Активные микрополосковые антенны и фазированные решетки на полевых транзисторах

Любченко Владимир Евтихиевич; Юневич Евгений Олегович; Калинин Валерий Иванович; Котов Виктор Дмитриевич; Радченко Дмитрий Евгеньевич; Телегин Сергей Александрович

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

АКТИВНЫЕ МИКРОПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫ И ФАЗИРОВАННЫЕ РЕШЕТКИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Любченко В. Е., Юневич Е. О., Калинин В. И., Котов В. Д., Радченко Д. Е., Телегин С. А.

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова, Фрязинский филиал, Российская академия наук, http://fire.relarn.ru

141120 г. Фрязино, Московская область, Российская Федерация Поступила в редакцию 25.02.2015

В статье обобщены результаты исследований, проведенных авторами в области создания т.н. активных антенн СВЧ диапазона — устройств, в которых микрополосковая антенна непосредственно, без промежуточных фидеров, соединена с активным полупроводниковым элементом. Основное внимание уделено процессам генерации излучения, в том числе в составе многоэлементных матричных структур. Активная антенна, в данном случае антенна-генератор (АГ), представляет собой плоскую логопериодическую антенну с вмонтированным в ее плечи полевым транзистором, расположенную на диэлектрической подложке с металлизацией тыльной стороны. Мощность генерации одиночной АГ составляла 5-7 мВт на частоте до 20 ГГц, с к.п.д. до 20%. Исследовалась возможность сложения мощностей в пространстве излучения одномерных и двумерных матриц. Показано, что при работе двух АГ, собственные частоты которых различаются менее чем на 50 МГц, происходит их взаимная синхронизация, преимущественно путем возбуждения поверхностных волн в диэлектрической подложке. Однако для синфазного сложения мощностей в двумерной матрице из 4 и более элементов необходим внешний источник синхросигнала или использование специального отражателя. Компьютерное моделирование и экспериментальное исследование позволили установить, что в зависимости от толщины диэлектрической подложки возможна генерация одночастотных, многочастотных и хаотических сигналов с выводом излучения как в свободное пространство, так и в волноводные структуры.

Ключевые слова: антенна-генератор, полевой транзистор, матрицы излучателей, синхронизация, сложение мощностей.

УДК 621.396_

Содержание

1. Введение (3)

2. Конструкция антенны-генератора (4)

3. Синхронизация и сложение мощностей (5)

4. Синхронизация и сложение мощностей в открытом резонаторе (8)

5. многочастотная генерация (9)

5.1. Генерация на гармониках (9)

5.2. генерация хаоса (9)

6. Микрополосковая антенна-генератор с выводом излучения в диэлектрический волновод (10)

6.1. Конструкция активной антенны в SIW волноводе (11)

6.2. Моделирование распределения полей в активной антенне (11)

7. заключение (12) Литература (12)

1. ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковые приборы составляют важную составляющую современных

радиосистем СВЧ и КВЧ диапазонов в качестве активных элементов приемных и передающих устройств. Их отличает высокая надежность, способность работать в широком диапазоне температур, возможность создания гибридных и монолитных интегральных схем. Проблемой являются энергетические показатели, прежде всего выходная мощность генераторов, которая резко падает с увеличением рабочей частоты [1]. Решение проблемы возможно путем сложения мощностей нескольких источников излучения, в частности, генераторов, выполненных в виде микрополосковых антенн, интегрированных с полупроводниковыми активными элементами, т.н. антенн-генераторов (АГ). Этому способствует и тот факт, что с ростом рабочей частоты размеры антенн уменьшаются, так что становится возможным разместить на общей подложке фазированную решетку (матрицу)

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

излучателем.

