SELECTIVE PROPERTIES OF SEMICONDUCTOR PLASMA INHOMOGENEOUS LAYER

Abstract


From the perspective of modern physics semiconductors represent the plasma, fully ionizer zed, but on average, electrically neutral gas. Semiconductor plasma has a number of specific ski features compared with gaseous plasma. First of all, the possibility of existence at very low temperatures down to absolute zero and a high concentration of particles. Moreover, this electrodynamic environment has properties of high-pass filter. In this paper, based on the trim account of the differential equation for the reflection coefficient was able to obtain the frequency characteristics of attenuation for inhomogeneous plasma layers at different angles of incidence of the electromagnetic wave. The problem for the homogeneous layer at various angles of incidence of the wave, as well as for the parabolic and linear layers with different angle of incidence of the polarized wave. The analysis of the frequency characteristics of attenuation in the passband, and lane keeping. It is shown that the design of microwave filters range it is best to use a frequency characteristic of the attenuation introduced by the semiconductor layer of plasma with a parabolic profile of the electron concentration. This characteristic has a large slew rate, transition region, compared with a linear profile, and less attenuation in the passband, compared with a uniform profile

Full Text

За последние годы резко возросли уровень и объем требований, предъявляемых к частотным характеристикам устройств, в которых используется диапазон сверхвысоких частот (радиорелейные линии, радиолокаторы, радиотелескопы и др.) [1-4]. Так как по длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз [5]. В то же время СВЧ-излучение сходно с радиоизлучением вещательных диапазонов в том отношении, что оно генерируется аналогичными методами. К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн [6], и его можно использовать как средство связи, основываясь на тех же принципах. Но благодаря более высоким частотам оно дает более широкие возможности передачи информации, что позволяет повысить эффективность связи. В настоящее время направляющая система, помимо собственно фидера (волновода, коаксиальной линии и т.п.), включает большое число различных фидерных устройств: фильтрующих, согласующих, ответвляющих, суммирующих и других [7]. Фильтры - это основной элемент многих радиотехнических устройств. Они используются для разделения или сложения сигналов разных частот в многоканальных системах связи или в узлах радиотехнических устройств. Спектр электромагнитных колебаний ограничен, и его отдельные участки необходимо отделить один от другого; фильтры используются для того, чтобы излучения радиопередатчиков были ограничены заданными пределами спектра; и наоборот, другие фильтры используются для защиты приемников от помех, расположенных вне их рабочей полосы частот. Частотные характеристики фильтров должны удовлетворять жестким требованиям; соответствующий этим требованиям расчет систем называют синтезом. В настоящей работе численными методами исследуются частотные зависимости ослабления электромагнитной волны, падающей на неоднородный слой полупроводниковой плазмы под произвольным углом [8]. Показано, что полупроводниковый слой плазмы ведет себя подобно фильтру верхних частот. Взаимодействие электромагнитной волны с неоднородным слоем плазмы Рассмотрим неоднородный слой полупроводниковой плазмы, расположенный в координатных плоскостях декартовой системы координат. Рис. 1. Наклонное падение для волны с Е-поляризацией В качестве примера приведем геометрию задачи падения на границу слоя под углом плоской электромагнитной волны Е-поляризации. Пространственные зависимости напряженностей магнитного и электрического полей можно описать следующей нормированной системой уравнений Максвелла. (1) где: - нормированная частота; - нормированная напряженность электрического поля; - нормированная напряженность магнитного поля; - нормированная координата; - импеданс вакуума; - комплексная амплитуда напряженности электрического поля. Исходя из условий непрерывности тангенциальных составляющих полей, представим следующие граничные условия, записанные в нормированном виде. (2) где - комплексный коэффициент отражения, - комплексный коэффициент прохождения. В уравнениях Максвелла (1) фигурирует такая величина, как комплексная диэлектрическая проницаемость плазмы. , (3) где - нормированная плазменная частота, - эффективная частота столкновений. Приведенные уравнения Максвелла (1) и граничные условия (2) составляют так называемую двухточечную граничную задачу. Применяя метод дифференциальной прогонки, удалось свести такую задачу к задаче Коши с начальными условиями. Более того, было получено дифференциальное уравнение, позволяющее определить коэффициент отражения в произвольной плоскости слоя. Представим явный вид дифференциального уравнения, позволяющего рассчитать коэффициент