebuie curățată corespunzător.
FABRICAREA GHIDURILOR DE UNDĂ MICROFOTONICE DIN SILICIU
3.3.1 INTRODUCERE
Dezvoltarea rapidă a circuitelor electronice în ultimii cincizeci de ani a avut un impact semnificativ asupra societății moderne. Computerele și telefoanele mobile sunt doar vârful icebergului când vorbim despre dispozitive care implică circuitele microelectronice. Cel mai important material din câmpul acestor dispozitive este, siliciului. Combinația de preț redus a materialului brut, simplitatea cu care poate fi procesat și raza largă de temperaturi pe care poate fi folosit fac ca acest material să fie cea mai bună soluție dintr-o multitudine de alte posibilități. Importanța microelectronicelor în viața de zi cu zi și principalul rol al siliciului in aceste dispozitive a inspirat ceea ce se numește acum -epoca de siliciu- respectiv succesorul epocii de piatră, bronz și fier, acestea fiind perioade care s-au remarcat din punct de vedere al materialelor folosite de către omenire.
Până acum, siliciul a fost asociat în principal cu dispozitive electronice. În aplicațiile optice este cunoscut în forma sa oxidată, dioxid de siliciu, ca fiind ingredientul principal al fibrelor optice. Cu toate astea, aplicații optice se pot realiza și pe un cip din siliciu. Microfotonica este o tehnologie care implică manipularea luminii la o scală microscopică. Poate fi percepută ca echivalent al microelectronicii, semnalul electric fiind înlocuit de unul optic. Această analogie poate să devină mai clară când luăm în considerare propagarea acestui semnal. Un circuit electric se manifestă în regiuni de conductivitate electrică înaltă, pe când un semnal optic se propagă de-a lungul unei regiuni cu un indice mare de refracție. Echivalentul unui fir electric în microfotonică este un ghid de undă optic, care are indicele de refracție mai mare decât materialul de care este înconjurat. În mod similar, circuitele fotonice integrate (PICs) corespund circuitelor electrice integrate. Funcțiile de bază ale circuitelor fotonice integrate sunt generarea, ghidarea, împărțirea, multiplexarea, amplificarea, switching-ul și detecția semnalului de lumină.
Toate aceste funcții de bază au fost deja demonstrate și folosite pe siliciu. Totuși, în mai multe cazuri performanțele dispozitivelor nu au fost suficiente sau tehnologia de fabricare a fost prea scumpă pentru a permite o comercializare de succes. Așadar, microfotonica cu siliciu este încă în faza de început și multe probleme tehnice nu au fost încă rezolvate. Poate că cea mai mare piedică a microfotonicii bazate pe siliciu este realizarea unor modulatoare și surse de lumină low-cost și eficiente. Doar în ultimii ani s-a făcut un progres semnificativ în această arie. Exemple de alte probleme sunt cuplarea ghidurilor de undă de tip cip pe fibrele optice standard, minimalizarea circuitelor fotonice integrate, reducerea pierderilor optice și dependența de lungimea de undă. Majoritatea acestor aspecte vor fi prezentate în acest capitol. Abordarea tehnologică a microfotonicii pe siliciu este de a profita de stadiul matur și răspândit al microelectronicilor bazate pe siliciu. Acest lucru este posibil deoarece aceleași unelte și în multe cazuri aceiași pași pot fi folosiți atât în microelectronică cât și în microfotonică.
Există diferite structuri de ghiduri de undă care pot fi folosite pentru a realiza un ghid de undă din siliciu, după cum se poate observa din figura 1. Cel mai simplu model este ghidul de undă placate, care are un strat uniform de indice înalt și un strat de placaj de indice scăzut. Chiar dacă ghidul de undă de tip bandă oferă doar acoperire laterală și nu poate limita orizontal lumina, parte din componentele fotonice sunt bazate pe o structură placată. Din tipul ghidurilor de undă care conferă acoperire totală, ghidurile de undă de tip bandă pot fi fabricate din structura placată prin fotolitografie și tehnici de gravare. În fotolitografie, modelul unei foto-măști create prin scrierea laser este transferat unui strat de rezistență. Modelul de rezistență protejează partea de sus a nucleului ghidului de undă când operațiune de gravare are loc pentru îndepărtarea excesului stratului cu index-înalt. Gravare se poate face cu un proces de gravare uscat sau umed. În gravarea umedă, materialul solid se schimbă în produși lichizi în prezența unei soluții de gravare. În gravarea uscată, elementul de gravare este gazos. După gravarea unui ghid de undă, un strat de placare superior este depozitat pentru a asigura o acoperire uniformă de indice scăzut a miezului.
O variație a ghidului de undă de bandă este ghidul de undă cu nervuri, în care stratul miez cu indicele înalt nu este gravat complet. Totuși, diferența dintre indicii efectivi a plăcii gravate parțial și a nervurii este suficientă pentru a păstra lumina în secțiunea nervură. Un mod optic modest dar suficient pentru a păstra o undă de lumină poate fi făcut prin realizarea unei benzii de materiale placate peste ghidul de undă de bandă, rezultând într-un ghid de undă umplut cu mai multe benzi. Exemplul final al diferitelor structuri ale ghidurilor de undă este ghidul de undă difuz. În ghidul de undă difuz diferența indicelui de refracție este obținută prin doparea locală cu un element ce are proprietăți care duc la schimbarea acestuia.
Având în vedere că există o multitudine de structuri ale ghidurilor de undă disponibile, la fel de bine există și mai multe materiale care pot fi folosite pentru a realiza un ghid de undă din siliciu. Acestea includ:
Dioxidul de siliciu
Oxinitrura de siliciu
Polimeri
Germaniu
Siliciu
Dintre toate materialele disponibile, siliciu-pe-izolator (SOI- siliciu pe izolator) devine o platformă importantă pentru realizarea circuitelor fotonice integrate și pentru integrarea monolitică a acestora cu electronice de control. Tehnologia SOI profită de disponibilitatea comercială a plachetelor SOI care au un strat mono-cristal de siliciu ( SOI layer) pe deasupra unui strat de oxid îngropat făcut din dioxid de siliciu (BOX). Această structură se comportă ca un ghid de undă. După acest proces, realizarea ghidurilor de undă de bandă și ghidurilor de undă cu nervuri devine simplă. Datorită contrastului indicelui de refracție ultra-înalt dintre siliciu (n= 3.48) și dioxid de siliciu (n= 1.47), tehnologia SOI permite integrarea pe scară largă a circuitelor optice. Miniaturizarea extremă a dispozitivelor poate fi obținută cu nano-fire submicronice. În comparație cu nanofirele, ghidurile de undă cu nervuri cu o secțiune mai largă oferă pierderi mai puține la cuplarea cu fibre optice și lasere, în timp ce mențin operarea într-un singur mod.
