Юрченко В Б ^ , Юрченко Е

Національний університет Ірландії, Мейнут, Ірландія тел: +353-1-708-3746, E-mail: vyurchenko @ nuimie Інститут радіофізики та електроніки Національної академії наук України вул Академіка Проскури, 12, м Харків, 61085, Україна тел: +38-0577-203371, E-mail: yurchenk@ireirekhrakovua

Анотація – Запропоновано точна взаємна формулювання для розрахунку багатомодових квазіоптичних боло-метрічес-ких систем в передавальної моді Вона враховує многомодо-ше поширення хвиль в надрозмірні волноводах і особливо корисна для систем з болометрів, вбудованими в складні структури, що змінюють роботу болометрів і потребують самоузгодженого розрахунку системи з урахуванням взаємодії всіх її компонент Формулювання, в част-ності, відкриває можливість точного розрахунку прийомних кутових діаграм спрямованості складних систем ефек-нормативним чином, користуючись порівняно простим моделі-рованием цих систем в передавальної моді

I                                       Введення

Болометри є одними з кращих детекторів випромінювань для широкосмугових приймальних систем в інфрачервоній і субміліметрової області спектра [1] Точне моделювання таких систем (наприклад, обчислення їх кутовий діаграми спрямованості, формованої оптичної підсистемою) вимагає самоузгодженого розрахунку роботи детектора в складі всієї системи Тим часом, розрахунок оптичної (квазиоптической) частини системи зазвичай ведеться в передавальної моді, оскільки в приймальні моді з обчислювальних причин він практично неможливий У звязку з цим, виявляється необхідним точне еквівалентне опис Болометрична детектора в передавальної моді з урахуванням особливостей його фактичного вкпюченія в дану приймальню систему

Точна взаємна формулювання для опису Болометрична детектора в передавальної моді була знайдена нами раніше на прикладі одновимірної моделі тонкопленочного (сіткового) болометра, поміщеного в резонаторної порожнини, утвореної металевої стінкою і діелектричним вікном [2, 3] У даній роботі, ми наводимо узагальнення цього формулювання на випадок, коли болометрична структура знаходиться в многомодовом хвилеводі, що типовими для широкосмугових систем, коли багато мод можуть поширюватися одночасно, по-різному поглинаючись або випромінюючи детектором (для простоти формулювань, розглядається приклад двовимірного плоско-паралельного хвилеводу)

II                               Основна частина

Загальний підхід до побудови точної взаємної формулювання завдання про роботу болометра в передавальної моді описаний в роботах [2, 3] Він складається з двох необхідних пунктів Один з цих пунктів вказує, які хвилі і з якими амплітудами і фазами повинні испускаться з кожної поверхні болометра для його еквівалентного опису в передавальної моді Другий пункт визначає, як повинні бути модифіковані відповідні електродинамічні параметри Болометрична елемента (наприклад, ефективні шарові провідності Болометрична плівки в моделі [2, 3]) в тому, що стосується взаємодії болометра з хвилею в передавальної моді

У роботах [2, 3] показано, що при деякому природному виборі відповідей на зті питання досягається точне відтворення всіх параметричних залежностей потужності, що поглинається болометрів в приймальні моді, якщо виконати розрахунок потужності, випромінюваної структурою у вільний простір в її еквівалентній передавальної моді

У разі болометра, розташованого в многомодовом хвилеводі, модовая структура поля призводить до відповідної модифікації правил, за якими будується точна взаємна формулювання завдання в кожному із зазначених вище двох пунктів

У першому пункті, амплітуди хвиль, що випускаються болометрів, модифікуються для кожної з хвилеводних мод по-різному, з урахуванням того, яка константа поширення відповідної моди в даному волоноводе У другому пункті, ефективні шарові параметри Болометрична плівки, еквівалентні сеточной структурі, теж спеціальним чином модифікуються для кожної хвилеводної моди, аналогічно враховуючи параметри поширення ЦІЙ моди

У результаті таких змін, для детектроной структури в многомодовом хвилеводі теж досягається точне відтворення всіх параметричних залежностей повної потужності, що поглинається Болометрична структурою у приймальні моді або ж випромінюваної з неї в передавальної моді

Як приклад, на рис1 темної кривої показана частотна залежність повного потоку потужності, що поглинається (випромінюваної) структурою типу [2, 3] в двовимірному плоско-паралельному хвилеводі в многомодовом режимі (а), і аналогічна залежність для однієї основної моди (б) Для порівняння, світла крива показує потужність, що проходить через діелектричне вікно в такому хвилеводі без болометра та металевої стінки (тонка лінія показує падаючу потужність) Структура оптимізована для роботи на частоті 100 ГГц без хвилеводу

III                                   Висновок

Використання зазначеного вище еквівалентного взаємного опису приймальних систем робить можливим точне обчислення прийомних кутових діаграм спрямованості вельми складних багатомодових квазіоптичних систем на основі надширокосмугових Болометрична детекторних структур шляхом розрахунку їх роботи в передавальної моді без використання будь-яких штучних і недос-та-точно обгрунтованих припущень і наближень

Такий спосіб розрахунку особливо важливий для систем з болометрів, вбудованими в складні структури типу інтегрує порожнини, сильно впливають на роботу болометрів, надаючи системі спеціальні частотні, поляризаційні та інші властивості, які вимагають повного моделювання системи як єдиного цілого з урахуванням взаємодії всіх її компонент

Рис 1 Потужність, що поглинається або випромінюється

структурою типу [2, 3] в многомодовом хвилеводі

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

IV                            Список літератури

[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 EV

Nationai University of Ireland, Maynooth, Ireland Ph: 353-1-7083746, e-mail: vyurchenko@nuimie ^4nstitute of Radiophysics and Electronics, NASU,

12 Proskura St, Kharkov – 61085, Ukraine Ph: 380-577-203371,e-mail:yurchenk@ireirekharkovua

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 ТІ, 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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р