Конструктивный элемент метаматериала из высокоомного кремния для приемных и передающих систем, монтируемый к излучателю антенны
STRUCTURAL ELEMENT OF METAMATERIAL MADE OF HIGH-RESISTANCE SILICON FOR RECEIVING AND TRANSMITTING SYSTEMS, MOUNTED TO ANTENNA EMITTER

Предлагаемое изобретение относится к технике сверхвысоких частот с предпочтительным использованием в области антенной техники.
Существующая тенденция уменьшения габаритов космических аппаратов выявила очевидную техническую проблему уменьшения габаритов всех составных элементов космического аппарата в том числе и приёмо-передающих антенн. В свою очередь, применение существующих и разработка новых метаматериалов является актуальным направлением создания малогабаритных антенн для малых космических аппаратов.
Из уровня техники могут быть выбраны следующие аналоги, предусматривающие использование метаматериала.
Из патента RU 2 473 157, опубликованного в 2011 г., известна малогабаритная СВЧ антенна на основе метаматериала, характеризующаяся суженной диаграммой направленности. Данная антенна характеризуются значительными на сегодняшний день массогабаритными характеристиками. Конструкция метаматериала не допускает применение технологии группового изготовления под разные диапазоны частот.
Из патента RU 2 579 813, опубликованного в 2014 г., известен усиливающий сверхпроводящий метаматериал, который в случае применения в антенной технике обеспечит сверхмалошумящее усиления слабых радиотехнических сигналов. В RU 2 579 813 применена дополнительная система охлаждения и питания для метаматериала, очевидно являющаяся излишней.
Из патента RU 2 589 250, опубликованного в 2016 г., известна радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния, для изготовления которой применен метаматериал. Данная антенна является не технологичной и невоспроизводимой в групповом исполнении.
Из заявки US 2018054004, опубликованного в 22.02.2018 г., известна радиолокационная антенна, для изготовления которой применен метаматериал и характеризующаяся низким уровнем боковых лепестков. Данная антенна, также, как и антенна из RU 2 473 157, характеризуется значительными на сегодняшний день массогабаритными характеристиками и не допускает группового изготовления метаматериала под разные диапазоны частот.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения выбирается патент RU 2 579 813, в котором предложена конструкция усиливающего сверхпроводящего метаматериала, состоящая из нескольких последовательно расположенных слоёв, что обеспечивает достижение необходимых характеристик антенной системы.
Однако, к недостаткам известного изобретения следует отнести дополнительную систему охлаждения и питания для метаматериала. Конструкция метаматериала не допускает группового изготовления конструктивного элемента метаматериала под разные диапазоны частот.
Предлагаемый в данном изобретении выбор материалов для использования в конструкции метаматериала обеспечит решение указанной выше технической проблемы уменьшения габаритов антенны космического аппарата при сочетании приемлемых массогабаритных и радиотехнических характеристик антенны, в первую очередь возможности использования антенны в нескольких диапазонах.
Предложен конструктивный элемент метаматериала, состоящий из последовательно расположенных слоев. В отличие от аналога каждый из упомянутых слоёв представляет собой подложку высокоомного кремния с углублениями на её поверхности. Подложки высокоомного кремния соединены между собой посредством эвтектического слоя из золота и кремния. Конструктивный элемент метаматериала, по преимуществу, является частью конструкции излучателя малогабаритной антенны Ku-, K- и/или Ka- диапазона.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 – излучатель с конструктивным элементом метаматериала, где
1.1 – волновод,
1.2 – пластина с щелью,
1.3 – корпус,
1.4 – винт,
1.5 – конструктивный элемент метаматериала;
фиг. 2 – поперечный разрез конструктивного элемента метаматериала, где
2.1 – подложка из высокоомного кремния,
2.2 – слой меди,
2.3 – эвтектический слой кремния и золота,
2.4 – полости;
фиг. 3 – схема группового исполнения платы с конструктивными элементами метаматериала, где
3.1 – плата,
3.2 – конструктивный элемент метаматериала;
фиг. 4 – вид сверху конструктивного элемента метаматериала, где
4.1 – верхний слой из высокоомного кремния,
4.2 – топология проводников,
4.3 – металлическая рамка.
Предложенный конструктивный элемент метаматериала будет использован следующим образом.
На основе метаматериалов реализуют конструктивные элементы – миниатюрные двух- и трёхмерные структуры, обладающие характеристиками, приближающимися в рабочей полосе частот к свойствам магнитных проводников. Двух- и трёхмерные конструктивные элементы радиочастотного диапазона могут применяться для получения высокодобротного резонанса при сужении СВЧ–излучения в диапазоне от единиц мегагерц до десятков терагерц, а также для управления положением резонансного пика антенн. Эффект сужения обусловлен резонансом Фабри-Перо внутри открытого резонатора, состоящего из конструктивного элемента метаматериала и металлического экрана антенны. Конструктивный элемент метаматериала выступает в качестве частично прозрачного зеркала резонатора, металлический экран – в виде непрозрачного зеркала.