Sunt mai multe tehnici care pot fi folosite pentru creșterea miezului și placarea materialelor pentru un ghid de undă pe o plachetă din siliciu. În principiu, toate tehnicile de depunere cunoscute în microfabricații pot fi aplicate. Acestea include oxidarea termică, împroșcarea, depunerea chimică prin vapori, depunerea prin hidroliza cu flacără, depunerea asistată cu ioni, învelirea prin rotație, tehnica sol-gel etc. Aplicațiile date și sistemul de materiale alese determină cerințele pe care tehnica de depunere trebuie să le împlinească. Pe lângă toate acestea, mai sunt niște reguli comune pe care tehnica de depunere trebuie să le îndeplinească. În primul rând, folia subțire trebuie să permită mici pierderi optice. Asta înseamnă că rugozitatea suprafeței trebuie să fie scăzută și că materialul trebuie să aibă o anumită cantitate de impurități care să absoarbă lumina în ghidul de undă operat. De exemplu, un conținut mare de hidrogen într-o peliculă de sticlă crescută cu depunere chimică prin vapori asistată de plasmă rezultă absorbții puternice la lungimile de undă de nivelul telecomunicațiilor. Este important să ca grosimea peliculei să fie fabricată controlat și precis, din moment ce grosimea ghidului de undă este unul din parametrii de design principali ai acestuia. În special în cazul componentelor sensibile la schimbarea de fază, grosimea uniformă a peliculei este de o importanță semnificativă. Mai mult decât atât, pelicula depusă trebuie să manifeste un stres scăzut. În completarea cerințelor de mai sus, tehnica de depunere a peliculei trebuie să aibă rată de creștere suficient de mare și un cost de fabricare destul de scăzut, capacitatea de a fi reprodusă la scară mare, să fie versatilă și scalabilă la nivelul de producție industrială.
3.3.2 CARACTERISTICI ȘI METODE DE FABRICAȚIE
Cel mai des folosit ghid de undă microfotonic este ghidul de undă cu nervuri SOI (siliciu pe izolator). Pașii principali care se fac în procesul de fabricarea a unor asemenea ghiduri de undă sunt prezentați în figura de mai jos. Acești pași pot fi împărțiți în 3 etape modelarea mascării 1-6, gravarea cu Siliciu și placarea prin depunerea de oxizi 9.
Cele mai comune plachete pe care se poate începe procesul de fabricare sunt cele BESOI cu grosimea stratului de aproximativ 10 µm. Plachetele îngroșate prin epitaxie Smart CutTM sunt făcute pentru fabricarea ghidurilor de undă soi cu o grosime cu mai puțin 5 µm. Toate plachetele SOI au rezistivitatea peste 10 Ωcm. Printr-o astfel de rezistivitate ridicată se asigură că absorbția materialelor are un efect neglijabil asupra pierderilor semnalului optic. Stratul de oxid îngropat are în mod normal 1 µm grosime, o caracteristică suficientă pentru a acționa ca și un izolator optic pentru stratul SOI din substratul de siliciu.
Fig. 3.8. Procesul de fabricare a ghidurilor de undă SOI prin epitaxie Smart CutTM
Chiar dacă stratul de rezistență a funcționat suficient ca și mască pentru gravarea ghidului de undă din Si, a fost necesară folosirea unei măști adiționale mai puternică. Scopul acesteia a fost de a asigura protejarea suprafeței superioare a ghidului în momentul gravării Si. A fost de asemenea folosită și ca un al doilea strat mască în procesarea multi-step. Sunt diferite materiale care pot fi folosite ca și mască puternică, cum ar fi dioxidul de siliciu, oxidul de aluminiu, nitratul de siliciu, sau diferite metale. Dioxidul de siliciu a fost ales datorită folosirii acestuia pe scară largă și deoarece a fost experimentat suficient ca și material de mască, iar procesul acestuia de depunere este valabil pentru aplicațiile ce implica fabricarea ghidurilor de undă. Depunerea a fost făcută sub depunerea chimică prin vapori cu presiune scăzută (LPCVD) în furnal, cu oxid de temperatură scăzută (LTO) sau cu un proces TEOS (tetra-ethyl-ortho-silicate). Un strat termic de oxid a fost folosit ca și masca de oxid. În acest caz, totuși, consumul de siliciu (45% din grosimea oxidului rezultat) a schimbat grosimea stratului SOI. Acest lucru este luat în considerare în momentul proiectării dimensiunilor ghidului de undă.
Modelul de fotomască, care e inclus în structura ghidului de undă, a fost transferat măștii din oxid folosind fotolitografia standard (3-5 din fig. de mai sus) și gravarea uscată cu oxid. Pașii principali ai fotolitografiei includ un acoperământ rezistent, expunerea, developarea și pe lângă acestea o multitudine de pași intermediari asociați lor. Litografia începe cu o coacere a plachetei la 140℃, care îndepărtează umezeala atașată de suprafața plachetei. Apoi placheta se acoperă, în cuptorul primar cu un strat monomolecular de HMDS (hexametildisilazan). Capsarea face suprafața plachetei să devină hidrofobică, lucru care previne condensarea stratului umed. Asigură de asemenea condițiile de suprafață, care îmbunătățesc repetabilitatea procesului de litografie.
Pe durata acoperiri prin rotire câțiva milimetrii de rezistență sunt turnați în placheta în stare de rotație ușoare. Placheta este mai apoi accelerată pentru a avea o viteză mai mare de rotație, asigurând un strat rezistent uniform. Viteze rotației este invers proporțională cu grosimea stratului de rezistență rezultat, așadar fiind un proces controlabil. În mod normal viteza de rotație pentru straturile care sunt între 1.4 și 2.1 µm (SPRT515 resist) trebuie să fie între 2000 și 5550 rpm. După ce se termină procesul de acoperire prin rotație, solventul se evaporă din stratul rezistent pe durata unei coaceri ușoare la 90℃. Un sistem cu plită fierbinte este folosite pentru coacere, durata fiind de 1-2 minute este suficientă pentru evaporarea solventului.
