• Українська
  • English
ISSN 2415-3400 (Online)
ISSN 1028-821X (Print)

Низькотемпературне дослідження втрат електромагнітної енергії в слабопоглинаючих матеріалах у діапазоні частот 110…140 ГГц

Рубрика: 
РАДІОФІЗИКА ТВЕРДОГО ТІЛА ТА ПЛАЗМИ
Деркач, ВМ, Алєксеєв, ЄА, Головащенко, РВ, Острижний, ЄМ, Мещеряков, АO, Тарапов, СІ
Organization: 

 

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України
12, вул. Акад. Проскури, Харків, 61085, Україна
E-mail: derkach@ire.kharkov.ua

Радіоастрономічний інститут НАН України
4, вул. Мистецтв, Харків, 61002, Україна
E-mail: ealekseev@rian.kharkov.ua

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна
4, м. Свободи, Харків, 61022, Україна

Харківський національний університет радіоелектроніки
14, просп. Науки, Харків, 61166, Украина

 
https://doi.org/10.15407/rej2020.03.042
Мова: українська
Анотація: 

 

Предмет і мета роботи. Предметом дослідження є спектральні та енергетичні характеристики дискових діелектричних резонаторів (ДДР) на модах шепочучої галереї (МШГ), виготовлених з діелектричних і напівпровідникових матеріалів з малими втратами мікрохвильової енергії. Дослідження проведені для зразків з матеріалів: кремній, легований золотом (Si:Au); алмаз, вирощений при осадженні з газової фази (CVD-алмаз); алмаз, отриманий з використанням дугового плазмового струменя (APJ-алмаз) і корундова кераміка на основі Al2O3. Метою роботи є визначення внесків механізмів поглинання мікрохвильової енергії в означених матеріалах на підставі температурних залежностей втрат і знаходження фізичних параметрів, відповідальних за ці механізми.

Методи і методологія роботи. Експериментальні значення величин втрат отримано за допомогою методу ДДР на МШГ з використанням кріодіелектрометра. Виконано феноменологічне моделювання для поділу внеску втрат у температурну залежність поглинання  у досліджуваних матеріалах.

Результати роботи. Представлено результати експериментального дослідження температурної залежності втрат у деяких слабопоглинаючих матеріалах на частотах 110…140 ГГц в області температур 4,2…300 К. Розглянуто особливості конструкції розробленого авторами цієї роботи програмно - керованого вимірювального блоку з можливістю заміни лампи зворотної хвилі (ЛЗХ) у діапазоні частот 34…144 ГГц для застосування у кріодіелектрометрі. Блок забезпечує програмно кероване перестроювання частоти зі спектральною роздільною здатністю близько 0,1 МГц. Визначено внески основних механізмів втрат та фізичні параметри матеріалів, відповідальних за ці механізми.

Висновок. Зареєстровано та проаналізовано температурні залежності величин втрат у слабопоглинаючих матеріалах із застосуванням розробленого вимірювального блока, який також може бути використаний як незалежне кероване джерело випромінювання та включений у систему синтезу частоти з фазовим автопідстроюванням.
Ключові слова: високоомний напівпровідник, діелектрик з малими втратами, дисковий діелектричний резонатор, кріогенні температури, міліметрові хвилі, моди шепочучої галереї, низькотемпературна діелектрометрія

Стаття надійшла до редакції 27.12.2019
УДК 537.226.8:621.372
Radiofiz. elektron. 2020, 25(3): 42-53
Повний текст (PDF)

References: 

 

  1. Gurevich V.L., Tagantsev A.K. Intrinsic dielectric loss in crystals. Adv. Phys. 1991. Vol. 40, Iss. 6. P. 719–767. DOI: 10.1080/00018739100101552.
  2. Meriakri V.V., Chigryai E.E., Nikitin I.P. Dielectric properties of some practical-use materials in the low-frequency part of the terahertz band. Proc. 2013 Int. Conf. Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL). (9–13 Sept. 2013 Sudak, Ukraine). P. 173–175. DOI: 10.1109/CAOL.2013.6657569.
  3. Garin B.M., Parshin V.V., Myasnikova S.E., Ralchenko V.G. Nature of millimeter wave losses in low loss CVD diamonds. Diamond Relat. Mater. 2003. Vol. 12, Iss. 10–11. P. 1755–1759. DOI: 10.1016/S0925-9635(03)00199-7.
  4. Raju G.G. Dielectrics in Electric Fields. 2nd ed. NY, USA: Crc Press-Taylor & Francis Group., 2017. 775 p. DOI: 10.1201/9781315373270.
  5. Raveendran A., Sebastian M.T., Raman S. Applications of microwave materials: a review. J. Electron. Mater. 2019. Vol. 48, Iss. 5. P. 2601–2634. DOI: 10.1007/s11664-019-07049-1.
  6. Thumm M. State-of-the-art of high power gyro-devices and free electron masers. Kit Scientific Reports 7750. Karlsruhe Institute of Technology KIT Scientific Publ. 2017. 183 p. URL: https://www.ksp.kit.edu/1000081551.
  7. CVD Diamond for Electronic Devices and Sensors. Ed. R.S. Sussmann. John Wiley & Sons, Ltd. Publ. 2009. 596 p. DOI:10.1002/9780470740392.
  8. Aiello G., Casal N., Gagliardi M., Goodman T., Henderson M., Meier A., Saibene G., Scherer T., Schreck S., Strauss D. Design evolution of the diamond window unit for the ITER EC H&CD upper launcher. Fusion Eng. Des. 2019. Vol. 146, Pt. A. P. 392–397. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2018.12.075.
  9. Krupka J., Derzakowski K., Tobar M., Hartnett J., Geyer R.G. Complex permittivity of some ultralow loss dielectric crystals at cryogenic temperatures. Meas. Sci. Technol. 1999. Vol. 10, Iss. 5. P. 387–392. DOI: 10.1088/0957-0233/10/5/308.
  10. Le Floch J.M., FanY., Humbert G., Shan Q.X., Ferachou D., Bara-Maillet R., Aubourg M., Hartnett J.G., Madrangeas V., Cros D., Blondy J.M., Krupka J., Tobar M.E. Invited Article: Dielectric material characterization techniques and designs of high-Q resonators for applications from micro to millimeter-waves frequencies applicable at room and cryogenic temperatures. Rev. Sci. Instrum. 2014. Vol. 85, Iss. 3. P. 031301 (13 p.). DOI: 10.1063/1.4867461.
  11. Barannik A., Cherpak N., Kirichenko A., Prokopenko Y., Vitusevich S., Yakovenko V. Whispering gallery mode resonators in microwave physics and technologies. Int. J. Microwave Wireless Technol. 2017. Vol. 9, Iss. 4. P. 781–796. DOI: 10.1017/S1759078716000787.
  12. Головащенко Р.В., Деркач В.Н., Прокопенко Ю.В., Смирнова Т.А., Тарапов С.И., Филиппов Ю.Ф. О колебаниях в дисковых диэлектрических резонаторах. Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2006. Т. 11, № 3. C. 360–365.
  13. Kirichenko A.Ya., Kogut A.Ye., Kutuzov V.V., Maksimchuk I.G., Nosatyuk S.O. Cavity method for determination of dielectric characteristics of fine granular materials in 8-mm range of wavelengths. 2010 20th Int. Crimean Conf. "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo’2010): proc. (13–17 Sept. 2010, Sevastopol, Ukraine). Sevastopol: IEEE. P. 1012–1013. DOI: 10.1109/CRMICO.2010.5632775.
  14. Головащенко Р.В., Деркач В.Н., Тарапов С.И. Микроволновые потери в слабопоглощающих алмазоподобных материалах при 1 К < T < 300 К. Феноменологическое моделирование. Радиофизика и электроника. 2015. Т. 6(20), № 4. С. 31–38. DOI: https://doi.org/10.15407/rej2015.04.031.
