Двумерный массив кросс-дипольных антенн на две поляризации с болометрами на холодных электронах для аэростатного телескопа ОЛИМПО

Настоящая полезная модель относится к области антенной техники, а именно к массивам планарных антенн.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предложенной модели является матрица планарных антенн, описанная в [Mahashabde et. al., 2015] (DOI: 10.1109/TTHZ.2014.2362010). К достоинствам такой приемной матрицы можно отнести хорошее согласование с детекторами субТГц излучения и простоту изготовления. К недостаткам такой системы относится узкая приемная полоса, не удовлетворяющая требованиям технического задания миссии Олимпо.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание матрицы планарных антенн для применения в составе космических миссий и телескопов на воздушном шаре в качестве приемников реликтового излучения (такие исследования являются одной из самых актуальных задач в настоящее время). Требования к описываемой матрице антенн сформулированы и представлены в таблице №1. Заявляемая полезная модель смоделирована, изготовлена и измерена для центральной частоты 345 ГГц, но путем изменения параметров (размеров антенн в матрице и толщины подложки над матрицей) может быть применима и для других частот. Система рассчитана для проведения измерений с трехмодовым рупором (фигура 1). Помимо возможности приема одновременно двух взаимно перпендикулярных поляризаций, антенны хорошо согласуются со сверхчувствительными детекторами субТГц излучения. В данном случае, в качестве детекторов используются болометры на холодных электронах (БХЭ).
Технический результат – получена необходимая полоса частот (не менее 10% от центральной частоты).
Технический результат достигается тем, что в двумерном массиве антенн для аэростатного телескопа ОЛИМПО, состоящем из планарных антенн с интегрированными БХЭ, используются кросс-дипольные антенны, длина которых составляет половину длины волны в кремнии. Приемная матрица, равномерно распределенная под раскрывом рупора, напылена на кремниевую подложку. Размеры антенн, толщина подложки и другие параметры определялись моделированием с целью получить требуемую широкую полосу частот.
Изобретение поясняется рисунками, являющимися иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
На фигуре 1 Трехмодовый рупор в моделируемом проекте
На фигуре 2 Внешний вид приемной матрицы
На фигуре 3 «Разрез» моделируемого проекта в программе CSTSTUDIOSUITE
На фигуре 4 Единичный элемент приемной матрицы
На фигуре 5 Амплитудно-частотные характеристики и процент поглощаемой мощности матрицы антенн для каждой из компонент
На фигуре 6 Изготовленный образец
На фигуре 7 Схематичное изображение методики эксперимента
На фигуре 8 Экспериментальная и теоретическая амплитудно-частотные характеристики образца
Моделирование проводилось в программном пакете CST STUDIO SUITE. Трехмодовый рупор, представленный на фигуре 1, состоит из трех частей: приемный рупор - 1, волновод - 2, передающий рупор - 3. Диаметром волновода 2 (0,9 мм) определяется количество мод, проходящих через рупор (для центральной частоты 345 ГГц проходят две поляризации первой моды, вторая мода и две поляризации третьей моды). Красная область на этом рисунке - волноводный порт - 4, является источником сигнала в программе для моделирования. Приемная матрица (фигура 2) состоит из кросс-дипольных антенн на две поляризации, расположенных на кремниевой подложке. На фигуре 3 представлен «разрез» моделируемого проекта: 5 – края рупора, 6 – кремниевая подложка, 7 – углубление в подложке, 8 – матрица планарных антенн, 9 – контррефлектор. В каждую антенну (10 на фигуре 4) интегрировано два БХЭ (на фигуре 4 представлен единичный элемент матрицы). Болометры в программе моделировались следующим образом: для задания сопротивления абсорбера использовали дискретные порты (11 на фигуре 4), в качестве ёмкости СИН-переходов использовали сосредоточенный элемент (12 на фигуре 4). При проведении моделирования для получения оптимальных результатов изменяли различные параметры: количество антенн, размеры антенны, расстояние между антеннами, для согласования с импедансом антенны сопротивление дискретного порта и ёмкость, общую толщину кремниевой подложки, толщину кремниевой подложки над матрицей. Для получения теоретической амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и процента поглощаемой мощности использовали встроенную в программу для моделирования опцию "Template Based Post Processing". Мощности, поглощаемые в каждом дискретном порте, были просуммированы, проинтегрированы в заданной полосе частот (330-360 ГГц) и поделены на величину уровня сигнала-источника. Теоретически полученные АЧХ и процент поглощаемой мощности для каждой из компонент представлены на фигуре 5. По полученным результатам видим, что требования технического задания, изложенные в таблице 1, выполняются.
При моделировании были выбраны следующие параметры:
количество антенн - 96;
размеры антенн - 36×130 мкм;
расстояние между антеннами - 127 мкм;
материал антенн - золото, толщиной 200 нм;
сопротивление дискретного порта - 40 Ом;
ёмкость - 25 фФ
толщина кремниевой подложки - 350 мкм;
толщина кремниевой подложки над матрицей - 127 мкм (половина длины волны в кремнии).
Технология изготовления такой приемной матрицы состоит из трех этапов: травление кремния для получения необходимой толщины подложки; изготовление антенн, соединительных проводов и контактных площадок; изготовление болометров. Для травления кремния использовали установку плазменного травления STC Plasma Etch. Матрица антенн изготавливается методом лазерной литографии (установка LaserWriter DWL 2000) и электронно-лучевого напыления (установка Lesker #1), для изготовления болометров используется электронно-лучевая литография (установка JEOL JBX-9300FS) и электронно-лучевое напыление с применением техники теневого напыления (установка Lesker #2). На фигуре 6 представлена фотография изготовленного образца и увеличенный фрагмент.
Измерения АЧХ изготовленного образца проводились в криостате фирмы Oxford Instruments при температуре 300 мК (схематично экспериментальная установка представлена на фигуре 7). Исследуемый образец 13 установлен с рупором 14 и медным стаканом с квазиоптическими фильтрами 15 на плиту криостата 16 с минимальной температурой 300 мК. В качестве источника сигнала использовали лампу обратной волны, также схематично изображенную на фигуре 7. Сигнал источника подводился к образцу через открытое окно криостата 17. При помощи считывающей аппаратуры регистрируется сигнал, принимаемый образцом. После проведения необходимых нормировок были построены экспериментальные АЧХ. На фигуре 8 представлены экспериментальная и смоделированная (суммарная для трех мод) АЧХ. Небольшое расхождение результатов объясняется тем, что многие факторы нельзя учесть при моделировании.
Таким образом, можно утверждать, что представленная модель удовлетворяет всем техническим требованиям, чувствительна к двум поляризациям, настроена на нужную частоту и имеет необходимою полосу частот. Также эта модель может быть использована и для других частотных диапазонов, путем соответствующего масштабирования некоторых параметров.
Таблица 1 – Требования, предъявляемые к образцу
Параметры
Требования
Центральная частота
345 ГГц
Полоса частот
330 - 360 ГГц
Поглощение мощности на первой моде для каждой из поляризаций
Не менее 50 %