Expunerea este făcută folosind un aliniator de contact al măștii care este cel mai simplu și cel mai rapid sistem folosit pentru modelarea rezistenței unei arii largi. Această unealtă aduce placheta acoperită de rezistență și fotomasca aproape una de cealaltă. Pe durata expunerii prin contact placheta și masca sunt presate in contact ușor. În proximitatea expunerii un gol de aproximativ 5-10 µm este lăsat pentru a se asigura că rezistența nu lasă urme pe mască. După alinierea măștii, rezistența este expusă luminii UV prin fotomască. Radiațiile UV schimbă solubilitatea rezistenței în zonele expuse, dar modelarea rezistenței în sine începe doar pe perioada fazei de developare.
În această lucrare se presupune că rezistența folosită este de tip pozitiv. Cu astfel de rezistențe lumina UV crește solubilitatea rezistenței când este scufundată într-o substanță cu bază alcalină. Astfel ariile expuse se corodează pe perioada developării și o replică exactă a fotomăștii este formată în rezistență. Alt pas pentru coacere, este numit coacerea tare, aceasta este aplicată după expunere. Acest proces este folosit pentru a îmbunătății proprietățile rezistenței împotriva developării și gravării. În procesarea ghidurilor de undă, cele mai importante aspecte ale litografiei sunt profilul rezistenței și rezoluția. Astfel parametrii litografiei variază pentru a obține ca și ghid de undă rectangulară o rezistență în secțiune cât mai bună cu putință. Rezoluția litografie este de 1-2 µm, depinzând de rezistență și de parametrii de expunere.
Modelul rezistenței este transferat măștii tari din oxid pe perioada gravării acestuia, după cum avem reprezentat în pasul 6 din fig. 3.8. folosind un sistem de gravare reactiv cu ioni. În gravarea reactivă cu ioni (RIE – reactive ion etching), gravarea este cauzată de ioni și de molecule reactive produse de plasma care rezultă din gazele sursei. Plasma este generată folosind o radio-frecvență a câmpului electric. În compartiment, bombardamentul cu ioni este accelerat către suprafața plachetei. Acest lucru permite anizotropia (verticală) profilurilor gravate, care este avantajul principal al RIE când îl comparăm cu gravarea umedă în acid fluorhidric (HF- hydrofluoric acid), care poate fi de asemenea folosit în gravarea cu oxid. Natura anizotropică a RIE este benefică modelării măștii tari, din moment ce e de preferat a se face transferul de dimensiuni a fotomăștii către structurile finale ale ghidului de undă cât de precis posibil.
Gazele folosite pentru a aduna plasma în procesul de gravare cu ioni reactivi sunt CF4 (tetrafluorura de carbon) , CHF3 (fluoroform) și He. Presiunea de operare din recipient în gravarea cu oxid este de 2.5 Torr și puterea este de 600 W. Rata de gravarea a dioxidului de siliciu este de aproximativ 350 nm/min. Totuși procesul de gravare este ales în așa fel încât materialul măștii să nu fie afectat, acest lucru rar poate fi obținut într-un mod perfect. Selectivitatea este o măsură importantă a acestei caracteristici. Este rația ratelor de gravare dintre materialul care urmează să fie gravat și materialul măștii. În cazul gravării cu ioni reactivi este natura fizică a gravării care rezultă în îndepărtarea nedorită a materialului măștii. Rata de gravare a rezistenței in procesul de gravare cu oxid în acest model este măsurat ca fiind în jur de 250 nm/min. Acest lucru rezultă într-o selectivitate relativ scăzută. În practică asta nu este o problemă majoră, din punct de vedere al grosimii rezistenței, aceasta poate fi aleasă în conformitate cu stratul de rezistență astfel încât acesta să nu fie consumat.
Gravarea în siliciu este făcută folosind gravarea cu plasma cuplată inductiv (ICP- inductively coupled plasma) produsă de dispozitive cum bazate pe tehnologia Surface respectiv Surface Technology Systems (STS). O fotografie a gravării ICP care este folosită în aceste experimente poate fi văzută în reprezentare de mai jos figx . Gravarea cu plasma cuplată inductiv este pe scurt un sistem în care plasma este produsă prin inducție electromagnetică. În comparație cu alte sisteme cu gravare cu ioni reactivi, avantajul principal al gravării cu plasma cuplată inductiv este păstrarea îmbunătățită a plasmei, permițând densități mai mari ale acesteia la presiuni de operare mai mici. Acest lucru duce la o creștere a ratei de gravare susținând daune de gravare mai mici. Gravarea cu plasma cuplată inductiv este cunoscută pentru abilitatea acesteia de a grava structuri foarte adânci cu pereți laterali aproape verticali. Poate să fie folosite, de exemplu, pentru gravarea completă a substratului de siliciu.
Fig. 3.9. Sistem STS (Surface Technology Systems)
În gravarea ghidului de undă adâncimea gravurilor este relativ mică, în mod normal sub 10 µm. Cu toate acestea, verticalitatea de aproape 90° și gravarea cu daune mici sunt niște cerințe de fabricație foarte importante pentru un astfel de ghid de undă. Mai mult decât, o fereastră largă de operare a gravării cu plasma cuplată inductiv permite optimizări ulterioare a proceselor de bază. Acest lucru este important, având în vedere că procesul ghidului de undă necesită o suprafață cât mai fină pe pereții laterali ai gravurii, o proprietate care nu este optimizată în procesul implicit. În special în ghidurile de undă SOI, unde indicele de refracție e ridicat diferența dintre nucleul siliciu și placarea cu oxid îmbunătățesc pierderile optice induse de rigurozitatea suprafeței, peretele lateral al ghidului de undă gravat ar trebui să fie astfel foarte fin.
Este important să luăm în considerare că partea superioară a pereților laterali ai gravurii este netedă. Acest lucru este rezultatul primului ciclu de gravare a procesului de gravare avansată cu siliciu (ASE). Primi 0.5 µm sunt obținuți cu gravarea prin pasivizare continuă, astfel încât gazele folosite respectiv cel de gravare și cel de pasivizare sunt aplicate simultan. În procesul de gravare avansată cu siliciu implicit scopul este să se prevină gravării nedorite semnificative când pasivizarea nu e încă prezentă.
