RU191641U1

RU191641U1 - Shell-type multi-frequency planar slotted antenna with internal filters based on cold electron bolometers with coplanar lines

Info

Publication number: RU191641U1
Application number: RU2019114397U
Authority: RU
Inventors: Леонид Сергеевич Кузьмин; Антон Сергеевич Мухин; Александр Валерьевич Чигинев
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2019-08-14

Abstract

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.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. 6 ил.The present utility model relates to the field of antenna technology, namely to planar multi-frequency microwave antennas that are sensitive to the polarization of the received radiation. This development is aimed at using the COrE space radio telescope developed by the European Space Agency and intended for the study of CMB radiation. The objective of this utility model is to create a multi-frequency receiving system with polarization resolution for use in space radio telescopes for relict radiation studies. In this case, the width of each frequency channel of the receiving antenna should be equal to 20% of the center frequency of the channel. The technical result consists in reducing the number of technological layers necessary for the manufacture of the described antenna system. The technical result is achieved in that in a multi-frequency planar slotted antenna of the shell type with internal filters based on cold electron bolometers with coplanar lines, which is a system of slot antennas made in a metal layer deposited on a substrate As waveguide transmission lines of the received signal from the slot antennas used for BChE as linii.V coplanar waveguide transmission lines of the received signal from the slot antennas used for BChE coplanar line, which allowed to use to create the proposed antenna system simpler, more reliable single-layer technology. 6 ill.

Description

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.The present utility model relates to the field of antenna technology, namely to planar multi-frequency microwave antennas that are sensitive to the polarization of the received radiation. This development is aimed at the use of the COrE space radio telescope, developed by the European Space Agency and intended for the study of CMB radiation.

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.An analogue of the proposed utility model is a sinusoidal antenna [US Patent No. 4658262], used in conjunction with microstrip lines and external frequency resonance filters for different frequency channels. An antenna of this type provides reception of a signal in a wide band, and has a resolution in frequency and in polarization of the received signal. The disadvantages of this analogue include the need to use long microstrip lines to output the received signal from the antenna. This feature inevitably leads to significant losses in the microstrip line and, consequently, to a decrease in the efficiency of the receiving system.

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.A prototype of the proposed utility model is a shell-type antenna with microstrip lines [RF Patent for Utility Model No. 167585]. This antenna is a combination of slot antennas pairwise coupled by microstrip lines with cold electron bolometers (BChEs) used as sensitive radiation sensors. Due to the mutual arrangement of slot antennas, this receiving system is sensitive to the polarization of the received radiation and makes it easy to increase the number of frequency channels.

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.The disadvantages of the prototype include the need for a large number of technological layers for the manufacture of microstrip lines for connecting slotted antennas with BChE. Since, according to the rules of technology, the thickness of the subsequent layer must be greater than the thickness of the previous one, the manufacturing technology of such structures is complex and expensive.

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.The problem that this utility model aims to solve is to create a multi-frequency receiving system with polarization resolution, intended for use in cosmic radio telescopes for the study of CMB radiation. In this case, the width of each frequency channel of the receiving antenna should be equal to 20% of the center frequency of the channel.

Технический результат заключается в уменьшении числа технологических слоев, необходимых для изготовления описываемой антенной системы.The technical result consists in reducing the number of technological layers necessary for the manufacture of the described antenna system.

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.The technical result is achieved in that in a multi-frequency planar slit antenna of the shell type with internal filters based on cold electron bolometers with coplanar lines, which is a system of slot antennas made in a metal layer deposited on a substrate as waveguide lines for transmitting the received signal from slot antennas for BChE used coplanar lines.

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.Coplanar lines were used as waveguide lines for transmitting the received signal from slot antennas to BEC, which made it possible to use a simpler and more reliable single-layer technology to create the proposed antenna system.

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:The utility model is illustrated by drawings, which do not cover and, moreover, do not limit the entire scope of the claims of this technical solution, but are only illustrations of a particular case of execution:

На фиг. 1 поперечный разрез антенной системы с линзой.In FIG. 1 cross section of an antenna system with a lens.

На фиг. 2 внешний вид антенной системы со стороны подложки.In FIG. 2 the appearance of the antenna system from the side of the substrate.

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).In FIG. 3 the central part of the shell-type antenna for one polarization: design in the CST Microwave studio software package (left); optical image of the central part of the antenna (right).

На фиг. 4 эквивалентная схема БХЭ и антенны.In FIG. 4 equivalent circuit of BChE and antenna.

