Многочастотная планарная щелевая антенна типа ракушка с внутренними фильтрами на основе болометров на холодных электронах с копланарными линиями

Настоящая полезная модель относится к области антенной техники, а именно к планарным многочастотным СВЧ антеннам, чувствительным к поляризации принимаемого излучения. Данная разработка нацелена на применение в составе космического радиотелескопа COrE, разрабатываемого Европейским Космическим Агентством и предназначенного для исследования реликтового излучения.
Аналогом предложенной полезной модели является синусоидальная антенна [Патент США № 4658262], используемая совместно с микрополосковыми линиями и внешними частотными резонансными фильтрами для разных частотных каналов. Антенна такого типа обеспечивает прием сигнала в широкой полосе, и обладает разрешением по частоте и по поляризации принимаемого сигнала. К недостаткам данного аналога относится необходимость использования микрополосковых линий большой длины для вывода принимаемого сигнала с антенны. Данная особенность неизбежно приводит к значительным потерям в микрополосковой линии и, следовательно, к снижению эффективности приемной системы.
Прототипом предложенной полезной модели является антенна типа ракушка с микрополосковыми линиями [Патент РФ на полезную модель № 167585]. Данная антенна представляет собой комбинацию щелевых антенн, попарно связанных микрополосковыми линиями с болометрами на холодных электронах (БХЭ), используемыми в качестве чувствительных датчиков излучения. Благодаря взаимному расположению щелевых антенн данная приемная система является чувствительной к поляризации принимаемого излучения и позволяет легко наращивать количество частотных каналов.
К недостаткам прототипа относится необходимость в большом числе технологических слоев для изготовления микрополосковых линий для связи щелевых антенн с БХЭ. Поскольку по правилам технологии толщина последующего слоя должна быть больше толщины предыдущего, технология изготовления таких структур является сложной и дорогостоящей.
Задача, на решение которой направлена данная полезная модель, заключается в создании многочастотной приемной системы с разрешением по поляризации, предназначенной для применения в космических радиотелескопах для исследования реликтового излучения. При этом ширина каждого частотного канала приемной антенны должна быть равна 20% от центральной частоты канала.
Технический результат заключается в уменьшении числа технологических слоев, необходимых для изготовления описываемой антенной системы.
Технический результат достигается тем, что в многочастотной планарной щелевой антенне типа ракушка с внутренними фильтрами на основе болометров на холодных электронах с копланарными линиями, представляющая собой систему щелевых антенн, выполненных в металлическом слое, нанесенном на подложку, в качестве волноведущих линий для передачи принятого сигнала от щелевых антенн к БХЭ использованы копланарные линии.
В качестве волноведущих линий для передачи принятого сигнала от щелевых антенн к БХЭ использованы копланарные линии, что позволило применить для создания предлагаемой антенной системы более простую и надежную однослойную технологию.
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 поперечный разрез антенной системы с линзой.
На фиг. 2 внешний вид антенной системы со стороны подложки.
На фиг. 3 центральная часть антенны типа ракушка для одной поляризации: дизайн в программном пакете CST Microwave studio (слева); оптическое изображение центральной части антенны (справа).
На фиг. 4 эквивалентная схема БХЭ и антенны.
На фиг. 5 частотная характеристика антенны типа ракушка для частот 75 и 105 ГГЦ, полученная при моделировании в пакете CST
На фиг. 6 график резонансных кривых антенны, полученных в результате эксперимента, а также при численном моделировании без фитинга и с фитингом.
Антенна типа ракушка представляет собой систему щелевых антенн и копланарных линий, выполненных в металлическом слое 1, нанесенном на подложку 2. С другой стороны подложки располагается линза 3 с нанесенным просветляющим покрытием 4. Подложка и линза могут быть выполнены из кремния. Просветляющее покрытие может быть выполнено из кварца.
Вариант центральной части приемной антенны типа ракушка в двухчастотном исполнении, рассчитанной на прием одной поляризации исследуемого сигнала, показан на Фиг. 3. Данная антенная система рассчитана на прием сигнала на частотных каналах 75 и 105 ГГц. Антенная система состоит из двух пар щелевых антенн, разделенных расстоянием λ/2 (половина длины волны) для формирования нужной диаграммы направленности, и связанных копланарными линиями с БХЭ. Длины копланарных линий являются равными для обеспечения синфазной работы щелевых антенн, предназначенных для работы в одном частотном канале.
Для расчета частотной характеристики антенны типа ракушка было проведено электродинамическое моделирование в программном пакете CST Microwave Studio. Для расчета была использована эквивалентная схема антенны с БХЭ, показанная на Фиг. 4. Она состоит из эффективных индуктивности и емкости антенны, активного сопротивления антенны, а также из емкости СИН-переходов и сопротивления абсорбера БХЭ. Эффективные параметры антенны определяют добротность приемной системы на рабочей частоте и рассчитываются в процессе электродинамического моделирования. Частотные характеристики рассчитываются исходя из результатов электродинамического моделирования и показаны на Фиг. 5. Из данной фиг. видно, что ширины частотных каналов, рассчитанные по уровню -3 дБ, соответствуют требуемой ширине в 20% от основной частоты канала.
В работе были проведены тестовые измерения частотных характеристик антенны типа ракушка, рассчитанной на частоты 75 и 105 ГГц. Измерения проводились в криостате при температуре 0,3 К. В качестве источника излучения использовался перестраиваемый по частоте генератор на лампе обратной волны. БХЭ, использующийся в качестве чувствительного датчика излучения, работал в режиме смещения постоянным током. Величина отклика БХЭ на внешнее излучение фиксировалась путем измерения напряжения на БХЭ.
Фиг. 6 показывает сравнение экспериментальной и теоретической частотных характеристик каждого из частотных каналов антенны типа ракушка. Сплошными линиями показаны экспериментально измеренные зависимости поглощаемой мощности от частоты, соответственно, для канала 75 ГГц (синяя кривая) и для канала 105 ГГц (красная кривая). Видно, что зависимости имеют резонансный вид, и центральные частоты резонансов оказываются сдвинутыми в область более высоких частот. Множественные узкие резонансы на экспериментальных кривых связаны с образованием стоячих волн в замкнутом объеме криостата. Для сравнения на этом же графике пунктирными линиями показаны теоретически рассчитанные зависимости поглощаемой мощности от частоты для канала 75 ГГц (синяя кривая) и для канала 105 ГГц (красная кривая). Несоответствие резонансных частот можно объяснить недостаточно отлаженным технологическим процессом, в результате чего фактические значения емкостей СИН-переходов БХЭ отличаются от расчетных. Для проверки этого утверждения был проведен фитинг теоретических кривых к экспериментальным результатам. В процессе фитинга изменялись значения емкостей СИН-переходов для каждого из частотных каналов. Частотные характеристики, полученные в результате фитинга, показаны на Фиг. 6 сплошными линиями с символами. Видно, что с помощью изменения емкостей СИН-переходов удается добиться лучшего соответствия рассчитанных и экспериментально измеренных частотных характеристик антенны.
Дополнительным преимуществом разработанной технологии является отсутствие дополнительного слоя нитрида ниобия для изготовления кинетической индуктивности, что значительно упрощает процесс изготовления и делает систему более надежной и менее чувствительной к процессу изготовления. Слоты и БХЭ соединяются копланарными линиями вместо микрополосковых линий для реализации наиболее надежной однослойной технологии с единственной заземляющей плоскостью вместо 3-слойной технологии для микрополосковых линий.
Эти эксперименты подтверждают, что антенна типа ракушки с внутренними фильтрами, реализуемыми резонансными слотами и БХЭ демонстрирует значительное упрощение структуры с независимой настройкой для каждой полосы частот и значительное упрощение технологии. Многочастотная антенна типа ракушка может эффективно использоваться для создания многополосных элементов для поляриметрии реликтового излучения.