În rețeta de gravare pasivă continuă, rata fluxului a gazului de pasivizare este crescut liniar de la valoarea inițială pe măsură ce gravarea atinge nivele mai adânci. Rata fluxului octaflorurii de ciclobutan (C4F8) este inițial de 120 sccm (standard cubic centimeters per minute) și mai apoi crește la o rată de 2 sccm/min, în vreme ce rata fluxului SF6 este ținută la valoarea constantă de 40 sccm. Camera de presiune este setată la 12mTorr. Generatorul de radio frecvență este operat la frecvența de 13.56 Mhz. Putere conectată la bobină este constantă la 600 W, iar putere conectată la platan fiind inițial de 30 W și apoi fiind scăzută la o rată de 1 W/min. Dezavantajele gravării pasive continue este adâncimea limitată a gravurilor acesteia, care măsoară în jur de 6 µm pentru procesul folosit. Totuși, pentru toate structurile ghidurilor de undă realizate în aceste procese valoarea normală a unei gravuri este suficientă. Alt punct slab al acestui proces este selectivitatea scăzută în comparație cu procesul ASE. Aceste puncte au fost luate în considerare prin creșterea grosimea măștii într-un mod corespunzător.
Pentru a estima calitatea procesului de gravare, procedeele de pasivitate continuă și gravarea avansată cu siliciu sunt comparate în termeni de rugozitate a suprafeței datorată reziduurilor. Suprafețele gravate au fost măsurate folosind un profilometru Dektak. Pentru măsurare, eșantioanele au fost scindate și plasate într-un sistem de prindere, care permite măsurarea suprafeței verticale. Din măsurătoarea r.m.s. (root-mean-square) reies valori ale rugozității suprafeței de 4 și 10 nm respectiv pentru pasivizarea continuă și procesul ASE. Trebuie reținut faptul că marea parte a rugozității a procesului ASE este paralelă pe direcția de propagare a luminii așadar nu contribuie la pierderile de propagare optice.
Gravarea gravarea cu plasma cuplată inductiv a siliciului este urmată de îndepărtarea rezistenței și a măștii de oxid respectiv cu o plasmă de oxid și prin gravarea cu acid fluorhidric. După aceste etape structura ghidului de undă este completă. Totuși, este obișnuită depozitarea unui strat de placare pe deasupra structurii ghidului de undă. Scopul acestuia este de a proteja suprafețele sensibile ale ghidului de undă împotriva contaminării și hazardurilor mecanice. Poate servi de asemenea și ca un strat izolator în momentul în care un strat adițional este realizat tot deasupra ghidului de undă. Un exemplu tipic al acestuia este reprezentat de un încălzitor de metal într-un ghid de undă cu rol de întrerupător. Indicele de refracție a stratului de placare trebuie să fie mai scăzut decât indicele materialului ce reprezintă miezul ghidului de undă. Având în vedere că modul câmpului razei de lumină propagată în ghidul de undă se extinde către stratul de placare, materialul de placare trebuie să susțină absorbții optice mici ale lungimii de undă operate. În ghidurile de undă cu miezul de Si, placare poate fi făcută cu dioxid de siliciu. Majoritatea depozitărilor de oxid folosite pentru placare sunt făcute într-un proces numit TEOS. TEOS (Tetra-ethyl-ortho-silicate) este modalitatea aleasă deoarece implică cel mai puțin stres asupra structurilor de undă. Grosimea normală a placajului din oxid este de 1 µm.
O variantă a procesului SOI al ghidului de undă este adăugarea unei etape ce reprezintă oxidarea termică înainte depunerii oxidului de placare. Acest lucru se face pentru a reduce rugozitatea pereților laterali ai ghidului de undă după gravarea Si. Este folosit și pentru a introduce o lățime a liniei care să poată fie schimbată controlat când se fabrică formele ascuțite verticale, unde este necesar să îngustăm lățimea finită a vârfului formelor conice. Grosimea oxidului termic este de 0.5-1.0 µm și este îndepărtat prin gravare cu acid fluorhidric înainte de placarea prin depunere a oxidului.
Pentru multe structuri ale ghidurilor de undă, placarea prin depunere de oxid este procesul final din punct de vedere al fabricație curate, după care cipurile din componența dispozitivului sunt puse pe o placă de fixare a circuitelor și sunt caracterizate. Pe lângă toate acestea, pentru diferiți atenuatori optici, obiecte pentru încălzirea metalelor erau formate pe deasupra structurii ghidului de undă. Unul dintre cele mai comune metale folosite în fabricarea microelectronicelor este aluminiul, care este de asemenea folosit în aplicații privind ghidurile de undă. Folosirea aluminiului pe stratul superior al ghidului de undă, limitează căldura care poate fi aplicată din cauza vulnerabilității aluminiului la fenomenul de migrație electrică. Pentru a extinde gama de putere electrică a aparaturii de încălzire, un proces de metalizare a fost dezvoltat. Procesul se bazează pe molibden, care suportă densități de curent foarte mari, densități care depășesc cu mult rezistența aluminiului. Pentru a prevenii defectele prezente din cauza coroziunii, un strat de pasivizare de nitrură de siliciu este introdus deasupra elementelor de încălzire. Suporturile și firele de contact, care nu prezentau această vulnerabilitate la fenomenul de migrație electrică sunt realizate din aluminiu.
Procesul de metalizare începe cu depunerea prin stropire a unui strat de 0,5 micrometri de molibden pe deasupra plăcii TEOS a ghidului. Apoi, un strat de rezistență de 7 micrometrii grosime este tors pe stratul de molibden prin procesul de gravare umedă într-o baie de acid de fosfor la temperatura camerei. După gravare stratul de rezistență este îndepărtat. Molibdenul este pasivizat de un strat de 50 de nanometrii din siliciu crescut prin aplicarea chimică a vaporilor asistată de plasmă (PECVD). Deschiderile firelor și suporturilor de contact sunt modelate în stratul nitrurii de siliciu prin gravarea cu ioni reactivi. Un strat de 1 micrometru de aluminiu este stropit pe modelul de rezistență pentru a crea un contact pentru metalizare. În procesul de îndepărtare a acestora
MATERIALE FOLOsiTE ÎN CONSTRUCȚIA GHIDURILOR DE UNDĂ
GHIDURILE DE UNDĂ ELCTRO-OPTICE DIN NIOBAT DE LITIU
Cele mai comune materialele care stau la baza acestor ghiduri de undă sunt : LiNbO3 (Niobiat de Litiu), LiTaO3 (Tantalat de Litiu), BaTiO3 (titanat de bariu). Spre deosebire de alte materiale, niobiat de litiu nu necesită creșterea epitaxială.
