РП01.468823.001 ПЗ 17-18.06.2014 final

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№ дубл

Подп. и дата

Инв.№ подл. Подп. и дата Взам. инв. № Инв.№ дубл

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

ВСТУП

Бездротові технології — інформаційні технологій, призначені для бездротової передачі інформації між двома й більше об’єктами. Для передачі інформації може використовуватися інфрачервоне випромінювання, радіохвилі,

оптичне або лазерне випромінювання. На сьогодні існує безліч бездротових технологій, відомих користувачам по їхніх маркетингових назвах, таким як

Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth та інші. Кожна технологія має певні характеристики,

які визначають її область застосування.

Установка бездротової мережі рекомендується там, де розгортання кабельної системи було неможливо або економічно недоцільно. Нині в багатьох організаціях використовується Wi-Fi, оскільки при визначених умовах швидкість роботи мережі вже перевищує 100 Мбіт/с. Користувачі можуть переміщатись між точками доступу по території покриття мережі Wi-Fi.

Важливу роль відіграє зручність бездротового підключення.

Мобільні пристрої, оснащені клієнтськими Wi-Fi прийомально-

передавальними пристроями, можуть підключатися до локальної мережі і отримувати доступ в Інтернет через точки доступу (hotspot).

Невелика ширина використовуваного спектра частот, відсутність можливостей роумінгу і авторизації не дозволяють Wi-Fi пристроям потіснити на ринку мобільний зв'язок.

Частотний діапазон і експлуатаційні обмеження в різних країнах неоднакові. У багатьох європейських країнах дозволено два додаткові канали які заборонені в США. У Японії є ще один канал у верхній частці діапазону, а

інші країни, наприклад Іспанія, забороняють використання низькочастотних каналів.

Таким чином, актуальною є задача створення смугового фільтра з електромагнітними кристалічними неоднорідностями.

В останні роки розвивається науковий напрям з розробки і дослідження кристалоподібних структур (КС) та пристроїв на їх основі. Роботи в цьому

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

напрямі базуються на попередніх науково-технічних роботах Мікросмужкові частотно-вибірні пристрої мають широке застосування в радіотехнічних системах різного призначення. Значного розвитку набули телекомунікаційні технології у Wi-Fi діапазоні (2,4–2,83 ГГц). Для таких систем необхідні високоефективні пристрої нового покоління. Розвиток фотонних кристалів

(ФК) привів до появи мікросмужкових електромагнітних кристалів (ЕК)

радіодіапазону. ФК і ЕК — кристалоподібні структури (КС), утворені періодично розміщеними неоднорідностями. У КС пропускання хвиль обумовлене резонансним проходженням в дозволених зонах і тунелюванням в заборонених. Ці ефекти забезпечують гранично можливий діапазон керування хвилями: від повного пропускання до майже повного непропускання.

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

1 КРИСТАЛОПОДІБНІ СТРУКТУРИ

1.1 Особливості кристалоподібних структур

1.1.1 Загальна характеристика

Кристалоподібні структури мають унікальні спектральні характеристики.

Ці структури складають основу нових різноманітних пристроїв обробки сигналів. Традиційне моделювання кристалів і кристалоподібних структур зводиться до вирішення хвильового рівняння з періодичними граничними умовами і засновано на теоремі Блоха. Моделювання КС на основі концепції імпедансу дозволяє отримати нові результати, узагальнюючі хвильові властивості різних структур.

Штучні періодичні КС, аналогічні природним кристалам, становлять основу нових інтегральних пристроїв обробки сигналів. До KC відносять напівпровідникові надграти, фотонні та фононні кристали. Базовий ефект нанодіапазону, що лежить в основі функціонування наноелектронних пристроїв

— тунелювання електронів. Використання тунелювання електромагнітних та інших хвиль дозволить значно підвищити ефективність та розширити функціональні можливості пристроїв обробки сигналів [1].

1.1.2 Резонансно-тунельні кристалоподібні структури

Симетричний двобар'єрний потенціал є базовим для конструкцій наноелектронних пристроїв, а також для розуміння фізико-технічних принципів наноелектроніки. У структурах з таким потенціалом спостерігається незвичайне явище — резонансне тунелювання електронів (РТЕ), при якому коефіцієнт проходження дорівнює одиниці [2].

Взапропоновано симетричний однобар’єрний потенціал з PTE.

Використання цього потенціалу розширює можливості наноелектронних пристроїв. Ідея селективних пристроїв на основі однобар’єрних структур така.

Смуга пропускання відповідає PTE. Коефіцієнт проходження на резонансній

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

частоті дорівнює одиниці. Поза смугою пропускання тунельний бар’єр має надзвичайно низьку прозорість, що забезпечує значне загасання сигналу.

Однобар’єрні KC дозволяють сформувати вузькі дозволені зони, які відповідають високовибірним характеристикам пропускання.

Для моделювання резонансно-тунельних однобар’єрних KC

скористаємося концепцією імпедансу. Імпеданс характеризує силу реакції середовища на хвильове збурення. Концепція імпедансу лежить в основі моделі неоднорідної лінії передачі, яка дозволяє моделювати хвильові структури, у

тому числі KC різної природи і розмірності. Квантово-механічний імпеданс Z

визначається формулою:

Z 22(E - V ) / m,

де E і V — кінетична і потенціальна енергія електрона; m — ефективна маса електрона. При тунелюванні E<V і імпеданс уявний.

1.1.3 Симетричні однобар’єрні кристалоподібні структури

Резонансне тунелювання хвиль, як і резонансне проходження,

обумовлене повною компенсацією відбитих хвиль в результаті формування власного компенсуючого джерела хвилі — резонансної області зі стоячою хвилею. На рис. 1.1 зображено симетричний однобар’єрний потенціал і еквівалентну лінію передачі. Резонансна область утворена потенціальною ямою

(рис. 1.1а) або потенціальним бар’єром меншої висоти (рис. 1.1б). В результаті отримаємо тришарові РТР-структури, де P і T відповідають резонансним і тунельним шарам. Для спрощення викладок імпеданси шарів пронормовані до імпедансу зовнішнього середовища.

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

структури на порядок перевищує вибірність резонатора Фабрі-Перо: мінімум коефіцієнта проходження дорівнює 0,2 для резонатора і 0,03/0,015 в області нижніх/верхніх частот для РТР-структури.

Рисунок 1.2 — Частотні залежності коефіцієнтів проходження:

1 — РТР-структури, 2 — резонатора Фабрі-Перо, 3 — Т-бар’єра.

T-області відповідає KC в режимі забороненої зони. На рис. 1.3 приведені характеристики, що ілюструють вибірність РТР-структури з такою T- областю.

Р-область утворена шаром з відносним імпедансом Z=10, KC —

чвертьхвильовими шарами, що чергуються, з відносними імпедансами Z1 =5 і Z=10. Вибірність РТР-структури істотно перевищує вибірність T- області — KC

при виконанні її з внутрішньою резонансною порожниною: мінімум коефіцієнта проходження дорівнює 0,33 для KC і 0,06/0,03 для РТР-структур

1/2. Для KC Z / Z1 2 , імпеданс зовнішнього середовища дорівнює Z.

Залежність 2 ілюструє можливість формування характеристики з заданою смугою пропускання вибором розмірів Р-областей.

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

Рисунок 1.3 — Частотні залежності коефіцієнта проходження:1 і 2 —

РТР-структури, 3 — KC з внутрішньою напівхвильовою резонансною порожниною. Кількість чвертьхвильових шарів KC N=5, â=0,5 і â=4

(2).

1.1.4 Несиметричні однобар`єрні кристалоподібні структури

Внаслідок симетрії однобар’єрних KC, як і традиційних структур з внутрішньою резонансною порожниною, формується набір близько розташованих резонансних частот. В багатьох випадках необхідне широкосмугове подавлення сигналів. Формування дозволених зон KC, які відповідають смугам пропускання, обумовлене протифазною інтерференцією хвиль, відбитих елементами KC. Уведення в KC асиметрії, при якій ці умови виконуються в основній зоні і порушуються в додаткових, дозволить сформувати лише основну зону. Характеристика пропускання буде односмуговою.

На рис. 1.4 приведені різні варіанти несиметричних РТ-структур.

Позначимо їх відповідно РТа–РТг. PTa — потенціальна структура для електронів. РТб-РТг — структури фотонних і фононних кристалів, а також надграт в режимі надбар’єрного проходження електронів. Варіанти P-областей:

а — потенціальна яма або бар’єр (позначений штриховою лінією) в режимі надбар’єрного проходження; б — чвертьхвильовий шар; в — два