Многочастотная планарная щелевая антенна типа ракушка на две поляризации

Настоящая полезная модель относится к области антенной техники, а именно к планарным антеннам, чувствительным к поляризации.
К известным планарным антеннам относится широкополосная логопериодическая антенна (Патент США # US 6,211,839 В1, 2001). Она представляет собой антенну, состоящую из четырех раздельных радиальных элементов, выполненных с поворотом в 90 градусов относительно центра. Каждый из этих элементов имеет периодическую логарифмическую 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, для задач исследования поляризации реликтового излучения соединение антенны с болометрами на холодных электронах с помощью системы полосковых линий не удается обойтись без пересечений полосковых линий, что в значительной мере усложняет технологический процесс совместного изготовления антенны и болометров.
Схожими преимуществами и недостатками обладает и синусоидальная антенна (Патент США # US 4658262, 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, требует пересечений полосковых линий для соединения с болометрами. Данное условие не является приемлемым с точки зрения технологии производства таких антенных систем и болометров в едином технологическом цикле.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предложенной антенны является планарная перекрестно-щелевая антенна [Chattopadayetal., 2000], имеющая в своем составе металлическую подложку с четырьмя пересекающимися щелями, по две для измерения каждой из поляризаций. Данная антенна также имеет хорошие характеристики по поляризационному разрешению и полосе частот. К недостаткам такой антенны относится то, что одни и те же конструктивные элементы антенны (щели) используются для работы на нескольких (двух или более) частотных каналах. Данное требование затрудняет получение оптимальных приемных и частотных характеристик антенны для каждого из частотных каналов. К другим недостаткам такой антенны также относится невозможность сбора сигнала со щелей без пересечения полосковых линий.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание антенны для применения в составе сверхвысокочувствительных орбитальных приемных комплексов, разрабатываемых и планируемых к запуску для исследования поляризации реликтового излучения - одному из важных и актуальных вопросов современной астрономии и космологии. Требования к такой антенне были сформулированы Европейским Космическим Агентством (ЕКА) и приведены во втором столбце таблицы 1. Важной целью для ЕКА представляется уменьшение размеров фокальной плоскости за счет размещения в ней многочастотных пикселей для сбора данных на разных частотах. Такой подход позволит решить проблему с аберрацией и однородностью диаграммы направленности по всей фокальной плоскости. Для исследования поляризации реликтового излучения предъявляются особые требования к антенным системам, которые будут использоваться в COrE. Помимо возможности приема одновременно двух взаимно перпендикулярных поляризаций на нескольких частотах и в одном пикселе, такая антенна должна хорошо согласовываться со сверхчувствительными детекторами субТГц излучения.
Многочастотная планарная щелевая антенна типа ракушка состоит, как и прототип, из металлической подложки со щелями, напыленного поверх подложки диэлектрического слоя, системы полосковых линий для связи с болометрами и собирающей линзы и отличается от прототипа тем, что в предложенной антенне щели не пересекаются. Технический результат достигается путем сочетания особого расположения щелей в антенне ракушке и их гантелеобразной формы. Важным преимуществом антенны типа ракушка является то, что каждая совокупность щелей предназначена для работы на одной частоте, что позволяет подстраивать каждую систему щелей в отдельности, не затрагивая при этом характеристик элементов антенны, ответственных за работу на соседних частотах.
Полезная модель поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
На фиг. 1 Общий вид системы и ее поперечный разрез
На фиг. 2 Дизайн центральной части антенны для одной частоты
На фиг. 3 Дизайн центральной части антенны для двух частот
Антенна типа ракушка представляет собой систему щелей, выполненных в металлическом слое 1, являющихся основными конструктивными элементами антенны и определяющих ее характеристики. Этот металлический слой покрыт диэлектрическим слоем. Поверх диэлектрического слоя расположена система полосковых линий, обеспечивающих соединение щелей и детекторов. С другой стороны от металлического слоя расположена подложка 2, на которой закреплена сферическая линза 3 с нанесенным на нее просветляющим покрытием 4.
Вариант дизайна центральной части антенны для одной частоты показан на Фиг. 2. Слой диэлектрика скрыт для наглядности чертежа. Антенна состоит из системы щелей 5, настроенных на рабочую частоту. Сужение по центру щелей 6 является сосредоточенной емкостью. Сбор сигнала со щелей выполняется с помощью полосковых линий, оканчивающихся сосредоточенной емкостью 7. Анализ сигнала выполняется детекторами 8.
Антенна может быть модифицирована на большее число частот.
В качестве детекторов предлагается использование болометров на холодных электронах.