O tehnică populară pentru crearea ghidurilor de undă cu puține pierderi este implicarea materialelor prin difuzie într-un substrat de niobiat de litiu. Difuzia unor atomi de titan într-un cristal LiNbO3 îi formează regiunea de nucleu și îi crește indicele de refracție al acestuia. O suprafață plată și netedă este necesară pentru a se asigura un ghid de undă uniform.
Pentru realizarea ghidurilor de undă din niobiat de litiu se pot folosi și tehnici care se bazează pe schimbul de protoni. Una dintre aceste tehnici implică folosirea unei temperaturi scăzute de aproximativ 200℃ în care ionii de litiu sunt înlocuiți cu protoni în urma unei băi de acid aplicate substratului respectiv. Schimbul de protoni crește semnificativ indicele de refracție a ghidului. Un astfel de ghid de undă poate folosi doar modul de transmisie transversal magnetic TM din cauza polarizării sale selective. Durata de viață a acestor ghiduri de undă este estimată ca fiind de peste 25 de ani ținută la o temperatură de până la 95℃.
Fig. 4.1. Ghid de undă din Niobiat de Litiu
GHIDURILE DE UNDĂ DIN DIOXID DE SILICIU
Ghidurile de undă din dioxid de siliciu reprezintă straturi de dioxid de siliciu peste un substrat de Si. Procesul prin care se construiește un astfel de ghid de undă este similar celui prin care se fac circuitele integrate.
Fabricarea se realizează folosind hidroliza în flacără prin gravarea cu ioni reactivi. Două straturi de siliciu sunt depozitate la început prin această hidroliză în flacără. Stratul superior este convertit ca și nucleu prin umplerea acestuia cu germaniu. Ambele straturi se solidifică printr-o încălzire a acestora la temperatura de 1300℃ respectiv prin procesul de consolidare. Pentru a grava modele pe stratul principal respectiv pe nucleu se folosește procesul de fotolitografie. Întreaga structură este acoperită prin hidroliza în flacără care formează o placare completă a ghidului pe care se formează mai apoi un schimbător de faze termo-optic.
Dioxidul de siliciu pe siliciu în sine ca și tehnologie produce ghiduri de undă uniforme. Pierderile depind strict de modul în care este placat nucleul ghidului respectiv diferența indicilor de refracție.
Acest tip de ghiduri de undă sunt folosite pentru a crea dispozitive WDM (Wavelength Division Multiplexer) de aproximativ 5 x 5 cm2.
GHIDURILE DE UNDĂ OPTICE DIN OXIDUL NITRIC DE SILICIU
Ghidurile de undă din oxidul nitric de siliciu SiON au un substrat din siliciu și folosesc ca și nucleu un strat de SiON. Acest aliaj este făcut prin combinarea dioxidului de siliciu cu Si3N4 (Nitrură de siliciu), doi dielectrici cu indici de refracție de 1.45 și 2.01 reprezentând chiar limitele de refracție ale aliajului în sine. Stratul de SiON de nivelul nanometrilor se creează folosindu-se aplicarea chimică a vaporilor asistată de plasmă PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Prin fotolitografie se formează modele pe un strat de 200 nm din crom. Pierderile într-un astfel de ghid sunt sub 0.2 dB/cm.
GHIDURILE DE UNDĂ SILICIU
Nucleul acestor ghiduri de undă este format din siliciu. Un strat de dioxid de siliciu este situat sub acesta pentru placarea inferioară. Aerul de deasupra nucleului realizează placarea superioară. Stratul de dioxid de siliciu se formează prin implantarea oxigenului după care este aplicată o recoacere a materialelor.
Fig. 4.2. Straturile unui ghid de undă din siliciu
GHIDURILE DE UNDĂ DIN POLIMER
Polimeri precum compușii hidrogenați și acrilați, polimide fluorurate și PMMA (deuterated polymethylmethacrylate) sunt folosiți pentru crearea ghidurilor de undă.
Straturi de polimer se pot aplica pe nivelul superior al materialelor din siliciu, sticlă, cuarț sau plastic prin căptușire circulară.
Straturile fotorezistente de la nivelul superior al ghidului sunt folosite pentru gravarea cu ion reactivi a stratului nucleu prin fotomascare.
Fig. 4.3. Straturile ghidului de undă din polimer.
GHIDURILE DE UNDĂ DIN FIBRĂ OPTICĂ
Ghidurile de undă din fibre optice conțin un nucleu central înconjurat de o placă cu un indice mai scăzut. Acestea sunt ghiduri de undă bidimensionale cu o simetrie cilindrică. Indicele de refracție al fibrei optice variază în stratul care îi formează nucleul.
Fibrele optice pot fi din dioxid de siliciu sau varianta mai ieftină din plastic.
Fabricarea fibrelor din dioxid de siliciu se face în două etape prima este realizarea preformei și a doua este realizarea formei propriu zise.
Preforma este fabricată prin trei tehnici:
MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)
OVD (Outside Vapor Deposition)
VAD (Vapor Axial Deposition)
Preforma este transformată în fibră prin Turnul de Modelare a Fibrei.
Fibrele din plastic sunt fibre care pot să opereze în mai multe moduri datorită dimensiunilor nucleului acestora care poate să ajungă la un diametru de până la 1 mm. Apertura numerică respectiv numărul unghiurilor sub care lumina se emite sau se reține este largă în cadrul acestui tip de fibră.
Materiale comune care intră în componența acestor ghiduri de undă sunt polimeri precum PMMA, polistiren, policarbonat, polieter.
Preforma acestei fibre se face prin metoda polimerizării cu gel.
Placajul cilindrului este umplut cu o mixtură de monomer, dopaj cu indice mai mare, o substanță chimică care inițiază polimerizarea și un agent de transfer în lanț.