  15. Parshin V.V., Serov E.A., Bubnov G.M., Vdovin V.F., Koshelev M.A., Tretyakov M.Y. Cryogenic resonator complex. Radiophys. Quantum Electron. 2014. Vol. 56, Iss. 8–9. P. 554–560. DOI: 10.1007/s11141-014-9458-0.
  16. Garin B.M., Lower loss limits at millimeter and terahertz ranges. Infrared and Millimeter Waves, Conf. Digest of the 2004 Joint 29th Int. Conf on 2004 and 12th Int. Conf. on Terahertz Electronics, 2004 (Williamsburg, USA, 27 Sept.–1 Oct. 2004). Williamsburg, IEEE. P. 393–394. DOI: 10.1109/ICIMW.2004.1422127.
  17. Garin B.M., Parshin V.V., Serov E.A., Jia C.C., Tang W.Z., Lu F.X. Electromagnetic properties at millimeter wavelength range of diamond films grown by DC arc plasma jet technique. Proc. PIERS 2011 Suzhou: Progress in Electromagnetics Research Symposium. 2011. P. 455–457. URL: http://piers.org/pierspublications/PIERS2011SuzhouProceedings02.pdf
  18. Garin B.M., Polyakov V.I., Rukovishnikov A.I., Khomich A.V., Parshin V.V., Serov E.A., Jia C.C., Lu F.X., Tang W.Z. Dielectric loss at millimeter range and temperatures 300–950 K, and electrophysical properties in diamonds grown by the Arc Plasma Jet Technology. [pdf]. Proc. PIERS 2014 Guangzhou. China, 25–28 August 2014. P. 2096–2099. URL: http://piers.org/pierspublications/PIERS2014GuangzhouProceedings03.pdf
  19. Andreev B.A., Kotereva T.V., Parshin V.V., Shmaginn V.B. Silicon with extremely low millimeter-wave dielectric loss. Inorg. Mater. 1997. Vol. 33, No. 11. P. 1100–1102.
  20. Sebastian M.T., Krupka J., Arun S., Kim C.H., Kim H.T. Polypropylene-high resistivity silicon composite for high frequency applications. Mater. Lett. 2018. Vol. 232. P. 92–94. doi: 10.1016/j.matlet.2018.08.093.
  21. Krupka J., Mouneyrac D., Hartnett J.G., Tobar M.E. Use of whispering-gallery modes and quasi-TE0np modes for broadband characterization of bulk gallium arsenide and gallium phosphide samples. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2008. Vol. 56, Iss. 5. pp. 1201–1206. DOI: 10.1109/TMTT.2008.921652.
  22. Шкловский Б.И. Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979. 416 c.
  23. Sebastian M.T., Ubic R., Jantunen H. Low-loss dielectric ceramic materials and their properties. Int. Mater. Rev. 2015. Vol. 60, Iss. 7. P. 392–412. DOI: 10.1179/1743280415Y.0000000007
  24. Satoh D., Shibuya T., Ogawa H., Tanaka M., Kuroda R., Moric S., Yoshidac M., Toyokawa H. Power efficiency enhancement of dielectric assist accelerating structure. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2019. Vol. 459. P. 148–152. DOI: 10.1016/j.nimb.2019.09.006.
  25. Breeze J. Temperature and Frequency Dependence of Complex Permittivity in Metal Oxide Dielectrics: Theory, Modelling and Measurement. Springer, 2016. 167 p. DOI: 10.1007/978-3-319-44547-2.
  26. Derkach V.N., Golovashchenko R.V., Nedukh S.V., Plevako A.S., Tarapov S.I. Measurement of loss tangent of dielectric and semiconductor materials at millimeter waves and temperatures 0.9–300 K. Digest Joint 30th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves & 13th Int. Conf. Terahertz Electronics (IRMMW-THz 2005). (19–23 Sept. 2005, Williamsburg, USA). 2005. P. 192–193. DOI: 10.1109/ICIMW.2005.1572473.
  27. Barannik A.A., Prokopenko Y.V., Filipov Y.F., Cherpak N.T., Korotash I.V. Q-factor of a millimeter-wave sapphire disk resonator with conductive end plates. Tech. Phys. 2003. Vol. 48, Iss. 5. P. 621–625. DOI: 10.1134/1.1576479.
  28. Krupka J. Precise measurements of the complex permittivity of dielectric materials at microwave frequencies. Mater. Chem. Phys. 2003. Vol. 79, Iss. 2–3. P. 195–198. DOI: 10.1016/S0254-0584(02)00257-2.
  29. Krupka J., Hartnett J.G., Piersa M. Permittivity and microwave absorption of semi-insulating InP at microwave frequencies. Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 98, Iss. 11. P. 112112 (3 p.). DOI: 10.1063/1.3570689.