Проблеме создания микрополосковых активных антенн и фазированных антенных решеток (ФАР) с использованием полупроводниковых приборов посвящено большое количество работ, в том числе обзоры и монографии [2-6]. Основные усилия авторов были сосредоточены на исследовании процессов взаимодействия активных антенн в составе ФАР с целью сложения мощностей излучения [4]. Наиболее просто идея реализуется при использовании диодов Ганна или лавинно-пролетных диодов, которые, будучи двухэлектродными приборами, являются в то же время автогенераторами, т.е. антенна выполняет только функцию нагрузки и излучателя [7]. При интеграции с транзистором антенна должна также обеспечивать обратную связь, необходимую для возбуждения высокочастотных колебаний. Это усложняет условия генерации и схему питания, однако использование транзисторов обеспечивает более высокий к.п.д. и возможность работы в широком диапазоне частот.

В настоящей работе приведены результаты исследования процессов генерации

электромагнитных волн с помощью микрополосковых антенн, интегрированных с полевымитранзисторами,втомчислевозможности их работы в составе многоэлементных матриц с целью создания источников излучения СВЧ и КВЧ диапазона.

2. КОНСТРУКЦИЯ АНТЕННЫ-ГЕНЕРАТОРА

Антенна-генератор (А1') представляет собой плоскую микрополосковую антенну логопериодического типа с вмонтированным в ее плечи полевым транзистором, расположенную на диэлектрической подложке

Затвор

Транзистор

(рис. 1). Исток транзистора соединяется с металлизированной тыльной стороной подложки через отверстие.

Достоинством антенн логопериодического типа является широкая частотная полоса, позволяющая осуществлять генерацию как в одночастотном, так и в многочастотном режиме. Наличие с тыльной стороны подложки металлического экрана превращает антенну в набор колебательных контуров с достаточно высокой добротностью. К настоящему времени развиты как аналитическая теория логопериодических антенн [8], так и методы численного моделирования [9]. Важную роль играет расстояние Ь между плоскостью антенны и металлизацией тыльной стороны подложки. При расстоянии, составляющем четверть длины волны в диэлектрике, наблюдается наиболее эффективная генерация (рис. 2).

Генерация обычно возникает на частоте, определяемой первым, наиболее длинным

л ,

зубцом: * 2 где I — длина зубца, еа-диэлектрическая проницаемость материала подложки [8]. Кроме того, при достаточно большом коэффициенте усиления

транзистора в антенне такого типа возможны колебания с более высокой частотой, задаваемой более короткими зубцами. При

Л = л (¡2)"

этом ** ' где п - номер зубца. На рис.

3 представлен спектр генерации АГ на частоте, соответствующей длине первого зубца.

Рис. 1. ^ 1огопериодическая антенна с полевым транзистором: h — толщина диэлектрика; I — длина первого зубца антенны

5 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35

Рис. 2. Зависимость излучаемой мощности АГ от относительной толщины подложки: 1 —расчет; 2 - эксперимент.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

«

л н о о к

а

о

§

X л

ч

о

к

о о в н

о

Оп

-10-

-20-

-30-

-40-

-50

ю

12

14 16

а)

Частота, ГГц

Рис. 3. Спектр одночастотной генерации. Алина зубца I — 3.95 мм, с1 = 2 мм (0.15Х).

Как видно из рисунка, наблюдаемая частота генерации (13.68 ГГц), вполне соответствует расчетной величине (13.8 ГГц).

В качестве активных элементов использовались преимущественно корпусные полевые транзисторы с максимальной рабочей частотой 20-25 ГГц. Мощность генерации составляла 5-7 мВт на частоте до 20 ГГц при к.п.д. до 20%.

3. СИНХРОНИЗАЦИЯ И СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ

Интерес к полупроводниковым АГ, как отмечено выше, в значительной мере связан с возможностью их объединения в многоэлементные устройства, позволяющие осуществлять сложение мощностей излучения в пространстве. Для этого необходимо обеспечить частотную п фазовую синхронизацию матрицы антенн-генераторов, расположенных на общей диэлектрической подложке. В настоящей работе исследовались два типа матриц — линейная и двумерная (рис. 4)