2
Подложка и линза могут быть выполнены из кремния. Просветляющие покрытие линзы может быть выполнено из кварца. Диэлектрический слой может быть выполнен из SiO.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Система из четырех одинаковых щелей, находящихся на равном расстоянии друг от друга, образуют элемент антенны, ответственный за одну рабочую частоту. Длина щелей подбирается приближенно равной λ/2 - половине длины волны на рабочей частоте. Сопряжение щели и полосковой линии осуществляется с помощью отрезка полосковой линии, расположенного вблизи одного из краев щели и оканчивающегося сосредоточенной емкостью. Сужение в центре щели является также сосредоточенной емкостью и служит для тонкой подстройки резонансной частоты щели. Также для этой цели может использоваться изменение расстояния полосковой линии до края щели и значения сосредоточенной емкости, которой оканчивается полосковая линия.
Для настройки антенны на две и более частоты необходимо добавление новых элементов системы, состоящих из четырех одинаковых щелей, расположенных аналогичным образом, что и на Фиг. 2, с симметрией относительно центра всей антенны.
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 антенны типа ракушка является то, что каждая система щелей предназначена для работы на одной частоте. Это позволяет подстраивать каждую систему щелей 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 щелей и детекторов с помощью полосковых линий может быть осуществлено без пересечений полосковых линий, что упростит и ускорит технологический процесс изготовления такой системы антенн и детекторов.
Вариант такой системы для двух частот 75 и 105 ГГц, требуемых для задач ЕКА, представлен на Фиг. З. Численное моделирование системы проведено в программном пакете CSTMWS.
При моделировании были выбраны следующие параметры:
кремневая подложка толщиной 1850 мкм;
металлический слой толщиной 0,15 мкм;
2
диэлектрическим слой SiO толщиной 0,3 мкм;
кремневая сферическая линза диаметром 9 мм;
кварцевое просветляющее покрытие толщиной 430 мкм.
В изображенном варианте антенны используется 4 болометра: два на 75 ГГц, горизонтальная и вертикальная поляризация соответственно, и аналогично для частоты 105 ГГц.
Результаты численного моделирования антенны типа ракушка приведены на следующих рисунках:
На Фиг. 4 Диаграмма направленности на 75 ГГц для горизонтальной поляризации, кополярная и кроссполярная компоненты.
На Фиг. 5 Диаграмма направленности на 75 ГГц для вертикальной поляризации, кополярная и кроссполярная компоненты.
На Фиг. 6 Диаграмма направленности на 105 ГГц для горизонтальной поляризации, кополярная и кроссполярная компоненты.
На Фиг. 7 Диаграмма направленности на 105 ГГц для вертикальной поляризации, кополярная и кроссполярная компоненты.
На Фиг. 8 Частотная зависимость S11-параметра для горизонтальной поляризации принимаемой волны, при Rport=20 Ом. Красная кривая для щели на частоту 75 ГГц, синяя кривая для щели 105 ГГц.
На Фиг. 9 Частотные зависимости действительной (красная кривая) и мнимой (синяя кривая) частей импеданса антенны на 75 ГГц, горизонтальная поляризация.
На Фиг. 10 Частотные зависимости действительной (красная кривая) и мнимой (синяя кривая) частей импеданса антенны на 105 ГГц, горизонтальная поляризация.
На Фиг. 11 Частотная зависимость S11-параметра для вертикальной поляризации принимаемой волны, при Rport=20 Ом. Красная кривая для щели на частоту 75 ГГц, синяя кривая для щели 105 ГГц.
На Фиг. 12 Частотные зависимости действительной (красная кривая) и мнимой (синяя кривая) частей импеданса антенны на 75 ГГц, вертикальная поляризация.
На Фиг. 13 Частотные зависимости действительной (красная кривая) и мнимой (синяя кривая) частей импеданса антенны на 105 ГГц, вертикальная поляризация.
В Таблице 1 приведены численные характеристики, полученные в результате компьютерного моделирования антенны типа ракушка.
Таким образом, антенна типа ракушка представляет собой новый уникальный тип планарной антенны, обладающий чувствительностью к поляризации, и благодаря компактности, гибкостью подстройки, удобству и простоте изготовления, а также узкой диаграмме направленности и избирательности частотных характеристик может быть использована для широкого круга задач, в том числе для будущих космических миссий и исследования реликтового излучения.
[Chattopaday et al., 2000] Goutam Chattopadhyay, David Miller, Henry G. Le Duc, and Jonas Zmuidzinas, IEEE TRANSACTIONS ON MI-CROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, vol. 48, No. 10, OCTOBER 2000. 1680-1686.