На фиг. 5 частотная характеристика антенны типа ракушка для частот 75 и 105 ГГЦ, полученная при моделировании в пакете CSTIn FIG. 5 frequency response of a shell-type antenna for frequencies of 75 and 105 GHz, obtained by modeling in the CST package

На фиг. 6 график резонансных кривых антенны, полученных в результате эксперимента, а также при численном моделировании без фитинга и с фитингом.In FIG. 6 is a graph of the resonance curves of the antenna obtained as a result of the experiment, as well as in numerical modeling without fitting and with fitting.

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.An antenna of the shell type is a system of slot antennas and coplanar lines made in a metal layer 1 deposited on a substrate 2. On the other side of the substrate is a lens 3 coated with an antireflection coating 4. The substrate and the lens can be made of silicon. The antireflection coating can be made of quartz.

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.A variant of the central part of a two-frequency shell-type receiving antenna designed to receive one polarization of the signal under investigation is shown in FIG. 3. This antenna system is designed to receive a signal on the frequency channels 75 and 105 GHz. The antenna system consists of two pairs of slot antennas, separated by a distance of λ / 2 (half the wavelength) to form the desired radiation pattern, and connected by coplanar lines with BChE. The lengths of coplanar lines are equal to ensure common mode operation of slot antennas designed to operate in a single frequency channel.

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.To calculate the frequency response of a shell-type antenna, electrodynamic modeling was performed in the CST Microwave Studio software package. For the calculation, the equivalent circuit with the BChE antenna shown in FIG. 4. It consists of the effective inductance and capacitance of the antenna, the active resistance of the antenna, as well as the capacitance of the SIN junctions and the resistance of the BChE absorber. Effective antenna parameters determine the quality factor of the receiving system at the operating frequency and are calculated in the process of electrodynamic modeling. Frequency characteristics are calculated based on the results of electrodynamic modeling and are shown in FIG. 5. From this FIG. it can be seen that the widths of the frequency channels calculated at a level of -3 dB correspond to the required width of 20% of the main channel frequency.

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.In the work, test measurements of the frequency characteristics of a shell-type antenna designed for frequencies of 75 and 105 GHz were carried out. The measurements were carried out in a cryostat at a temperature of 0.3 K. A frequency-tunable generator based on a backward-wave lamp was used as a radiation source. The BChE, used as a sensitive radiation sensor, operated in DC bias mode. The magnitude of the response of BChE to external radiation was recorded by measuring the voltage at BChE.

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.FIG. 6 shows a comparison of the experimental and theoretical frequency characteristics of each of the frequency channels of a shell-type antenna. The solid lines show the experimentally measured dependences of the absorbed power on the frequency, respectively, for the channel of 75 GHz (blue curve) and for the channel of 105 GHz (red curve). It is seen that the dependences have a resonance form, and the central frequencies of the resonances are shifted to the region of higher frequencies. Multiple narrow resonances in the experimental curves are associated with the formation of standing waves in a closed cryostat volume. For comparison, in the same graph, dashed lines show the theoretically calculated dependences of absorbed power on frequency for the channel of 75 GHz (blue curve) and for the channel of 105 GHz (red curve). The mismatch of the resonant frequencies can be explained by an insufficiently streamlined technological process, as a result of which the actual values of the capacitances of the BHE SIN junctions differ from the calculated ones. To verify this statement, a fitting of theoretical curves to experimental results was carried out. During the fitting process, the capacitances of the SIN junctions for each of the frequency channels were changed. The frequency response obtained from the fitting is shown in FIG. 6 solid lines with symbols. It can be seen that by changing the capacitances of the SIN junctions it is possible to achieve a better match between the calculated and experimentally measured frequency characteristics of the antenna.

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.An additional advantage of the developed technology is the absence of an additional layer of niobium nitride for the manufacture of kinetic inductance, which greatly simplifies the manufacturing process and makes the system more reliable and less sensitive to the manufacturing process. Slots and BCE are connected by coplanar lines instead of microstrip lines to implement the most reliable single-layer technology with a single ground plane instead of 3-layer technology for microstrip lines.

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.These experiments confirm that the shell-type antenna with internal filters implemented by resonant slots and BChE demonstrates a significant simplification of the structure with independent tuning for each frequency band and a significant simplification of the technology. A shell-type multi-frequency antenna can be effectively used to create multi-band elements for CMB polarimetry.

Claims

A multi-frequency planar slit antenna of the shell type with internal filters based on cold electron bolometers with coplanar lines, which is a system of slot antennas made in a metal layer deposited on a substrate, characterized in that as waveguide lines for transmitting the received signal from the slot antennas to BChE used coplanar lines.