ТОЧНАЯ ВЗАИМНАЯ ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ О БОЛОМЕТРЕ В СВЕРХРАЗМЕРНОМ ВОЛНОВОДЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПРИЕМНЫХ СИСТЕМ В ПЕРЕДАЮЩЕЙ МОДЕ

January 31, 2013 by admin Комментировать »

Юрченко В. Б.^’, Юрченко Э.

Национальный университет Ирландии, Мэйнут, Ирландия тел.: +353-1-708-3746, e-mail: v.yurchenko@nuim.ie Институт радиофизики и электроники Национальной академии наук Украины ул. Академика Проскуры, 12, г. Харьков, 61085, Украина тел.: +38-0577-203371, e-mail: yurchenk@ire.ire.khrakov.ua

Аннотация – Предложена точная взаимная формулировка для расчета многомодовых квазиоптических боло- метричес-ких систем в передающей моде. Она учитывает многомодо-вое распространение волн в сверхразмерных волноводах и особенно полезна для систем с болометрами, встроенными в сложные структуры, изменяющие работу болометров и требующие самосогласованного расчета системы с учетом взаимодействия всех ее компонент. Формулировка, в част-ности, открывает возможность точного расчета приемных угловых диаграмм направленности сложных систем эффек-тивным образом, пользуясь сравнительно простым модели-рованием этих систем в передающей моде.

I.                                       Введение

Болометры являются одними из лучших детекторов излучений для широкополосных приемных систем в инфракрасной и субмиллиметровой области спектра [1]. Точное моделирование таких систем (например, вычисление их угловой диаграммы направленности, формируемой оптической подсистемой) требует самосогласованного расчета работы детектора в составе всей системы. Между тем, расчет оптической (квазиоптической) части системы обычно ведется в передающей моде, поскольку в приемной моде по вычислительным причинам он практически невозможен. В связи с этим, оказывается необходимым точное эквивалентное описание болометрического детектора в передающей моде с учетом особенностей его фактического вкпючения в данную приемную систему.

Точная взаимная формулировка для описания болометрического детектора в передающей моде была найдена нами ранее на примере одномерной модели тонкопленочного (сеточного) болометра, помещенного в резонаторной полости, образованной металлической стенкой и диэлектрическим окном [2, 3]. В данной работе, мы приводим обобщение этой формулировки на случай, когда болометрическая структура находится в многомодовом волноводе, что ТИПИЧНО для широкополосных систем, когда много мод могут распространяться одновременно, по- разному поглощаясь или излучаясь детектором (для простоты формулировок, рассматривается пример двумерного плоско-параллельного волновода).

II.                               Основная часть

Общий подход к построению точной взаимной формулировки задачи о работе болометра в передающей моде описан в работах [2, 3]. Он состоит из двух необходимых пунктов. Один из этих пунктов указывает, какие волны и с какими амплитудами и фазами должны испускаться с каждой поверхности болометра для его эквивалентного описания в передающей моде. Второй пункт определяет, как должны быть модифицированы соответствующие электродинамические параметры болометрического элемента (например, эффективные слоевые проводимости болометрической пленки в модели [2, 3]) в том, что касается взаимодействия болометра с волной в передающей моде.

В работах [2, 3] показано, что при некотором естественном выборе ответов на зти вопросы достигается точное воспроизведение всех параметрических зависимостей мощности, поглощаемой болометром в приемной моде, если выполнить расчет мощности, излучаемой структурой в свободное пространство в ее эквивалентной передающей моде.

В случае болометра, расположенного в многомодовом волноводе, модовая структура поля приводит к соответствующей модификации правил, по которым строится точная взаимная формулировка задачи в каждом из указанных выше двух пунктов.

В первом пункте, амплитуды волн, испускаемых болометром, модифицируются для каждой из волноводных мод по-разному, с учетом того, какова константа распространения соответствующей моды в данном волоноводе. Во втором пункте, эффективные слоевые параметры болометрической пленки, эквивалентные сеточной структуре, тоже специальным образом модифицируются для каждой волноводной моды, аналогично учитывая параметры распространения ЭТОЙ моды.

В результате таких изменений, для детектроной структуры в многомодовом волноводе тоже достигается точное воспроизведение всех параметрических зависимостей полной мощности, поглощаемой болометрической структурой в приемной моде или же излучаемой из нее в передающей моде.

В качестве примера, на рис.1 темной кривой показана частотная зависимость полного потока мощности, поглощаемой (излучаемой) структурой типа [2, 3] в двумерном плоско-параллельном волноводе в многомодовом режиме (а), и аналогичная зависимость для одной основной моды (б). Для сравнения, светлая кривая показывает мощность, проходящую через диэлектрическое окно в таком волноводе без болометра и металлической стенки (тонкая линия показывает падающую мощность). Структура оптимизирована для работы на частоте 100 ГГц без волновода.

III.                                   Заключение

Использование указанного выше эквивалентного взаимного описания приемных систем делает возможным точное вычисление приемных угловых диаграмм направленности весьма сложных многомодовых квазиоптических систем на основе сверхширокополосных болометрических детекторных структур путем расчета их работы в передающей моде без использования каких-либо искусственных и недос- та-точно обоснованных предположений и приближений.

