Н.В. Федоркова, А.А. Султаншин

МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Актуальной конструкторско-технологической задачей проектирования волноводных устройств терагерцевого (ТГц) диапазона является минимизация потерь мощности. Ее реализация осложняется микроминиатюрностью конструкций, волноводные тракты которых изготавливаются в толще медного или латунного монолитного блока и покрыты внутри слоем золота 3 мкм. Задача минимизации потерь мощности в волноводах связана с анализом зависимости уменьшения проводимости металла от степени шероховатости внутренней поверхности. Поэтому поиск методов расчета зависимости эффективной проводимости шероховатой поверхности металла от размеров микронеровностей является особенно актуальным для ТГц-диапазона.

Цель работы – рассмотреть известные методы исследования влияния шероховатости металлической поверхности на потери электромагнитной энергии в части анализа моделей расчета зависимости удельной проводимости металла от размеров микронеровностей.

Результаты. Показано, что по методу электродинамического анализа структуры электрического (Е) и магнитного (Н) полей в области одиночного выступа, расположенного на идеально гладкой металлической поверхности, для предотвращения концентрации Е-поля высота выступа должна быть меньше δ/50, Н-поля – δ/1,5, где δ – толщина скин-слоя золота. При анализе по методу Mie-Scattering, основанному на упрощенной аппроксимации структуры шероховатой поверхности в виде  цилиндрического выступа, сравнение дополнительных потерь из-за выступа с идеально плоской поверхностью того же материала можно определить коэффициент уменьшения электрической проводимости и найти эффективную проводимость металла. Метод Hammerstad–Bekkadal (НВ) приводит к простой формуле зависимости относительного изменения поверхностного сопротивления (и связанных с его величиной потерь мощности в стенках волновода) от высот микронеровностей шероховатой поверхности, согласно которой производственный допуск на шероховатость поверхности волновода при требовании к потерям в 10% на частоте 400 ГГц составляет 35 нм. Сравнение результатов теоретических расчетов и экспериментального исследований резонаторным методом с помощью высокоточного полусферического квазиоптического резонатора с результатами электродинамического анализа с помощью САПР, учитывающей только геометрию шероховатой поверхности, показало, что при высотах микронеровностей меньше толщины скин-слоя наиболее точным является электродинамический анализ, больше толщины – метод Hammerstad–Bekkadal. 

Практическая значимость. Результаты анализа позволяют рекомендовать способы количественной оценки шероховатости металлической поверхности в соответствии с требованиями на потери электромагнитной энергии в волноводах  ТГц-диапазона частот.

Федоркова Н.В., Султаншин А.А. Аналитические методы оценки требований к шероховатости внутренней поверхности волноводов терагерцевого диапазона // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2021. T. 13. № 1. С. 12−22. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202101-02.

1. Мешков С.А., Федоркова Н.В. Особенности конструирования преобразователей частоты терагерцевого диапазона // Радиотехника. 2020. Т. 84. №5(9). С. 37–46. DOI: 10.18127/J00338486-202005(9)-04.
2. Cui J. et al., A 220 GHz Broadband Sub-Harmonic Mixer Based on Global Design Method. IEEE Access, 2019. V. 7. P. 3006730078. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2902482.
3. Wilkinson P. et al., A 664GHz Sub-harmonic Schottky Mixer. International Symposium on Space Terahertz Technology – Oxford University. March. 2010
4. Laman N., Grischkowsky D. Reduced conductivity in the terahertz skin-depth layer of metals. Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 122115.
5. Zhang P., Lau Y.Y., Gilgenbach R.M. Analysis of radio-frequency absorption and electric and magnetic field enhancements due to surface roughness, J. Appl. Phys. 2009. V. 105. № 11. Art. ID 114908
6. Yang B.B., Kirley M.P., Booske J.H. Theoretical and Empirical Evaluation of Surface Roughness Effects on Conductivity in the Terahertz Regime, in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2014. V. 4, № 3, P. 368-375 
7. Morgan S.P. Effect of surface roughness on eddy current losses at microwave frequencies, J. Appl. Phys. 1949. V. 20. № 4. P. 352–362
8. Hammerstad E., Jensen O. Accurate models for microstrip computer-aided design. IEEE MTT-S Microw. Symp. Dig. 1980. P. 407–409.
9. Balanis C.A. Advanced Engineering Electromagnetics. New York. NY, USA: Wiley. 1989.
10. IEEE Standard for Rectangular Metallic Waveguides and Their Interfaces for Frequencies of 110 GHz and Above--Part 2: Waveguide Interfaces. IEEEStd 1785.2-2016. 2016. P.1-22. 9 Sept. DOI: 10.1109/IEEESTD.2016.7564020
11. Байчурин А.С. Расчет, конструирование и изготовление волноводных устройств и объемных резонаторов. М.: Госэнергоиздат. 1964. 348 с.
12. Воробьев Е.А. Расчёт производственных допусков устройств СВЧ. – Л.: Судостроение. 1980. 148 с.
13. ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики
14. Агасиева С.В., Гудков А.Г. и др. Повышение надёжности и качества ГИС и МИС СВЧ. Кн. 1 / Под ред. Гудкова А.Г., Попова В.В. М.: ООО «Автотест». 2012. 212 с.
15. Агасиева С.В., Гудков А.Г. и др. Повышение надёжности и качества ГИС и МИС СВЧ. Кн. 2 / Под ред. Гудкова А.Г., Попова В.В. М.: ООО «Автотест». 2013. 214 с.
16. Агасиева С.В., Гудков А.Г., Тихомиров В.Г. и др. Повышение надёжности и качества ГИС и МИС СВЧ. Кн. 3 / Под ред. Вьюгинова В.Н., Гудкова А.Г., Попова В.В. М.: ООО НТП «Вираж-Центр». 2016. 252 с.