отражения. . (4) Следует отметить, что данное дифференциальное уравнение является нелинейным с переменными коэффициентами, поэтому пригодно только для численного решения. Таким образом, рассчитав зависимость коэффициента отражения от частоты, мы можем определить частотную характеристику ослабления, которое вносится слоем полупроводниковой плазмы: . (5) Численные результаты и выводы На рис. 2 представлен график частотных характеристик ослабления для однородного профиля электронной концентрации полупроводниковой плазмы при различных углах падения волны Е-поляризации. Рис. 2. Частотные характеристики ослабления для однородного профиля электронной концентрации полупроводниковой плазмы Кривая 1 соответствует случаю нормального падения; кривая 2 - падению волны под углом 45°; кривая 3 - падению под углом 60°. При этом нормированная плазменная частота представляет собой максимальную плазменную частоту электронного газа. На рис. 3 и рис. 4 представлены графики частотных характеристик ослабления для линейного и параболического профилей при тех же значениях угла падения. Нормированная плазменная частота, соответствующая линейному профилю определяется соотношением вида: . (6) Нормированная плазменная частота, соответствующая параболическому профилю определяется соотношением вида: . (7) Рис. 3. Частотные характеристики ослабления линейного профиля Рис. 4. Частотные характеристики ослабления параболического профиля Рис. 5. Частотные характеристики ослабления при нормальном падении волны Рис. 6. Частотные характеристики ослабления при угле падения 45° Рис. 7. Частотные характеристики ослабления при угле падения 60° Во всех расчетах нормированная эффективная частота столкновений . На рис. 5 изображены частотные характеристики ослабления однородного (кривая 1), линейного (кривая 2) и параболического (кривая 3) профилей при нормальном падении волны. На рис. 6 и рис. 7 представлены характеристики ослабления однородного (кривая 1), линейного (кривая 2) и параболического (кривая 3) профилей при углах падения 45° и 60° соответственно. Анализ полученных результатов показывает, что при изменении угла падения волны происходит смещение характеристик ослабления в частотной области, что делает возможным изменять положение полосы пропускания и задерживания фильтра. В полосе задерживания ослабление, вносимое однородным слоем плазмы больше, чем ослабление, вносимое неоднородным слоем. Однако в полосе пропускания ослабление, вносимое однородным слоем, носит неравномерный характер и значительно превышает ослабление, вносимое неоднородным слоем. В переходной области фильтра наилучшую крутизну ослабления имеет однородный и параболический слои плазмы. Из всего можно сделать вывод, что при проектировании фильтров СВЧ-диапазона лучше всего воспользоваться частотной характеристикой ослабления, вносимого полупроводниковым слоем плазмы с параболическим профилем электронной концентрации. Именно эта характеристика имеет большую крутизну нарастания в переходной области, по сравнению с линейным профилем, и меньшее ослабление в полосе пропускания, по сравнению с однородным профилем. Данные частотной зависимости модулей коэффициентов отражения можно использовать в экспериментах по электромагнитной диагностике плазмы, в частности, при исследовании степени ее неоднородности. Так же, полученные результаты, будут полезны при проектировании более сложных систем связи, предназначенных для фильтрации электромагнитного излучения СВЧ диапазона. Устройства такого типа найдут применение в системах высокоскоростной связи на близком расстоянии, в системах обеспечения безопасности, исследовании космоса.

About the authors

Dmitrii Nikolaevich Panin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: pdntec@mail.ru

Ludmila Vladimirovna Adamovich

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: lva9@yandex.ru

References

  1. Неганов В.А., Осипов О.В., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 2005. - 648 с.
  2. Бочкарева Т.С., Неганов В.А., Осипов О.В., Соболев В.А. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 2003. - 324 с.
  3. Неганов В.А., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Линейная макроскопическая электродинамика. Т. 1. М.: Радио и связь, 2000. - 509 с.
  4. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. М.: Наука, 1979. - 383 с
  5. Кугушев А.М., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники. Линейные электромагнитные процессы. М.: Энергия, 1969. - 879 с.
  6. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. - 684 с.
  7. Зайцев В.В., Панин Д.Н., Яровой Г.П. Компьютерный синтез плавных согласующих переходов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. Т.5, №2, 2002. - С. 59.
  8. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 2000. - 559 с.

Statistics

Views

Abstract - 17

PDF (Russian) - 5

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

Copyright (c) 2015 Panin D.N., Adamovich L.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies