MODELLING OF RESISTIVE SENSOR FOR HIGH POWER MICROWAVE PULSE MEASUREMENT OF TE₁₁ MODE IN CIRCULAR WAVEGUIDE
Ž. Kancleris^a,b, G. Šlekas^a, V. Tamošiūnas^a,b, M. Tamošiūnienė^a, and M. Dagys^a
aMicrowave Laboratory, Semiconductor Physics Institute, Center for Physical Sciences and Technology, A. Goštauto 11, LT-01108 Vilnius, Lithuania
E-mail: kancleris@pfi.lt
^bFaculty of Physics, Vilnius University, Saulėtekio 9, LT-10222 Vilnius, Lithuania

Received 22 March 2010; revised 1 June 2010; accepted 17 June 2010

Interaction of a semiconductor plate with TE₁₁ wave in a circular waveguide has been analysed for the purpose of optimizing a frequency response of a resistive sensor (RS). The performance of the RS is based on the electron heating effect and it is devoted to high power microwave pulse measurement. The semiconductor plate with contacts on its sidewalls serves as sensing element (SE) of the RS. A three-dimensional finite-difference time-domain method (FDTD) was applied to simulate wave propagation within a circular waveguide segment with the SE which is placed on a wall of the circular waveguide. The electric field distribution, voltage standing wave ratio (VSWR), and the average electric field dependences on frequency have been determined for several sets of dimensions and specific resistances of the SE. The parameters of the optimal SE were found.

Keywords: electromagnetic wave, circular waveguide, mode TE₁₁, semiconductor obstacle, resistive sensor

DIDELĖS GALIOS MIKROBANGŲ IMPULSŲ, SKLINDANČIŲ TE₁₁ MODA APSKRITUOJU BANGOLAIDŽIU, REZISTORINIS JUTIKLIS
Ž. Kancleris^a,b, G. Šlekas^a, V. Tamošiūnas^a,b, M. Tamošiūnienė^a, M. Dagys^a
a Fizinių ir technologijos mokslų centro Puslaidininkių fizikos institutas, Vilnius, Lietuva
^bVilniaus universiteto Fizikos fakultetas, Vilnius, Lietuva

Apžvelgti darbai, kuriuose naudojami apskritieji bangolaidžiai su jais sklindančia TE₁₁ moda. Pateikti rezistorinio jutiklio (RJ), skirto didelės galios mikrobangų impulsų matavimui, privalumai lyginant juos su puslaidininkiniais diodais. Nagrinėjama galimybė sukurti RJ, skirtą TE₁₁ modos, sklindančios apskrituoju bangolaidžiu, didelės galios mikrobangų impulsams matuoti. RJ jautrusis elementas (JE), kurį sudaro iš n-Si pagamintas tūrinis bandinys, yra patalpintas ant apskritojo bangolaidžio sienelės. Metaliniai kontaktai suformuoti ant šoninių jutiklio plokštumų. Suformuluoti reikalavimai jutiklio JE: jutiklis turi nesukelti žymesnių atspindžių bangolaidyje (stovinčios bangos koeficientas <1,2), minimali jutiklio išvado signalo dažninė priklausomybė – užtikrinti galimybę matuoti nanosekundinės trukmės impulsus (JE varža negali viršyti 50 $\mathrm{\Omega}$). Ištirta JE sąveika su TE₁₁ modos elektromagnetine banga apskritajame bangolaidyje plačiame dažnių intervale. Skaičiavimai atlikti naudojant baigtinių skirtumų laiko skalėje metodą. Ieškant optimalių JE parametrų skaičiuota elektrinio lauko pasiskirstymas, stovinčiosios bangos koeficientas ir vidutinio elektrinio lauko priklausomybės nuo dažnio kelioms skirtingų matmenų ir savitosios varžos RJ jautriųjų elementų serijoms.
Tyrimų rezultatai atskleidė kelius optimalaus RJ kūrimui. Pirmiausia buvo išnagrinėta galimybė sukurti trumpą RJ, kurio ilgis l = 0,3–0,4 mm, aukštis h = 2 mm, nes toks jutiklis mažiau iškraipytų elektrinį lauką bangolaidyje. Skaičiavimo rezultatai parodė, kad įmanoma sukurti trumpą RJ, kuris atitiktų visus jam keliamus reikalavimus, tačiau nustatyta, kad, net nežymiai pakeitus tokio RJ jautriojo elemento plotį d, gali žymiai pakisti elektrinių laukų santykis. Dėl šios priežasties galėtų kilti sunkumų gaminant RJ, todėl buvo išnagrinėta galimybė sukurti ilgesnį jutiklį (l = 3–7 mm). Tačiau (pasirinktoms JE medžiagos savitosios varžoms ρ) buvo stebimas tik monotoniškas elektrinių laukų santykio mažėjimas, kai JE aukštis buvo h =2 mm. Išnagrinėjus RJ su aukštesniais JE (h = 4 mm), buvo nustatyti optimalūs JE matmenys bei savitoji varža (h×d×l = 4×0,4×3,5 mm³, $\rho$ = 20 Ω). Apskaičiuotos vidutinio elektrinio lauko optimaliojo RJ viduje ir stovinčiosios bangos koeficiento priklausomybės nuo kampo tarp jutiklio JE ir krintančios bangos poliarizacijos plokštumos, esant skirtingiems elektromagnetinės bangos dažniams, bei jautrio priklausomybės nuo dažnio, kai skyrėsi poliarizacijos kampai. Taip pat buvo apskaičiuotos optimaliojo RJ santykinės varžos pokyčio priklausomybės nuo bangolaidžiu sklindančios galios ir elektrinio lauko sandų pasiskirstymas bangolaidyje su JE. Skaičiavimo rezultatai parodė, kad pasirinktas optimalusis RJ labiau tinka naudoti eksperimentuose, kai elektromagnetinės bangos dažnis pastovus, bet gali būti naudojamas poliarizacijos tyrimams.