Такой способ расчета особенно важен для систем с болометрами, встроенными в сложные структуры типа интегрирующей полости, сильно влияющие на работу болометров, придавая системе специальные частотные, поляризационные и другие свойства, которые требуют полного моделирования системы как единого целого с учетом взаимодействия всех ее компонент.

Рис. 1. Мощность, поглощаемая или излучаемая

структурой типа [2, 3] в многомодовом волноводе

Fig. 1. Power absorbed or emitted by the structure of the l<ind [2, 3] in a muiti-mode waveguide

IV.                            Список литературы

[1]   Turner A. D., BockJ. J., Beeman J. \N., Glenn J. etal. Silicon nitride micromesh bolometer array for submillimeter astrophysics. Appl. Optics, 2001, 40, p. 4921 -4932.

[2]   Yurchenko E., Yurchenko V. Reciprocity in the modeling of bolometric detectors in transmitting mode. – In: The 28th ESA Antenna Workshop on Space Antenna Systems and Technologies, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 31 May

–      3 June, 2005. – ESA Publ. Division, Pt. 2, p. 879-886.

[3]   Yurchenko V. B., Yurchenko E. V. Reciprocity in simulations of bolometric detectors in transmitting mode. Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 2006 (accepted).

EXACT RECIPROCAL FORMULATION FOR RIGOROUS MODELING OF BROADBAND WAVEGUIDE BOLOMETRIC SYSTEMS IN TRANSMITTING MODE

Yurchenko V. B. Yurchenko E.V.

Nationai University of Ireland, Maynooth, Ireland Ph: 353-1-7083746, e-mail: v.yurchenko@nuim.ie ^4nstitute of Radiophysics and Electronics, NASU,

12 Proskura St., Kharkov – 61085, Ukraine Ph: 380-577-203371,e-mail:yurchenk@ire.ire.kharkov.ua

Abstract – Exact reciprocal formulation is proposed for the rigorous modeling of bolometric systems in transmitting mode, including the case of a bolometric detector in multi-mode waveguide. The formulation provides an exact reversal of the bolometer operation from the actual receiving mode to the effective transmitting mode so that all the parametric dependencies of power absorbed in receiving mode are reproduced identically by the power radiated in transmitting mode.

I.                                         Introduction

Accurate modeling of bolometric detector systems (angular sensitivity pattern simulations etc) requires the detector to be a part ofthe entire simulation process. Meanwhile, simulation of (quasi-) optical parts of the systems (mirrors, horns, etc) down to the detector in receiving mode (Rx) is not feasible. Instead, transmitting mode (Tx) is used in these cases that requires an equivalent Tx representation ofthe detector taking into account its actual coupling to the optical parts.

By considering some analytically solvable models based on very promising micromesh bolometer design [1], we find a reciprocal formulation of the problem providing an exact equivalence in replacing the receiver by an appropriate transmitter as needed for the rigorous modeling of bolometric systems, including the case of broadband detectors operation in multi- mode waveguide structures.

In this way, we can rigorously compute angular sensitivity patterns of rather complicated systems by simulating them in a relatively simple manner in conventional Tx mode.

II.                                        Main Part

An equivalent transmitting mode formulation for a simplified 1D model of a resonant bolometric detector was found earlier that showed a possibility of an exact reversal of receiving and transmitting operation modes for incoherent bolometric systems [2, 3].

In this work, we extend the approach for the case of bolometer confined in a multi-mode waveguide structure where a certain number of modes could propagate simultaneously, each mode being characterized by a different dispersion law (in other words, a parallel-plate waveguide is used for basic derivations).

Spatial confinement of the bolometer in multi-mode waveguide structure results in certain modifications of (a) the effective electric and magnetic sheet resistances of the bolometer film as compared to the values used in [2, 3] (the sheet parameters depend on the waveguide mode) and (b) the values ofthe ТЕ, TM mode amplitudes to be radiated by the bolometer in equivalent transmitting mode (they also depend on the waveguide modes in a special manner).

Some examples of our simulations illustrating the approach are shown in Fig. 1.

III.                                       Conclusion

By considering simple, analytically solvable models that simulate thin-film (micromesh) bolometric detectors surrounded by resonant structures and placed in a multi-mode parallel-plate waveguide, we find a procedure for constructing a reciprocal formulation providing the necessary equivalence in replacing the receiver by an appropriate transmitter as needed for the rigorous simulations of infrared and submillimetre-wave bolometric systems.

The procedure provides an exact reversal of the bolometer operation from the actual receiving mode to the effective transmitting mode so that all the parametric dependencies of the power absorbed in receiving mode are reproduced identically by the power radiated in the equivalent transmitting mode, including the distribution of power over propagating modes in the case of broadband operation of the detector in multi-mode waveguide structure.

The reciprocity of this kind allows one to compute, among other properties, accurate angular sensitivity patterns of complicated broadband multi-mode quasi-optical detector systems by considering much simpler simulation problem of modeling these systems in equivalent transmitting mode.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты