關(guān)于微波頻段納米金屬薄膜的表面電阻的討論

2017-06-27 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

由于微波頻段存在趨膚效應(yīng),導(dǎo)致微波器件導(dǎo)體內(nèi)的電流通常集中在表面微米級(jí)的厚度內(nèi),這是大家所熟知的概念。依據(jù)這一原理,業(yè)界通常采用下述方法來(lái)改善微波器件的損耗,同時(shí)降低器件成本:在導(dǎo)體表面(比如鋁合金)沉積厚度約為數(shù)個(gè)趨膚深度的良導(dǎo)體層(比如鍍金、鍍銀)。這一原理也同樣應(yīng)用在改善微波無(wú)源器件的無(wú)源互調(diào)性能方面:低互調(diào)器件通常采用鍍銀表面。

為了衡量導(dǎo)體材料的損耗性能,人們定義了表面電阻R的概念:

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換句話說(shuō),表面電阻反比于電導(dǎo)率與趨膚深度之乘積。依據(jù)這一概念,可以方便地對(duì)器件損耗進(jìn)行評(píng)估。以矩形波導(dǎo)為例,如果只考慮矩形波導(dǎo)寬邊的損耗,則在工作于基模TE10的條件下,波導(dǎo)傳輸線的損耗可以按下式計(jì)算:

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相位常數(shù)的計(jì)算方法:

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對(duì)于趨膚深度的形象理解是:由于電磁波在良導(dǎo)體內(nèi)部呈現(xiàn)指數(shù)衰減,當(dāng)電磁波滲入導(dǎo)體內(nèi)部一個(gè)趨膚深度的厚度時(shí),電磁波幅度將衰減1/e,也就是36.8%。如果導(dǎo)體厚度達(dá)到三個(gè)趨膚深度及以上,通常就認(rèn)為電磁波幅度衰減為零。

以上是我們對(duì)于導(dǎo)體損耗與趨膚深度關(guān)系的通常認(rèn)識(shí),下面本文要討論的問(wèn)題是:如果良導(dǎo)體的厚度等于趨膚深度甚至小于趨膚深度,電磁波會(huì)穿透良導(dǎo)體嗎?上面提到的“表面電阻等于電導(dǎo)率與趨膚深度乘積之倒數(shù)”該如何應(yīng)用于導(dǎo)體厚度小于趨膚深度的情形?

實(shí)際上,教科書中有關(guān)趨膚深度的討論是針對(duì)導(dǎo)體厚度無(wú)限大的理想模型來(lái)進(jìn)行的。當(dāng)導(dǎo)體厚度等于趨膚深度甚至遠(yuǎn)小于趨膚深度而演變?yōu)閷?dǎo)電薄膜時(shí),電磁波滲入導(dǎo)體內(nèi)部以后,將在出射導(dǎo)體薄膜時(shí)由于導(dǎo)體薄膜阻抗與空氣阻抗的失配而發(fā)生發(fā)射(假設(shè)導(dǎo)電薄膜背面為空氣介質(zhì))。因此,即便導(dǎo)電薄膜的厚度只有一個(gè)趨膚深度,此時(shí)電磁波的衰減量也不再是上文中所說(shuō)的36.8%。

依據(jù)A E Kaplan的論文《on the reflectivity of metallic films at microwave and radio frequencies》,在自由空間中,電磁波垂直入射導(dǎo)電薄膜時(shí),其功率透射系數(shù)可按下式計(jì)算:

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下圖給出了依據(jù)該理論得到的金屬鋁厚度對(duì)電磁波衰減量的影響規(guī)律(電導(dǎo)率為38.6 MS/m,頻率為10 GHz)。

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圖1 導(dǎo)電薄膜對(duì)電磁波的衰減

由上圖可見,即便鋁膜厚度只有10 nm,其對(duì)10 GHz電磁波的衰減也可以達(dá)到50 dB,遠(yuǎn)大于我們通常從趨膚深度角度所理解的衰減量。

實(shí)際上,對(duì)于導(dǎo)電薄膜的情形,表面電阻可表示為:

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亦即,假設(shè)矩形波導(dǎo)的壁厚小于趨膚深度,則計(jì)算其導(dǎo)體損耗時(shí),需要將教科書中表面電阻公式中的趨膚深度替換為薄膜厚度。下面,我們給出HFSS的仿真結(jié)果,并與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比。電磁波形如圖2所示,類似地,這里僅考慮波導(dǎo)寬邊的損耗。仿真結(jié)果如圖3所示(圖中l(wèi)oss項(xiàng)表示輻射損耗;黑色線對(duì)應(yīng)左側(cè)縱坐標(biāo),紅色線對(duì)應(yīng)右側(cè)縱坐標(biāo)):當(dāng)電導(dǎo)率為0.5 MS/m時(shí),輻射損耗顯著,且隨膜厚增加而減小;而當(dāng)電導(dǎo)率為30 MS/m時(shí),輻射損耗明顯降低。

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圖2 寬邊為導(dǎo)電薄膜的矩形波導(dǎo)模型

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圖3 電導(dǎo)率及膜厚對(duì)矩形波導(dǎo)S參數(shù)及輻射損耗的影響仿真結(jié)果

圖4給出了HFSS仿真與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比:采用電導(dǎo)率與膜厚定義的表面電阻得到的理論計(jì)算結(jié)果與HFSS仿真結(jié)果吻合良好,表明針對(duì)導(dǎo)電薄膜的情形,其表面電阻應(yīng)為電導(dǎo)率與膜厚乘積的倒數(shù)。

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圖4 HFSS仿真與理論計(jì)算的對(duì)比

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主要結(jié)論:如果良導(dǎo)體的厚度等于趨膚深度甚至小于趨膚深度,電磁波仍然會(huì)穿透良導(dǎo)體,但是遠(yuǎn)小于我們通常從趨膚深度角度所理解的衰減量;“表面電阻等于電導(dǎo)率與趨膚深度乘積之倒數(shù)”對(duì)于導(dǎo)電薄膜的情形,應(yīng)當(dāng)替換為“表面電阻等于電導(dǎo)率與膜厚乘積之倒數(shù)”。

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