Эксперименты показали, что при работе двух антенн-генераторов, у которых частоты генерации различаются менее чем на 50 МГц, происходит их взаимная синхронизация. При увеличении количества АГ в матрице синхронизация может иметь место и при большем разбросе собственных частот генерации (рис. 5). В результате осуществляется генерация и излучение матрицы АГ на одной частоте. Взаимное влияние излучателей осуществляется преимущественно путем возбуждения волн в диэлектрической

Рис. 4. Матрицы АГ; а) линеиная 1х4; б) двумерная 2х2. подложке. При ослаблении взаимного влияния АГ через подложку полоса взаимной синхронизации резко уменьшается. Если антенны на общей подложке расположены линейно (одномерная матрица) и расстояние между центрами соседних антенн близко к длине волны в диэлектрике, происходит взаимная синхронизация и суммирование мощностей излучения трех и более антенн-генераторов, что подтверждается сужением общей диаграммы направленности (ДН) излучения. Однако при создании на одной подложке двумерной матрицы АГ, несмотря

М

л н о о

х

ао

3

я

л

«

Щ

н к

о о к н

о

5

4 1 3 2

■1

,00 7, 05 7, 10 7, 5 7,.

Частота, ГГц

Рис. 5. Спектр независимо работающих АГ матрицы 2х2 (1-4); результирующий спектр взаимно синхронизированной матрицы (5).

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

1,0

h0

У 0,8

я Я § 0,6

0,4

§ к

л

ч

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

и н

о 0,2

о К

н О

0,0

\ 1x4

2x2

Л

/Л V

-90 -60 -30 0 30 60 90 Ф, град

Рис. 6. Диаграмма направленности взаимно

синхронизированной матрицы 2х2 и 1х4. на наличие частотной синхронизации, синхронное по фазе взаимодействие колебаний всех АГ не обеспечивается, в результате чего формируется широкая или даже многолучевая ДН (рис. 6).

Решить проблему синхронизации по частоте и по фазе большого количества независимых излучателей можно с помощью облучения матрицы АГ внешним полем. Для исследования такой возможности использовалась установка, схема которой приведена на рис. 7.

Под воздействием внешнего сигнала собственная частота одиночной АГ может перестраиваться в пределах до 400 МГц [10, 11]. При этом мощность, необходимая для синхронизации АГ более чем на порядок меньше генерируемой.

Исследовалась возможность

синхронизации внешним полем как работающих совместно и уже взаимно

Поворотная платформа

Измеритель мощности

Генератор

СС

Анализатор спектра

синхронизированных антенн-генераторов, так п АГ, работающих автономно. В случае уже взаимно синхронизированных АГ, диапазон частот внешнего сигнала, в котором имеет место синхронизация на частоте внешнего сигнала (полоса внешней синхронизации), зависит от количества работающих антенн-генераторов п плотности потока мощности электромагнитного поля, воздействующего на АГ (рис. 8). Из рисунка видно, что при увеличении количества одновременно работающих АГ полоса синхронизации внешним сигналом уменьшается и монотонно растет по мере увеличения плотности потока мощности электромагнитного поля, воздействующего на матрицу.

В случае одновременной работы нескольких излучателей в матрице и отсутствия между ними взаимной синхронизации, возможность внешней синхронизации определяются многими факторами — количеством АГ, разбросом собственных частот и мощности генерации излучателей, геометрическим положением антенн, плотностью потока мощности синхросигнала в месте расположения АГ [12]. Например, в линейной матрице из двух АГ синхронизация внешнем полем мощностью 300 мкВт/см2 достигается при условии, что разность генерируемых ими частот не превышает величину 150 МГц (на частоте 16.5 ГГц). Это значительно превышает допустимый разброс частот, при котором имеет место взаимная

400

Рис. 7. Установка для измерения диаграммы направленности АГ при воздействии синхронизирующего сигнала (СС).

50 100 150 200 250 300

Плотность потока мощности, мкВт/см

Рис. 8. Зависимость полосы внешней синхронизации для отдельно взятой АГ (1) и линейных матриц из двух (2) и трех (3) взаимно синхронизированных АГ от плотности потока мощности синхросигнала.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

синхронизация.