При правильном выборе расстояний между двумя зеркалами и прозрачности конструктивного элемента метаматериала, волны, возбуждаемые источником, многократно отражаясь от зеркал и излучаясь в пространство сквозь конструктивный элемент метаматериала складываются в пространстве в фазе преимущественно вдоль осевого направления. Электродинамическое взаимодействие слоев метаматериала заключается во взаимной компенсации отраженного излучения от соседних слоев. В результате формируется система директоров, направляющих излучение в сторону главного максимума диаграммы направленности антенны.
В свою очередь, предложенный конструктивный элемент метаматериала (фиг. 1-4) состоит из последовательно расположенных подложек высокоомного кремния, соединённых групповым методом через эвтектический слой золота и кремния, характеризующийся повышенным коэффициентом теплопроводности. Конструктивный элемент метаматериала монтируется к корпусу излучателя малогабаритных антенн Ku-, K- и Ka-диапазонов малых космических аппаратов. Возможно применение конструктивного элемента метаматериала в абонентских устройствах для систем позиционирования. Формирование конструктивного элемента метаматериала проводится последовательно за счёт соединения подложек из высокоомного кремния через эвтектический слой золота и кремния на установке, обеспечивающей сращивание (бондинг) слоя золота и слоя кремния с получением нового единого эвтектического слоя.
Использование в составе конструкционного элемента метаматериала высокоомного кремния обеспечит возможность применения метаматериала в диапазоне частот от 10 до 40 ГГц, то есть в Ku-, K- и Ka-диапазонах частот с расширением возможности применения до верхней границы диапазона 200 ГГц. Использование эвтектических слоев золота и кремния, соединяющих подложки из высокоомного кремния позволит отказаться от клеевых соединений, обеспечит групповую сборку плат, то есть упростит технологические процессы изготовления метаматериала и обеспечит лучшие прочностные свойства конструктивного элемента метаматериала. Выполнение в подложках из высокоомного кремния углублений (полостей, выточек и т.п.), изменение толщин подложек обеспечит соответствие метаматериала заданным радиотехническим характеристикам, то есть обеспечит возможность применения конструктивного элемента метаматериала в широком или узком диапазоне частот. При этом физические свойства высокоомного кремния обеспечивают возможность изготовления подложек различной толщины и с углублением (профилями) различной формы.
В целом, применение метаматериала, характеризующего предложенной конструкцией и выбором материалов, обеспечит: увеличение коэффициента усиления антенны до 3-4 дБ; сужение ширины диаграммы направленности антенны до 2,5 раз в диапазоне частот не менее 5%; уменьшение массогабаритных характеристик антенны; возможность варьирования в более широких пределах комбинированной относительной диэлектрической проницаемости микрополосковой линии передачи, сформированной на плате; сохранение конструкционной прочности пластины из кремния.
Изготовление конструктивного элемента метаматериала (фиг. 2-4) включает следующую последовательность операций:
осаждение на пластину слоя диэлектрика;
формирование углублений (полостей) в пластине лазером на разную глубину, с дальнейшим подтравливанием глухих полостей в буферном травителе, с последующим стравливанием слоя диэлектрика;
осаждение с вакуумным напылением адгезионного и проводящего слоя на пластину с одной стороны;
нанесение фоторезиста спреевым методом;
формирование одностороннего рисунка экспонирования, при котором маской полностью закрывают всю поверхность пластины с двух сторон;
гальваническое осаждение на открытой от фоторезиста поверхности проводящего слоя, стойкого к последующему травлению в растворе, в отношении которого адгезионный и первый проводящий слой не являются стойкими;
снятие фоторезиста;
травление адгезионного и первого проводящего слоя в травителе;
нанесение фоторезиста спреевым методом на поверхность пластины и формирование маски;
снятие фоторезиста;
травление проводящего слоя;
сращивание подложен со сформированными платами через эвтектику.
При производстве антенн, предусматривающих использование предложенного конструктивного элемента метаматериала (фиг. 1), исходя из небольшого размера антенны и высокой точности воспроизведения малых размеров, целесообразно применять вытачивание из металлической заготовки с последующей пайкой для соединения отдельных деталей и придания необходимой формы. Соединение между конструктивным элементом метаматериала и излучателем целесообразно осуществлять на зазоре, для чего предложено применить двухэлементный соединительный элемент из фторопласта с посадочными пазами, обхватывающий излучатель и конструктивный элемент метаматериала. Двухэлементный соединительный элемент изготавливают фрезерованием из фторопластовой заготовки. Два элемента соединителя скреплены за счёт присоединения металлическими болтами к цельному излучателю. Для защиты излучателей антенн целесообразно применить хромирование.