Узкополосная двухщелевая ячейка с копланарными линиями и болометрами на холодных электронах для многочастотного массива антенн

Настоящее полезная модель относится к области антенной техники, а именно к планарным щелевым резонансным антеннам. Данная антенна предназначена для применения в составе баллонного радиотелескопа LSPE (Large Scale Polarization Explorer), разрабатываемого Итальянским Космическим Агентством (ИКА) для наблюдения реликтового излучения. Антенна должна удовлетворять требованиям, предъявляемым ИКА к вспомогательным частотным каналам LSPE - рабочие частоты 220 и 240 ГГц- ширина полос принимаемых частот - 5% от центральной частоты канала. В качестве чувствительных датчиков излучения предполагается использовать болометры на холодных электронах (БХЭ) [Kuzmin, 2002; Kuzmin, 2008; Tarasov et al., 2011].
К известным планарным антеннам относится широкополосная логопериодическая антенна [Патент США #US 6,211,839 B1, 2001]. Она представляет собой антенну, состоящую из четырех раздельных радиальных элементов, выполненных с поворотом в 90 градусов относительно центра. Каждый из этих элементов имеет логопериодическую структуру. К преимуществам такой антенны относится широкая полоса рабочих частот, хорошее разрешение по поляризации, простота и компактность исполнения. Однако при практической реализации совмещение такой антенны с детекторами вызывает определенные технологические трудности. В частности, при соединении антенны с БХЭ с помощью системы полосковых линии не удается обойтись без пересечений полосковых линий. Это в значительной мере усложняет технологический процесс совместного изготовления антенны и болометров.
Схожими преимуществами и недостатками обладает и синусоидальная антенна [Патент США #US4658262, 1987], представляющая собой антенну, также состоящую из четырех раздельных радиальных элементов, отличающаяся от предыдущего аналога синусоидальной периодичностью структуры элементов. Обладая хорошим разрешением по поляризации и широкой полосой рабочих частот, синусоидальная антенна, однако, также требует пересечений полосковых линий для соединения с БХЭ. Данное условие не является приемлемым с точки зрения технологии производства таких антенных систем и болометров в едином технологическом цикле.
Прототипом предложенной полезной модели является планарная антенна типа ракушка [Патент РФ № 167585]. Данная антенная система представляет собой комбинацию щелевых антенн, предназначенную для приема сигналов разных частот и обладающую чувствительностью к поляризации принимаемой волны. Достоинством прототипа является узкая полоса рабочих частот одного частотного канала, что является одним из ключевых требований к антенной системе для вспомогательных каналов проекта LSPE. К недостаткам прототипа относится то, что каждый частотный канал одной поляризации антенны типа ракушка нагружен на один БХЭ, что при большой оптической нагрузке приводит к переходу БХЭ в режим насыщения.
Технический результат заключается в том, что предлагаемая антенная система способна работать с большей оптической нагрузкой до перехода БХЭ в режим насыщения, что является актуальным для баллонных радиотелескопов.
Технический результат достигается устройство состоит из двух резонансных щелевых антенн, соединенных изогнутыми копланарными линиями с БХЭ, длина копланарных линий необходимая для рабочей частоты, длина щелевых антенн приближенно равна λ/2 - половине длины волны на рабочей частоте, сопряжение щелевой антенны и копланарной линии осуществляется с помощью отрезка копланарной линии, расположенного посередине щелевой антенны и оканчивающегося сосредоточенной емкостью, также копланарная линия проходит непосредственно в щелевой антенне, к сосредоточенным емкостям подключаются проводники, обеспечивающие смещение БХЭ и соединяющие одиночные антенные ячейки в массив.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является создание антенны для применения в составе сверхвысокочувствительных орбитальных приемных комплексов, разрабатываемых и планируемых к запуску для исследования реликтового излучения - одному из важных и актуальных вопросов современной астрономии и космологии. Требования к такой антенне были сформулированы организаторами эксперимента LSPE и приведены во втором столбце таблицы 1. Для исследования реликтового излучения предъявляются особые требования к антенным системам, которые будут использоваться в LSPE.
Данная полезная модель поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрациями частного случая исполнения:
На фиг. 1 Центральная часть антенны для частоты 220 ГГц
На фиг. 2 Центральная часть антенны для частоты 240 ГГц
Вариант центральной части антенны для одной частоты показан на Фиг. 1. Слой диэлектрика скрыт для наглядности чертежа. Антенна состоит из системы щелей, настроенных на рабочую частоту. Анализ сигнала выполняется БХЭ.
Антенна может быть модифицирована на большее число частот.
В качестве детекторов предлагается использование болометров на холодных электронах.