Эволюция спектров излучения линейной матрицы при внешней синхронизации представлена на рис. 9. В приведенном на рис. 9а примере собственные частоты трех АГ расположены в диапазоне 250

а)

2,0

РЗ

ч

А H о о я

а

о

§ я

hQ Cl <D H Я о О

я

H

О

-10

-20 -30 -40 -50 -60

-70

РЗ

tt

А H о о

Я &

о

§ я

Л

Cl <D H Я о О

я

H

О

-10 -20 -30 -40 -50 -60

РЗ

tt

А H о о Я

а

о

§ я

Л

Cl <D H Я о О

я

H

О

-7015,5

-10 -20 -30 -40 -50 -60

-7015,5

15,5 16,0 16,5

Частота, ГГц б)

17,0

17,5

1 2

16,0 16,5

Частота, ГГц в)

17,0

17,5

1

2

16,0

17,0

17,5

н m

hQ H О О

я

а

о

1,5

1,0

0,5

0,0

2'

1

-60 -40 -20 0 20 40 60 9, град

Рис. 10. Анаграммы направленности излучения матрицы: 1 - АГ не синхронизированы; 2 — взаимная синхронизация;

3 — внешняя синхронизация. МГц п в отсутствие синхросигнала за

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

счет взаимодействия между генераторами

устанавливается асинхронный режим с

многочастотным спектром колебаний.

При воздействии внешнего спнхроспгналавне полосы синхронизации наблюдается взаимная синхронизация (рис. 96) и устанавливается генерация всех антенн-генераторов на общей частоте, отличной от частоты воздействующего синхросигнала. Результирующий спектр излучения содержит общую частоту генерации (1), частоту синхросигнала (2) и комбинационные составляющие. При перестройке и вхождении синхросигнала в полосу синхронизации (—150 МГц) наблюдается полная синхронизация всей матрицы АГ на частоте синхросигнала (рис. 9в).

На рис. 10 приведены диаграммы направленности излучения матрицы из четырех АГ для различных случаев синхронизации, а в таблице 1 - результаты измерения параметров излучения.

Измерялись ширина ДН ф по уровню -3 дБ, мощность излучения Р в максимуме ДН и полная мощность генерация PQ:

Таблица 1.

Параметры излучения матрицы АГ в различных режимах синхронизации

16,5 Частота, ГГц

Рис. 9. Изменение спектра излучения матрицы из 3-х АГ при синхронизации внешним сигналом: 1 — частота излучения АГ, 2 — частота внешнего сигнала.

Параметры излучения ф, град P , мВт m' P„, мВт

Одиночная АГ 65 0.17 7

Матрица без синхронизации 30 0.93 14.9

Матрица в условиях взаимной синхронизации 17 1.44 13.7

Матрица в условиях внешней синхронизации 13 1.9 14

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

p = P

1 0 1 m

UnR^2

V Л0 У

GaGh

где и 0Ь коэффициенты направленного действия (КНД) антенны-генератора и приемной рупорной антенной соответственно; Я — расстояние между АГ и приемной антенной. КНД антенны-генератора рассчитывался из ширины главного лепестка на уровне -3 дБ в двух плоскостях. Диаграммы направленности измерялись в плоскости, проходящей через ось решетки. В перпендикулярной плоскости ширина ДН матрицы равна ширине ДН одиночной антенны.

Из приведенных на рис. 10 и в таблице 1 данных видно, что в линейной матрице частичное сужение диаграммы направленности может иметь место и в случае отсутствия синхронизации за счет асинхронного взаимодействия между АГ. Однако при этом ДН получается достаточно широкой и максимум ее отклоняется от нормали. Взаимная синхронизация позволяет получить сложение мощностей, а ширина ДН уменьшается в четыре раза по сравнению с автономно работающей антенной. Наличие синхросигнала приводит к дополнительному сужению диаграммы направленности и росту излучаемой мощности в максимуме. Это может быть связано с изменением формы диаграммы направленности каждой антенны-генератора под воздействием синхронизирующего излучения. На рис. 11 приведена ДН одиночной антенны-генератора под воздействуем

300

синхронизирующего излучения. Значительное изменение формы диаграммы направленности может быть обусловлено изменением режима работы транзисторов или импеданса антенны-генератора.