Cilindrul în care se fabrică fibrele este încălzit la 95℃ și se rotește în jurul axei sale pe o perioadă de 24 de ore.
Polimerizarea nucleului începe lângă pereții cilindrului. Doparea se concentrează treptat către nucleul central.
SIMULAREA PERFORMANȚELOR CONSTRUCTIVE ALE GHIDULUI DE UNDĂ WR-90/WG-16 ÎN ANSYS hfss v.17.2. 2016
ANSYS HFSS V.17.2. 2016
HFSS (High-Frequency Structure Simulator) este o componentă a programului de simulare pentru structuri electromagnetice ANSYS Electronics Desktop. Acest e folosit pentru modelarea și analizarea structurilor tridimensionale. HFSS folosește dinamica computerizată a fluidelor prin metoda elementelor finite (FEM- finite element method) pentru a simula comportamentul electric al componentelor radio de înaltă frecvență în mediul digital. Acest program permite utilizatorului să observe și să analizeze diferite performanțe ce țin de proprietățile electromagnetice a structurilor țintă, ca și modurile de propagare, caracteristicile porturilor structurii, constanta de propagare, caracteristicile materialului din care e realizată structura etc. HFSS este proiectat pentru extragerea parametrilor modali prin simularea unor dispozitive pasive. Este folosit la scară largă în principal pentru construirea aparatelor sau componentelor electronice comerciale respectiv în simularea cu acuratețe a unui produs înainte de fabricarea fizică a acestuia pentru îmbunătățire sau pentru eliminarea sincopelor.
Fig. 5.2. Managerul de proiecte
Fig. 5.1. Interfața programului ANSYS Electronics Desktop HFSS Design
GHIDUL DE UNDĂ RECTANGULAR WR-90
Ghidul de undă WR-90 e un ghid de undă rectangular cu grosimea de 0.2mm și lungimea de 60mm având ca și material de compoziție principal cuprul. Acest ghid de undă are miezul format din aer sau vid respectiv este un ghid de undă gol.
Tabelul 5.1. Ghidul de undă WR90 în cadrul sistemului WR.
Fig. 5.3. Ghidul de undă WR-90 cu flanșă
Acesta suportă mai multe moduri de propagare a undelor cum ar fi TM11, TE11, TE01, TE10 și TE20. TE10 este modul dominantă datorită faptului că are cea mai mică frecvență te tăiere.
Tabelul 5.2. Modurile de propagare a ghidului de undă WR-90.
Fig. 5.4. Frecvența de tăiere a fiecărui mod de propagare a WR-90
ETAPELE PROCESULUI DE REALIZARE A SIMULĂRII GHIDULUI DE UNDĂ WR-90 ÎN ANSYS HFSS V.17.2.
5.3.1. Pornirea aplicației
Pentru a porni aplicația Ansys HFSS pe un sistem de operare Windows 10 trebuie apăsat butonul (1)Start apoi iconița (2)Search se scrie (3)ANSYS Electronics Desktop și (4) se selectează cea mai bună potrivire reprezentată de aplicația desktop a programului.
Fig. 5.5. Pornirea aplicației ANSYS HFSS
5.3.2 Crearea Proiectului
În meniul programului se află opțiunea Project, se selectează din cadrul acesteia Insert HFSS Design. Odată selectat apare Fereastra de modelare 3D în partea dreaptă a Managerului de proiectare. Numele inițial al proiectului este Project1 și al modelului este HFSSDesign1 cifra de la final reprezentând numărul proiectului și respectiv al modelului. fig. 5.6.
Pentru schimbarea numelui proiectului în WR90 STUDIU DE CAZ se apasă Click- Dreapta pe acesta și se alege opțiunea Rename.
Fig. 5.6. Inserarea modelului HFSS Fig. 5.7. Configurarea soluției
Fig. 5.8. Selectarea soluției
Înainte de desenarea modelului, tipul soluției trebuie setat la modul Driven Modal deoarece obiectul pe care urmează să îl reprezentăm este un ghid de undă rectangular iar acest tip este folosit pentru calcularea mai multor moduri de propagare și a parametrilor pasivi a structurilor de genul ghidurilor de undă sau a liniilor de transmisie ce au la bază o sursă de energie electromagnetică.
Acest tip al soluției se configurează accesând din meniu opțiunea HFSS iar apoi se selectează Soluțion type fig. 5.7. Din fereastra care apare se bifează opțiunea Modal fig. 5.8. nemodificând proprietățile de default ale celorlalte setări.
Pentru a selecta unitatea de măsură alegem opțiunea Modeler din meniu, selectăm Unit fig. 5.9. și din fereastra ce apare alegem milimetrii respectiv mm fig. 5.10. pentru ca modelul să corespundă din punct de vedere al dimensiunilor cu varianta reală a ghidului de undă WR-90.
Fig. 5.9 Selectarea opțiuni Units Fig. 5.10. Alegerea u.m.
5.3.3. CREAREA PEREȚILOR GHIDULUI DE UNDĂ
Pentru a simula dimensiunile fizice ale ghidului de undă WR-90 în planul de coordonate al ferestrei de modelare 3D trebuie accesată opțiunea Draw din meniu iar apoi se selectează forma geometrică a modelului respectiv Box fig. 5.11. Pentru a plasa forma geometrică în fereastra de modelare 3D cu acuratețe se așază inițial aleatoriu selectând trei puncte în plan după care se definesc pozițiile și dimensiunile exacte fig. 5.12.
Pentru a definii dimensiunile și poziția ghidului de undă vom folosi parametrii x, y, z, respectiv prin notările a pentru lățime, b pentru înălțime, L pentru lungime și th pentru grosimea pereților ghidului. Definirea acestor notări se face prin fereastra Add Variable care apare automat odată ce o notare nouă necunoscută este introdusă. Se selectează în cadrul acestei ferestre Unit Type varianta Length și se alege unitatea de măsură milimetri în secțiunea Unit .Valorile notațiilor se dau în funcție de proprietățile ghidului ales iar în cazul de față avem a=22.86mm, b=10.16mm, L=60mm și th=0.2mm.
Odată introduse aceste setări se apasă simultan tasta Ctrl și tasta D pentru a aduce sistemul de coordonate a ferestrei de modelare 3D și ghidul de undă din planul acesteia la o încadrare care să ne permită lucrul în program în noile dimensiuni.