2
Подложка может быть выполнена из кремния. Диэлектрический слой может быть выполнен из SiO.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Антенна состоит из двух резонансных щелевых антенн, соединенных изогнутыми копланарными линиями с БХЭ. Длина копланарных линий была выбрана для получения необходимой рабочей частоты. Расстояние между щелевыми антеннами было выбрано в ходе моделирования для получения необходимой полосы пропускания. Длина щелевых антенн подбирается приближенно равной λ/2 - половине длины волны на рабочей частоте. Сопряжение щелевой антенны и копланарной линии осуществляется с помощью отрезка копланарной линии, расположенного посередине щелевой антенны и оканчивающегося сосредоточенной емкостью. Также копланарная линия проходит непосредственно в щелевой антенне. К сосредоточенным емкостям подключаются проводники, обеспечивающие смещение БХЭ по постоянному току или напряжению и соединяющие одиночные антенные ячейки соответственно в последовательный или параллельный массив.
Для настройки антенны на две и более частоты необходимо добавление новых элементов системы, аналогичных одиночной ячейке, но имеющих иную длину центральной копланарной линии. На Фиг. 2 изображена одиночная ячейка на 240 ГГц. В случае антенны на 240 ГГц, общая длина центральной копланарной линии на 60 мкм меньше.
Характеристики диаграммы направленности предложенной антенны определяются, в основном, расстоянием между противоположными щелями. Для обеспечения оптимальной угловой ширины основного луча диаграммы направленности, и его минимальной эллиптичности, это расстояние должно быть приближенно равно λ/2.
Важнейшим преимуществом двухслотовой антенны с изогнутыми копланарными линиями является то, что каждая система щелевых антенн предназначена для работы на одной частоте. Это позволяет подстраивать каждую систему щелевых антенн в отдельности, не затрагивая при этом характеристик элементов антенны, ответственных за работу на соседних частотах. Еще одним практическим преимуществом предложенной антенны является то, что соединение щелевых антенн и детекторов с помощью копланарных линий может быть осуществлено без пересечений копланарных линий, что упростит и ускорит технологический процесс изготовления такой системы антенн и детекторов.
Численное моделирование системы проведено в программном пакете CST Microwave Studio.
При моделировании были выбраны следующие параметры:
кремневая подложка толщиной 350 мкм;
металлический слой толщиной 0,2 мкм;
2
диэлектрический слой SiO толщиной 0,3 мкм;
В изображенном на Фиг. 1 варианте антенны используется 1 болометр для частоты 220 ГГц.
В изображенном на Фиг. 2 варианте антенны используется 1 болометр для частоты 240 ГГц.
Результаты численного моделирования антенны приведены на следующих рисунках:
На Фиг. 3 Частотная зависимость S1,1-параметра для принимаемой волны при Rport=6.8 Ом для частоты 220 ГГц и Rport=7.7 Ом для частоты 240 ГГц. Красная кривая для щели на частоту 220 ГГц, синяя кривая для щели 240 ГГц. Как видно на Фиг. 3, ширина резонансов составляет 10.9 ГГц и 13 ГГц для центральных частот 219.4 и 241.8 ГГц соответственно. Ширина полосы для антенны на 220 ГГц соответствует требованиям для приемной системы эксперимента LSPE; это 5% от рабочей частоты. Полоса пропускания для антенны на 240 ГГц близка к требованиям приемной системы эксперимента LSPE и составляет 5,5% от рабочей частоты.
На Фиг. 4 Частотные зависимости действительной части импеданса антенны на 220 ГГц (красная кривая) и 240 ГГц (синяя кривая).
На Фиг. 5 Частотные зависимости мнимой части импеданса антенны на 220 ГГц (красная кривая) и 240 ГГц (синяя кривая).
В Таблице 1 приведены численные характеристики, полученные в результате компьютерного моделирования двухщелевой антенны с изогнутыми копланарными линиями.
Таким образом, двухщелевая антенна с изогнутыми копланарными линиями представляет собой новый уникальный тип планарной антенны, и благодаря компактности, гибкостью подстройки, удобству и простоте изготовления, а также избирательности частотных характеристик может быть использована для широкого круга задач, в том числе для будущих космических миссий и исследования реликтового излучения.
Таблица 1.
<b>Требования LSPЕ</b>
<b>220 ГГц</b>
<b>240 ГГц</b>
Резонансная частота, ГГц
220, 240 ГГц
219.4
241.8
Паразитные резонансы, ГГц
-
-
-
Ширина полосы при -3 дБ, ГГц
5% от рабочей частоты
10.9
13
Ширина полосы при -10 дБ, ГГц
-
3.5
3.9
Реальная часть импеданса антенны на рабочей частоте, Ом
-
6.8
7.7
International Workshop on Superconducting Nano-Electronics Devices
[Kuzmin, 2002] Kuzmin L 2002  ed J Pekola, B Ruggiero and P Silvestrini (Boston, MA: Springer) pp 145-54;
J. Phys.: Conf. Ser.
97
[Kuzmin, 2008] Kuzmin L 2008  012310;
IEEE Trans. Appl. Supercond.
21
[Tarasov et al., 2011] Tarasov M A, Kuzmin L S, Edelman V S, Mahashabde S and de Bernardis P 2011  3635.