4. СИНХРОНИЗАЦИЯ И СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ В ОТКРЫТОМ РЕЗОНАТОРЕ

Использование внешней синхронизации связано со значительным усложнением всей системы, т.к. требует внешнего источника синхросигнала. В то же время при размещении вблизи матрицы антенн полупрозрачного зеркала из поликора (рис. 12), под воздействием отраженного от зеркала сигнала происходит усиление взаимодействия между АГ, их синхронизация и сложение мощностей в пространстве [13]. При этом разброс собственных частот колебаний отдельных АГ может достигать 150 МГц, что в отсутствии зеркала возможно только при значительных мощностях внешней синхронизации.

Исследование поведения одиночной антенны позволило установить, что при наличии полуотражающего зеркала значительно меняется диаграмма направленности АГ (рис. 13).

Максимум излучаемой в пике мощности наблюдается при расстоянии антенны до зеркала 0.5Х,. В ряде случаев наблюдается и значительное увеличение полной мощности генерации, так что к.п.д. генерации может достигать 30%.

Чтобы понять причины такого значительного изменения формы ДН проводился модельный расчет распределение плотности электрической энергии в плоскости логоперподпческой

Матрица АГ

ф.град

Рис. 11. Диаграмма направленности одиночной АГ без внешнего воздействия (1) и синхронизированной внешним полем (2).

Диэлектрическая подложка

Рис. 12. Схема размещения матрицы АГ в открытом резонаторе. Полупрозрачное зеркало — поликор (ег = 9.7; коэф. отражения — 0.26).

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

3,0

2,5

н со 2,0

2

Л н 1,5

о

К 1,0

2 0,5

0,0

Л ................3

/

к - 2

и Г 1

д V 1

их ¿г V/

-90 -60 -30 0 30 60 90 9, град

Рис. 13. Диаграммы направленности излучения матрицы 2х2 в условиях синхронизации и сложения мощностей в открытом резонаторе. 1 — отсутствие синхронизации; 2 — взаимная синхронизация (разброс собственных частот АГ Af <50 МГц); 3 — в присутствии зеркала (А/ <150 МГц).

антенны (рис. 14).

Изменение положения отражающего зеркала приводит к изменению распределения излучаемой энергии в плоскости антенны и, следовательно, к изменению ДН.

5. МНОГОЧАСТОТНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ

Поскольку в составе антенны присутствуют контура с частотами, в

колебательные

резонансными

существовать

гармонических

возникновения

одновременно колебаний.

различными АГ могут несколько Возможность многочастотной

характер

генерации существенно зависит от величины коэффициента усиления транзистора и его зависимости от частоты (рис. 15).

Рис. 14.

энергии в антенны-а)

а б в

Эволюция распределения плотности электрической плоскости антенны и диаграммы направленности генератора при наличии полуотражающего зеркала: зеркала; б) зеркало на расстоянии 0.2Х; в) зеркало на расстоянии 0.5Х.

-10-Т

РЗ

« -20-

Л

н

о о -30-

и

в о -40-

§ -50-

я

Л ч и н -60-

К о -70-

о

я

н о -800

20

25

5 10 15 Частота, ГГц

Рис. 15. Многочастотный спектр излучения АГ.

5.1. ГЕНЕРАЦИЯ НА ГАРМОНИКАХ

Для того, чтобы получить генерируемую мощность в миллиметровом диапазоне волн использовались экспериментальные бескорпусные транзисторы с коэффициентом усиления 6 дБ на частоте 40 ГГц, а также открытый резонатор. В этом случае вывод излучения осуществлялся через отверстие в центре сферического зеркала.