  30. Добромыслов В.С., Кузнецов А.П. Расчет лейкосапфировых резонаторов с азимутальными колебаниями. Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1987. № 6(400). С. 21–23.
  31. Головащенко Р.В. Система возбуждения дискового диэлектрического резонатора в криодиэлектрометре. Радиофизика и электроника. 2010. Т. 15, № 2. С. 27–31.
  32. Derkach V.N., Golovashchenko R.V., Goroshko O.V., Varavin A.V., Plevako A.S. Hardware and software complex for MM-wave spectroscopic research. 2006 16th Int. Crimean Conf. "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo’2006). (11–15 Sept. 2006, Sevastopol, Ukraine): proc. Sevastopol: IEEE. P. 817–818. DOI: 10.1109/CRMICO.2006.256215.
  33. Derkach V.N., Golovashchenko R.V., Ostryzhnyi Y.M., Plevako A.S., Tarapov S.I., Alekseev E.A. Dielectric losses of high-resistivity semiconductor materials in EHF-band at cryogenic temperatures. 2016 9th Int. Kharkiv Symp. "Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves" (MSMW’2016): proc. (20–24 June 2016, Kharkiv, Ukraine). Kharkiv: IEEE. DOI: 10.1109/MSMW.2016.7538082.
  34. Golovashchenko R.V., Plevako A.S., Ostryzhnyi Y.M., Derkach V.N., Meshcheryakov A.A., Alekseev E.A. High-resolution computer-controlled oscillator of 2-mm wave-range for the low temperature dielectrometer. Ibid. Kharkiv: IEEE. DOI: 10.1109/MSMW.2016.7538102.
  35. Experimental complex – National treasure of Ukraine, 2005. URL: http://www.ire.kharkov.ua/en/national-treasure.html.
  36. Головащенко Р.В., Деркач В.Н., Заец Н.К., Корж В.Г., Плевако А.С., Тарапов С.И. Контроль и стабилизация температуры (0,8÷300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот. Радиофизика и электроника, 2013, Т. 4(18), № 4. С. 92–98.
  37. Golovashchenko R.V., Zaetz N.K., Ostryzhnyi Y.M., Plevako A.S., Derkach V.N. Precision temperature measurement unit for the low temperature dielectrometer. 2016 9th Int. Kharkiv Symp. "Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves" (MSMW’2016): proc. (20–24 June 2016, Kharkiv, Ukraine). Kharkiv: IEEE. DOI: 10.1109/MSMW.2016.7538104.
  38. Алексеев Е.А., Мотиенко Р.А., Маргулес Л. Спектрометры миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на основе синтезаторов прямого цифрового синтеза. Радиофизика и радиоастрономия. 2011. Т. 16, № 3. С. 313–327. URL: http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/437
  39. Petkie D.T., Goyette T.M., Bettens R.P.A., Belov S.P., Albert S., Helminger P., De Lucia F.C., A fast scan submillimeter spectroscopic technique. Rev. Sci. Instrum. 1997. Vol. 68, Iss. 4. P. 1675–1683. DOI: 10.1063/1.1147970.
  40. Lewen F., Gendriesch R., Pak I., Paveliev D.G., Hepp M., Schieder R., Winnewisser G. Phase locked backward wave oscillator pulsed beam spectrometer in the submillimeter wave range. Rev. Sci. Instrum.. 1998. Vol. 69, Iss. 1. P. 32–39. DOI: 10.1063/1.1148475.
  41. Microconverter 12-bit ADCs and DACs with embedded high speed 62 kB flash MCU, ADuC841/ADuC842/ADuC843, Data Sheet. URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADUC8...
  42. Molla J., Vila R., Heidinger R., Ibarra A. Radiation effects on dielectric losses of Au-doped silicon. J. Nucl. Mater. 1998. Vol. 258–263. P. 1884–1888. DOI: 10.1016/S0022-3115(98)00131-7.
  43. Le Floch J.-M., Bara R., Hartnett J.G., Tobar M.E., Mouneyrac D., Passerieux D., Cros D., Krupka J., Goy P., Caroopen S. Electromagnetic properties of polycrystalline diamond from 35 K to room temperature and microwave to terahertz frequencies. J. Appl. Phys. 2011. Vol. 109, Iss. 9. P. 094103 (6 p.). DOI: 10.1063/1.3580903.