Fig. 5.11. Crearea modelului Fig. 5.12. Plasarea cutiei în fereastra de modelare 3D
Fig. 5.13. Definirea poziției și dimensiunilor ghidului de undă WR-90
Atribuirea materialului din care este făcut ghidul de undă respectiv cuprul se face prin duplicarea modelului inițial Box1 pentru a păstra dimensiunile prin selectarea acestuia și ulterior folosind combinația de taste Ctrl-C apoi Ctrl-V. Se redenumește dublura accesând prin Dublu-Click-Dreapta fereastra Attribute în căsuța din dreapta a secțiunii name conform fig. 5.15.
Pentru desemnarea compoziției a noului model se selectează din secțiunea Material opțiunea Edit.. apoi în fereastra Select Definition se caută în căsuța de Search by Name materialul copper urmând ca acesta să fie selectat din tabelul de mai jos din proiect sau din librăria aplicației.
Fig. 5.14. Duplicarea modelului și redenumirea dublurii
Fig. 5.15. Atribuirea materialului ghidului de undă.
Grosimea materialului selectat se realizează în program prin alegerea noului model din cadrul Metal respectiv ramificația ce reprezintă figura geometrică Createbox și adăugând parametrul th poziției și dimensiunilor ghidului de undă simulat în fereastra de proprietăți geometrice a acestuia fig. 5.16.
Fig. 5.16. Adăugarea grosimii în configurația ghidului.
5.3.4. CONFIGURAREA MIEZULUI GHIDULUI DE UNDĂ
Ghidul de undă WR-90 este un ghid de undă fără miez sau un ghid de undă cu aer sau vid în interior. Primul pas în crearea unui astfel de interior este folosirea funcției de substracție booleană.
s
Fig. 5.17 Accesarea opțiunii de substracție booleană
Se selectează simultan din categoria de materiale modelul Metal și modelul Box1. Din bara de meniu se alege opțiunea Modeler la categoria Boolean se selectează funcția Substract pentru a stabili formatul interiorului și exteriorului ghidului de undă fig. 5.17. În noua fereastră Substract apărută ne asigurăm prin săgețile dintre secțiuni că modelul Metal este în secțiunea Blank Parts pentru ca exteriorul ghidului să rămână pereții din cupru cu grosimea corespunzătoare, iar modelul Box1 este în secțiunea Tool Parts pentru ca proprietățile acestuia să poată reprezenta interiorul ghidului în funcție de cerințe fig. 5.18. rezultatul obținut poate fi observat în fig. 5.19.
Fig. 5.18. Funcția substract. Fig. 5.19. Ghidul de undă WG-90.
Selectarea portului de intrare și a portului de ieșire a ghidului de undă se poate face doar după ce interiorul ghidului este definit complet. Miezul ghidului este reprezentat de o dublură a modelului Box1 creată printr-un proces similar dublurii anterioare. Se redenumește modelul din Box2 în Aer și selectăm căsuța air din tabelul de materiale.
Fig. 5.20. Introducerea modelului Aer în interiorul ghidului de undă.
5.3.4 ALOCAREA PORTURILOR DE INTRARE ȘI DE IEȘIREA A GHIDULUI DE UNDĂ
Porturile ghidului de undă sunt calculate în programul ANSYS HFSS și în funcție de condițiile din afara ghidului de undă. Dacă acestea nu suferă nicio intervenție programul le consideră după setările implicite ca fiind într-un spațiu infinit fără limite de radiere afectând astfel cantitatea de pierderi a ghidului și calcule făcute de algoritmii programului. Astfel că stabilirea unor limite în simulare acestea nu trebuie să depășească cu mult dimensiunile ghidului dar trebuie să păstreze poziționarea acestuia pentru a nu afecta modurile de propagare a undelor electromagnetice.
Setarea limitelor de radiație se face prin dublarea modelului Aer din categoria materialelor air și modificând dimensiunile acestuia fără a schimba compoziția materialului și ulterior redenumirea acestuia în Radiatie conform fig. 5.21.
Fig. 5.21. Configurația dimensiunilor limitelor de iradiere.
Fig. 5.22. Limitele de iradiere din exteriorul ghidului de undă.
Definirea completă a limitelor de iradiere se face prin selectarea modelului Radiație din fereastra de modelare 3D prin Click-Stânga. Alegerea opțiunii Assign Boundary selectând categoria Radiation. În categoria Boundaries din fereastra Project Manager va apărea secțiunea Rad1 care reprezintă aceste limite de iradiere.
Fig. 5. 23. Configurarea proprietăților limitelor de iradiere
Excluderea limitelor de iradiere din câmpul vizual pentru a lucra mai ușor cu ghidul de undă ce se află în interiorul acestora se face prin opțiunea Hide overlaid vizualization in the active view din bara de instrumente, reprezentată de iconița ce reprezintă un ochi.
Fig. 5.24. Opțiunea de ascundere a limitelor de iradiere.
Pentru a configura porturile ghidului de undă vom selecta fețele acestuia prin alegerea din bara de meniu a opțiunii Edit, Select, Faces. Selectarea fețelor și configurarea porturilor se va face din fereastra de modelare 3D ținându-se cont de dispunerea porturilor și orientarea lor pentru ca undele electromagnetice să se poate propaga în interiorul ghidului de undă în modurile de propagare specifice. Porturile vor fi plasate perpendicular pe direcția de propagare respectiv pe axa z cu primul port în origine și cel de-al doilea în capătul ghidului de undă fiind centrate la mijlocul fețelor ghidului de undă cu limitele la peretele inferior și peretele superior ale ghidului. Configurarea porturilor se face prin selectarea feței ghidului cu Click-Dreapta, se alege opțiunea Assign Excitation și apoi se selectează tipul de port Wave Port. Din fereastra nou apărută Wave Port : Modes alegem din secțiunea Integration Line opțiunea New Line pentru a plasa noul port în componența ghidului de undă fig. 5.25. iar impedanța va rămâne la setările implicite prin bifarea opțiunii Do Not Renormalize din fereastra Wave Port : Post Processing fig. 5.26.
Fig. 2.25. Configurarea porturilor.
Fig. 2.26. Procesarea noului port creat
Portul de ieșire se face în aceeași manieră orienta în sensul axei y iar pentru ca acestea să susțină modurile de propagare ale ghidului de undă WR-90 trebuie selectată din Project Manager opțiunea Excitations iar selectând fiecare port în parte se va schimba numărul de moduri din căsuța Number of Modes aflată în fereastra Wave Port. Fără a defini o nouă linie datorită liniei de integrare inițială care se setează automat și pe fiecare mod. În cadrul Project Manager se pot observa cele 4 moduri neconfigurate fig. 5.27.
Fig. 5.27. Setarea celor patru moduri.
5.3.4 CONSTRUIREA SOLUȚIEI
Componenta programului ANSYS, HFSS Solver va simula funcționarea ghidului de undă în funcție de elementele constructive ale acestuia și de performanțele lui respectiv de frecvențele pe care operează în realitate. Definirea acestor frecvențe în configurarea soluției se face în fereastra Project Manager, secțiunea Analysis, opțiunea Add Solution Setup.
În cadrul ferestrei Driven Solution Setup se introduce frecvența de 10 GHz în căsuța Frequency și se selectează unitatea de măsură corespunzătoare respectând regula de proporționalitate de 2/3 a frecvenței de operare pentru a avea rezultate optime.
Numărul de cicluri pe care le face programul în rezolvarea simulării adaptându-se în funcție de intensitatea câmpurilor frecvenței este setat la 12, acesta reprezintă o evaluare a parametrilor-S respectiv parametrii care măsoară puterea reflectată și puterea transmisă în funcție de frecvența a unei rețele electromagnetice pentru autoreglarea și optimizarea rezultatelor simulate. Pentru aceasta se completează căsuța Maximum Number of Passes cu numărul necesar. Restul setărilor rămân la valorile implicite fig. 5.28.
Fig. 5.28. Configurarea soluției.
Adăugarea caracteristicelor modurilor de propagare se face prin selectarea Analysis, Setup1, Click-Dreapta și se alege opțiunea Add Frequency Sweep fig. 5.29.
Fig. 5.29. Opțiunea de adăugare a frecvențelor de tăiere a modurilor de propagare
În fereastra Edit Frequency Sweep se alege tipul de baleiere al frecvenței respectiv alegem din căsuța Sweep Type modul Discrete iar apoi completăm tabelul de distribuție frecvenței cu frecvența de operare în Linear Step și frecvențele modurilor TM11, TE11, TE01, TE10 și TE20 în Linear Count în modul reprezentat în fig. 5.30.
Fig. 5.30 Setarea frecvențelor de baleiere.
Înainte de procesarea și simularea soluției sunt validate configurația modelelor prin funcția Validate din bara de instrumente fiind prezentate verificările aduse tuturor parametrilor programului și a obiectului folosit pentru simulare iar dacă toate sunt bifate ca fiind corespunzătoare se poate trece la simularea propriu-zisă.
Fig. 5.31. Verificarea soluției.
Procesul în care se desfășoară rezolvarea simulării de către aplicație este monitorizat în principal în Message Manager unde avem descrierea fiecărei configurări în parte iar în bara Progress ne este prezentat etapa sau funcția în care se află programul în acest proces de soluționare a caracteristicilor ghidului de undă și a undelor electromagnetice ce se propagă în interiorul acestuia în funcție de performanțe constructive pe care a fost proiectat fig. 5.32. După determinarea soluției simularea este gata să susțină funcțiile pentru care ghidul de undă real a fost proiectat.
Fig. 5.32. Ferestrele de monitorizare a procesării soluției
5.3.4 ANALIZA SIMULĂRII GHIDULUI DE UNDĂ WR-90
Analiza simulării ghidului de undă WR-90 începe prin introducerea de frecvențe în interiorul ghidului în compartimentul din interior respectiv în modelul Aer. Acest lucru se face manual de către utilizator pentru a verifica mai multe moduri, frecvențe, vectori electrici sau magnetici, manifestarea câmpului electromagnetic pe durata propagării etc. prin selectarea modelului specificat, Click-Dreapta, opțiunea Plot Field, E, Mag_E în cazul analizei magnitudinii conform fig. 5.33. sau în cazul analizei vectorilor se alege în categoria E elementul Vector_E .
Fig. 5.33. Setarea câmpului electric în ghidul de undă simulat.
Tipul soluției analizate, frecvența acesteia, forma în care este vizualizată și compartimentul în care se desfășoară reprezentarea se face în fereastra Create Field Plot selectarea căsuței Solution: , setarea Setup1 : Sweep din categoria Context, pentru a lucra pe frecvențele definite conform modurilor de propagare, alegerea unei frecvențe din acele moduri în căsuța Freq din categoria Intrinsic Variables restul setărilor rămânând la valoarea implicită. Acești pași fiind similari și în simularea vectorilor și în simularea magnitudinii.
Fig. 5.34. Setarea frecvenței câmpului electric și definirea tipului cantității.
Schimbare modurilor de propagare se face din setarea surselor, în meniu prin opțiunea HFSS, Fields, Edit Sources iar în fereastra Edit Post Process Sources modificăm în coloana Magnitude din valoarea 0 în valoarea 1 în funcție de ce port vrem să se manifeste în simulare.
fig. 5.35. Configurarea surselor.
Pentru vizualizarea grafică a parametrilor electromagnetici se accesează opțiunea Results din Project Manager, Create Modal Solution Data Report, Rectangular Plot și în fereastra Report: WR90 STUDIU DE CAZ – HFSSDesign1 – New Report – New Trace(s) se setează în categoria Trace, Gamma pentru constanta de propagare, în tabelul Function: se selectează varianta imaginară im și în secțiunea Quantity alegem cele patru configurații pentru modurile de propagare. fig. 5.36.
Pentru reprezentarea frecvențelor de tăiere în procesul de propagare pe grafic pașii sunt similari cu cei de crearea a graficului anterior schimbându-se doar categoria din Gamma în S Parameter și în secțiunea Functions: alegem db selectând cele patru moduri de propagare din secțiunea Quantity.
Fig. 5.36 Setarea graficelor pentru constanta de proapagare
Fig. 5.37. Setarea graficelor pentru frecvențele de tăiere ale modurilor de propagare
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: GHIDURILE DE UNDĂ, CARACTERISTICI GENERALE [303449] (ID: 303449)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.