Без резонатора генерацию даже на первой гармонике получить не удалось, видимо, в связи с малым коэффициентом усиления транзистора. Однако в резонаторе удалось получить генерацию на второй гармонике (таблица 2).

Возможность генерации на второй гармонике в открытом резонаторе представляет практический интерес в случаях, когда невозможно получить генерацию на первой гармонике в необходимом диапазоне частот из-за малого коэффициента усиления транзистора [14].

5.2. ГЕНЕРАЦИЯ ХАОСА

Существенные особенности в спектре генерации АГ появляются при малых расстояниях между антенной и металлизацией на тыльной стороне подложки, когда толщина диэлектрика составляет 0.1-0.03^. В работе [15] упоминается, чтопри значительном уходе от четвертьволновой

Таблица 2.

Мощность излучения АГ на первой и второй гармонике

Номер образца Расчетная частота, ГГц Измеренная частота, ГГц Измеренная мощность, мВт

I гарм. II гарм. I гарм. II гарм. I гарм. II гарм.

1 22 44 22 42 0.8 0.14

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2 32 64 36 58 1 0.1

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

1,6-т

1,4"

Задержка, не

Рис. 17. Автокорреляционная функция хаотического сигнсиш. хаотическим (рис. 17).

6. МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА-ГЕНЕРАТОР С ВЫВОДОМ ИЗЛУЧЕНИЯ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД

До настоящего времени мы рассматривали вывод излучения в открытое пространство. Однако для многих радиотехнических применений необходимо выводить излучение с помощью волноводов. Одной из возможных конструкции для интеграции с матрицей логопериодических АГ является волновод, интегрированный в подложку (Substrate Integrated Waveguide -SIW).

Интегрированный в подложку волновод представляет собой линию передачи, которая состоит из диэлектрической подложки, ограниченной двумя параллельными

металлическими пластинами и двумя рядами межслойных цилиндрических переходов, обеспечивающих единую эквипотенциальную поверхность волновода. На рис. 18 изображены основные параметры волновода интегрированного в подложку: p — шаг отверстий, d — диаметр, h — толщина подложки, w — ширина

толщины подложки генерация становится нестабильной. Для исследования перехода к нестабильной генерации было изготовлено несколько образцов антенн-генераторов с различными размерами логопериодической антенны. При толщинах от 0.15Х, до 0.25Х наблюдалась стабильная одночастотная генерация. При использовании более тонкой подложки (в эксперименте толщина составила О.Обк) одночастотная генерация отсутствует (рис. 16).

При этом, на частоте близкой к расчетной наблюдается многочастотная генерация с характерным интервалом 50 МГц между спектральными линиями. За счет небольших изменений режимов питания транзистора удавалось свести генерацию к хаотической.

Ширина спектра составила 200 МГЦ (около 3% от центральной частоты). Автокорреляционная функция хаотического сигнала имеет небольшие всплески, что говорит о том, что сигнал не является по-настоящему

и

ч

н о о X

в

о

к

К!

а

л

ц

и

н =

о О

х

н О

-35

-40Н

-45

-50

-55

-60

-65

-70

1

1 I

л! ill li LI

Л |р «и

6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 Частота, ГГц

7,0

и

ч

о я В о

«

то Я л

ч

о н

s

о О

о

-45

-50Н -55 -60 -65

-70

lull

я \

1 ill iAnifli

№

6,0

7,0

6,2 6,4 6,6 6,8 Частота, ГГц

Рис. 16. Переход от многочастотной к хаотической

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

волновода, ег - относительная диэлектрическая проницаемость подложки [16].

Внимание данной конструкции стало уделяться в последние несколько лет в связи с повышением плотности упаковки элементов на печатных платах и необходимостью уменьшения взаимного влияния фидерных линий друг на друга. В нашем случае данный тип фидерной линии также предпочтителен с точки зрения легкости возбуждения в ней волнового процесса. По своим параметрам данная конструкция близка к металлическому волноводу, заполненному диэлектриком, однако для нее свойственны эффекты частотной селективности, характерные для периодических структур. Для интеграции с данным волноводом удобна конструкция, в которой антенна оказывается помещенной между двух металлических экранов, на одном из которых выделяется место под монтаж транзисторов.

Одно из достоинств данной технологии — возможность интегрировать все компоненты на одной подложке, включая пассивные компоненты, активные элементы и антенны [17].

6.1. КОНСТРУКЦИЯ АКТИВНОЙ АНТЕННЫ В SIW ВОЛНОВОДЕ

Для оценки эффективности вывода мощности излучения от активной антенны с помощью описанного выше волновода предложена следующая конструкция. На диэлектрической подложке с одной стороны размещается логопериодическая антенна (излучатель), а также реализуется уже рассмотренная выше конструкция интегрированного волновода с заданными частотными параметрами. С другой стороны подложка полностью металлизирована. На стороне металлизации также располагается активный элемент — транзистор, выводы которого связаны с лепестками антенны через переходные металлизированные отверстия. Над областью излучателя монтируется еще один слой диэлектрика, металлизированный с одной стороны. Оба слоя металлизации получившейся конструкции соединяются переходными металлизированными отверстиями по периметру (рис. 19), кроме места подключения волновода.

Рис. 19. Конструкция активной антенны, интегрированной с волноводом на подложке.

Таким образом, антенна оказывается помещенной в закрытый резонатор, к которому подключен волновод.

6.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЙ В АКТИВНОЙ АНТЕННЕ

Для проведения моделирования применялся широко распространенный метод

пространственной матрицы передающих линий ^ЛЪМ) [18].

Из полученных в результате компьютерного моделирования данных (рис. 20) видно, что на частоте 15 ГГц (основная мода для волновода) значительная часть энергии излучения отводится в волновод.

Для оценки мощности излучения, выводимой через диэлектрический волновод, на конце его был сделан скос, позволяющий согласовать диэлектрический волновод с полым металлическим волноводом. Измеренная мощность излучения в полом металлическом волноводе составила порядка 1 мВт, что сравнимо с мощностью, излучаемой этой же антенной в открытое пространство.

Рис. 20. Распределение плотности энергии от единичной антенны-генератора.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Логопериодическая микрополосковая антенна с включенным в ее плечи полевым транзистором является эффективным генератором электромагнитных волн в см и мм диапазоне. Генерация может осуществляться как в одночастотном, так и в многочастотном режиме, включая возможность получения хаотического сигнала в полосе до 200 МГц. АГ представляет собой миниатюрный интегральный модуль и может использоваться в качестве портативного источника электромагнитного излучения для широкого круга применений.

2. Группа АГ, расположенных на одной подложке, взаимно синхронизируются либо за счет взаимодействия через подложку, либо полем внешнего синхросигнала.

3. Помещение с фронтальной стороны матрицы АГ полупрозрачного зеркала значительно увеличивает полосу взаимной синхронизации АГ. При этом увеличивается полная мощность и сужается диаграмма направленности.

4. Микрополосковая антенна-генератор на полевом транзисторе, интегрированная с волноводом, встроенным в диэлектрическую подложку, может обеспечивать эффективный вывод излучения в диэлектрический или полый металлический волноводы, что позволяет интегрировать такие АГ, в том числе в виде многоэлементных матриц, в многофункциональные радиоэлектронные модули.

5. Микрополосковые антенны-генераторы могут найти применение в качестве портативных источников электромагнитного излучения, в частности для медицинских целей [14]. Особый интерес представляет использование многоэлементных матриц АГ в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн. В этом случае в связи с малыми размерами антенн, они могут быть изготовлены в виде монолитных интегральных схем на подложках из арсенида галлия [19].

ЛИТЕРАТУРА

1. Любченко ВЕ. Фундаментальные ограничения и перспективы применения полупроводниковых приборов в радиосистемах миллиметрового диапазона волн. Радиотехника,, 2002, 2:16-27. То же в кн. Лебедев ИВ. (ред.) Электронные устройства СВЧ (в 2-х т.). М., Радиотехника, 2008, с. 28-49.

2. Chang K, York RA, Hall PS, Itoh T. Active Integrated Antennas. IEEE Trans., 2002, MTT-50(3):937-944.

3. Gupta KC, Hall PS (Eds.). Analysis and Design of Integrated Circuit—Antenna Modules. John Wiley & Sons, Inc., New York-Toronto, 2000.

4. York RA, Popovich ZB (Eds). Active andQasi-Optical Arrays for Solid-State Power Combiners. New York, Wiley, 1997.

5. Qian Y, Itoh T. Progress in Active Integrated Antennas and their Application. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1998, 46:1891-1900.

6. Mink JW Quasi-Optical Power Combining of Solid-State Millimeter-Wave Sources. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1986, MTT-34(2):273-279.

7. Любченко ВЕ, Котов ВД, Юневич ЕО. Активная микрополосковая антенна с диодом Ганна. Известия ВУЗов. Радиофизика, 2003, 46(8-9):799-803.

8. Scheuring A, Wuensch S, Siegel M. A novel analytical model of resonance effects of log-periodic planar antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2009, 57(11):3482-3488.

9. Любченко ВЕ, Телегин СА, Юневич ЕО. Моделирование логопериодической печатнойантенныметодомпространственной матрицы передающих линий. Радиотехника, 2013, 4:82-86.

10. Калинин ВИ, Котов ВД, Любченко ВЕ, Юневич ЕО. Синхронизация и сложение мощностей антенно-связанных транзисторных генераторов в СВЧ диапазоне. Труды 21-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, Крым, Украина, 1216 сентября 2011, с. 179-180.

11. Калинин ВИ, Котов ВД, Любченко ВЕ, Юневич ЕО. Синхронизация и сложение мощностей антенно-связанных

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

транзисторных генераторов в СВЧ диапазоне. Изв. ВУЗов. Радиофизика, 2011, 54(8-9):1-6.

12. Калинин ВИ, Котов ВД, Любченко ВЕ, Юневич ЕО. Синхронизация и сложение мощностей излучения микрополосковых антенн-генераторов на полевых транзисторах. Изв. ВУЗов. Радиофизика, 2011, 54(8-9):684-689.

13. Любченко ВЕ, Юневич ЕО, Калинин ВИ, Котов ВД, Радченко ДЕ, Телегин СА. Генерация микроволнового излучения активными антеннами на полевых транзисторах в квазиоптическом резонаторе. Радиотехника и электроника, 2013, 58(12):1192-1196.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

14. Бецкий ОВ, Баранов АД, Котов ВД, Любченко ВЕ, Радченко ДЕ, Юневич ЕО. Генератор электромагнитных волн СВЧ и КВЧ диапазона для биомедицинских исследований и терапии. Патент РФ №2012123684, приоритет от 07.06.2012, зарег. в Гос. реестре 10.01.2013.

15. Murata M, Matsui T, Tanaka M, Ohmori S. Active radiating butterfly antenna. IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symposium Digest, 1997, 4:2464-2467.

16. Донец ИВ. Электродинамический анализ интегрированного в подложку волновода. Электромагнитные волны и электронные системы, 2008, 13(5):22-25.

17. Bozzi M, Georgiadis A, Wu K. Review of Substrate Integrated Waveguide (SIW) Circuits and Antennas. IET Microwaves, Antennas and Propagation, 2011, 5(8):909-920.

18. Christopoulos C. The Transmission-Line Modeling Method TLM. New York, IEEE Press, 1995.

19. Брянцева ТА, Любченко ВЕ, Марков ИА, Юневич ЕО. Микрополосковая антенна на арсениде галлия. Патент РФ №128788 от 27.05.2013, зарег. в Госреестре 27.05.2013.

Любченко Владимир Евтихиевич

д.ф.-м.н, проф., действительный член РАЕН

ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН