Παρουσιάζεται μια μελέτη σκοπιμότητας σχετικά με τις παραμέτρους απόδοσης μιας νέας κεραίας on-chip που βασίζεται στην τεχνολογία metasurface στη ζώνη terahertz. Η προτεινόμενη κεραία on-chip metasurface είναι κατασκευασμένη σε ένα ηλεκτρικά λεπτό στρώμα υποστρώματος αρσενιδίου γαλλίου υψηλής διαπερατότητας (GaAs). Το Metasurface υλοποιείται με χαρακτική γραμμές υποδοχής σε μια σειρά κυκλικών μπαλωμάτων 11 × 11 κατασκευασμένα στο πάνω στρώμα του υποστρώματος GaAs και μεταλλικές οπές που εφαρμόζονται στο κεντρικό έμπλαστρο κάθε σειράς που αποτελεί τη συστοιχία, η οποία συνδέει το έμπλαστρο με τη διαρροή - κυματοειδείς γραμμές τροφοδοσίας ανοιχτού τύπου που τρέχουν κάτω από τα μπαλώματα. Οι γραμμές αυλακώσεων συνδέονται μεταξύ τους με σχισμή. Μια θύρα κυματοδηγού χρησιμοποιείται για να διεγείρει τη συστοιχία μέσω γραμμών υποδοχής που συνδέουν την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια με τα μπαλώματα. Η κεραία on-chip metasurface φαίνεται να εμφανίζει ένα μέσο μετρούμενο κέρδος άνω των 10 dBi και απόδοση ακτινοβολίας πάνω από 60% σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων από 0,41 έως 0,47 THz, κάτι που είναι σημαντική ανάπτυξη σε σχέση με άλλες τεχνικές κεραίας on-chip που έχουν αναφερθεί μέχρι σήμερα . Οι διαστάσεις της κεραίας είναι 8,6 × 8,6 × 0,0503 mm3 . Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η προτεινόμενη κεραία metasurface με βάση GaAs είναι βιώσιμη για εφαρμογές σε ολοκληρωμένα κυκλώματα terahertz.
Εισαγωγή
Η ζώνη συχνοτήτων terahertz (THz) που εκτείνεται στις συχνότητες μεταξύ 0,1 και 10 THz προσφέρει πιθανές εφαρμογές σε διάφορους κλάδους, όπως ιατρική επιστήμη 1 , απεικόνιση 2 , άμυνα και ασφάλεια 3 , φασματοσκοπία χρονικού τομέα 4 , αστρονομία 5 , γεωργία 6 και ασύρματη επικοινωνία συστήματα 7 . Κεραίες βασισμένες στο Planar Fabry – Perot cavity έχουν αποδειχθεί στη ζώνη THz και τέτοιες κεραίες έχουν χαρακτηριστικό ακτινοβολίας υψηλής κατευθυντικότητας 8 , 9. Δυστυχώς, ο σχεδιασμός και η κατασκευή αυτών των κεραιών μπορεί να είναι περίπλοκος και η απόδοση ακτινοβολίας τους είναι σχετικά χαμηλή ειδικά όταν εφαρμόζεται σε υποστρώματα υψηλής διαπερατότητας 10 . Παρ 'όλα αυτά, οι συγγραφείς στα 11 έχουν επιδείξει με επιτυχία μια κεραία Fabry – Perot κοιλότητας στη ζώνη THz που είναι σχετικά πιο εύκολο να κατασκευαστεί και εμφανίζει υψηλή απόδοση κατεύθυνσης και απόδοσης. Στη ζώνη συχνοτήτων terahertz ένα ηλεκτρικά παχύ υπόστρωμα δημιουργεί ανεπιθύμητο συντονισμό στο υπόστρωμα. Έχει δειχθεί ότι αυτές οι συντονισμοί μπορούν να αποφευχθούν με την απλή μείωση του πάχους του υποστρώματος από λ 0 /20, όπου το λ 0 αντιπροσωπεύει το μήκος κύματος του ελεύθερου χώρου 12 .
Το Metasurface μπορεί ουσιαστικά να δημιουργηθεί με τη διανομή ηλεκτρικά μικρών αντικειμένων σκέδασης πάνω στην επιφάνεια ενός διηλεκτρικού μέσου που ουσιαστικά διαταράσσει τη διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων 13 . Στην πραγματικότητα, το γεωμετρικό σχήμα των αντικειμένων σκέδασης καθορίζει τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες του μετα-υλικού 14 . Οι κεραίες που εφαρμόστηκαν χρησιμοποιώντας δομές μετα-υλικών ή μετα-επιφάνειας έχουν αποδειχθεί ότι βελτιώνουν την απόδοση της κεραίας όσον αφορά το κέρδος ακτινοβολίας, την απόδοση ακτινοβολίας, το μοτίβο ακτινοβολίας και το εύρος ζώνης 15 . Τα αποτελέσματα αυτών των ερευνών αποκαλύπτουν ότι αυτή η τεχνολογία μπορεί να εφαρμοστεί για την πραγματοποίηση κεραιών terahertz καθιστώντας τις βιώσιμες για πρακτικές εφαρμογές.
Τα σήματα THz αντιμετωπίζουν πολύ μεγαλύτερη εξασθένηση και ατμοσφαιρική απώλεια σε σύγκριση με τους συμβατικούς συνδέσμους μικροκυμάτων. Ως εκ τούτου, οι δομές κεραιών με υψηλό κέρδος και προδιαγραφές υψηλής απόδοσης είναι απαραίτητες στην περιοχή THz. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει μια μελέτη σκοπιμότητας μιας κεραίας THz on-chip που βασίζεται στο metasurface concept για τη βελτίωση του εύρους ζώνης, της απόδοσης ακτινοβολίας και των χαρακτηριστικών απόδοσης. Η προτεινόμενη κεραία on-chip metasurface λειτουργεί σε πολύ υψηλότερη συχνότητα (410-470 GHz), την οποία γνωρίζουν οι συγγραφείς για πρώτη φορά.
Διαδικασία σχεδιασμού της κεραίας μετα-επιφάνειας on-chip
Η διαμόρφωση της κεραίας αναφοράς σε τσιπ που περιλαμβάνει μια σειρά κυκλικών μπαλωμάτων 11 × 11 χωρίς τις υποδοχές μετα-επιφάνειας φαίνεται στο Σχ. 1 α. Τα στοιχεία ακτινοβολίας της κεραίας αναφοράς σε τσιπ αποτελούνται από κυκλικά επιθέματα που εφαρμόζονται σε ένα ηλεκτρικά λεπτό στρώμα αρσενιδίου γαλλίου υψηλής διαπερατότητας (GaAs). Ομοίως, η διαμόρφωση της προτεινόμενης κεραίας on-chip στο Σχ. 1Το b αποτελείται από μια σειρά κυκλικών μπαλωμάτων 11 × 11, ωστόσο αυτά τα μπαλώματα είναι ενσωματωμένα με γραμμές υποδοχής διαφόρων μηκών για να δημιουργήσουν μια δομή μετα-επιφάνειας. Και στις δύο περιπτώσεις οι κεραίες κατασκευάζονται συγκεντρώνοντας στρώματα μεταλλοποίησης-GaAs-επιμετάλλωσης. Κάθε κεντρικό επίθεμα ακτινοβολίας τρυπιέται με μια μεταλλική οπή μέσω στο κέντρο του δημιουργώντας έτσι μια διαδρομή RF που συνδέει το έμπλαστρο με την ανοιχτή γραμμή υποδοχής στο επίπεδο του εδάφους μέσω του στρώματος υποστρώματος GaAs. Κατά συνέπεια, η δομή της κεραίας διεγείρεται μέσω των ανοικτών στενών γραμμών εγκοπών που είναι διαμορφωμένες στην κάτω πλευρά του στρώματος υποστρώματος GaAs, οι οποίες ευθυγραμμίζονται ακριβώς κάτω από κάθε σειρά των συστοιχιών επιθέματος ακτινοβολίας που αποτελούν την κεραία, όπως φαίνεται στο Σχ. . 1CD. Στον προτεινόμενο μηχανισμό τροφοδοσίας, η κεντρική μεταλλική οπή μέσω σύνδεσης συνδέεται με μια θύρα συμπαγούς κυματοδηγού (CPW) και στη συνέχεια όλες οι μεταλλικές οπές μέσω σύνδεσης συνδέονται ηλεκτρομαγνητικά μεταξύ τους μέσω της σχισμής του επιπέδου εδάφους όπως φαίνεται στο Σχ. 1ντο. Όταν η θύρα CPW είναι ενθουσιασμένη, προκαλεί τη ροή της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας πάνω από τις ανοιχτές γραμμές υποδοχής με κύματα διαρροής και αυτή η ενέργεια συνδέεται με τις κυκλικές συστοιχίες μπαλωμάτων μέσω των μεταλλικών διαμπερών οπών, προκαλώντας την εκπομπή ακτινοβολίας από την κεραία της επιφάνειας. Στο τμήμα III θα είναι προφανές ότι η δομή της επιφάνειας 2D αυξάνει ουσιαστικά την αποτελεσματική περιοχή ανοίγματος της κεραίας που ενισχύει τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας της χωρίς να αυξάνει τις φυσικές διαστάσεις της κεραίας. Επίσης, τα κύματα επιφανείας και οι απώλειες υποστρώματος καταστέλλονται σημαντικά χρησιμοποιώντας τον προτεινόμενο ηλεκτρομαγνητικό μηχανισμό τροφοδοσίας ζεύξης για να διεγείρουν τα επιθέματα ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα τη βελτίωση της απόδοσης της κεραίας όσον αφορά το κέρδος ακτινοβολίας και την αποδοτικότητα στη ζώνη συχνότητας λειτουργίας.
Σχ. 
Σχ. ( α ) Διάταξη της κεραίας αναφοράς σε τσιπ που περιέχει μια σειρά κυκλικών μπαλωμάτων 11 × 11 χωρίς επιφανειακή επιφάνεια, κάτοψη, ( β ) διάταξη της προτεινόμενης κεραίας on-chip σχεδιασμένη από μια σειρά κυκλικών μπαλωμάτων 11 × 11 με επιφάνεια , κάτοψη, ( γ ) πίσω πλευρά των δύο δομών κεραίας αναφοράς και προτεινόμενης κεραίας. Η θύρα GSG συνδέεται στην κεντρική οπή και όλες οι μεταλλικές οπές συνδέονται ηλεκτρομαγνητικά μεταξύ τους μέσω της σχισμής του επιπέδου GND. ( δ ) 3D ισομετρική άποψη της προτεινόμενης δομής κεραίας on-chip με βάση την έννοια της επιφάνειας μετα-επιφάνειας, (το MTS αντιπροσωπεύει την επιφάνεια επιφάνειας), ( ε ) ισοδύναμο μοντέλο κυκλώματος της προτεινόμενης κεραίας on-chip και ( f) σχηματική άποψη της προτεινόμενης δομής.>>Το χρησιμοποιούμενο υπόστρωμα GaAs έχει διηλεκτρική σταθερά = 12.9, απώλεια εφαπτομένου του μαύρου = 0,006 και πάχος h = 50 (~ λ 0 /13, όπου το λ 0 είναι το μήκος κύματος του ελεύθερου χώρου με κέντρο το 0,44 THz). Τα αγώγιμα στοιχεία στις δομές κεραίας on-chip είναι αλουμίνιο με πάχος 0,35 και αγωγιμότητα 3,56 × 10 7 S / m. Τόσο η κεραία αναφοράς on-chip όσο και οι προτεινόμενες δομές κεραίας on-chip έχουν πανομοιότυπες διαστάσεις 8,6 × 8,6 × 0,0503 mm 3 . ε ρ δ \ mu \ text {m} \ mu \ text {m} μ Μ μ Μ Στην προτεινόμενη δομή μετα-επιφάνειας 2D, οι γραμμές υποδοχής συμπεριφέρονται ουσιαστικά ως αριστερή χωρητικότητα σειράς που προκύπτει από το στρώμα υποδοχής 16 . Το προτεινόμενο metasurface περιλαμβάνει μια μεταλλική οπή μέσω του κεντρικού επιθέματος κάθε σειράς επιθεμάτων που συνδέει το άνω στρώμα (μπαλώματα ακτινοβολίας) με το κάτω στρώμα (επίπεδο εδάφους) μέσω του στρώματος υποστρώματος GaAs. Αυτό εισάγει μια παρατεταμένη αριστερή αυτεπαγωγή. Η δομή εισάγει επίσης ανεπιθύμητα παρασιτικά αποτελέσματα που έχουν ως αποτέλεσμα τη διακλάδωση της δεξιόχειρης χωρητικότητας και της σειράς δεξιόχειρης επαγωγής 17 . Η διακλάδωση του δεξιού χεριού οφείλεται στην χωρητικότητα του κενού που δημιουργείται μεταξύ των επιπέδων ακτινοβολίας και του επιπέδου γείωσης, και η σειρά δεξιότητας επαγωγής δημιουργείται από τα αναπόφευκτα επιφανειακά ρεύματα 18. Το ισοδύναμο μοντέλο κυκλώματος της προτεινόμενης κεραίας on-chip που εφαρμόζει την αρχή της επιφάνειας των μετρήσεων παρουσιάζεται στο Σχ. 1 ε. Επιπρόσθετα, η σχηματική του άποψη παρουσιάζεται στο Σχ. 1 f για την καλύτερη αναγνώριση των κατασκευαστικών στοιχείων του. Η δομή της κεραίας διαμορφώθηκε σε έναν εμπορικά διαθέσιμο 3D EM full-wave solver (CST Microwave Studio ™) χρησιμοποιώντας τεχνική πεπερασμένης ολοκλήρωσης στον τομέα του χρόνου. Η δομή της κεραίας βελτιστοποιήθηκε για μεγάλο εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης, αύξηση ακτινοβολίας και απόδοση. Για την καλύτερη κατανόηση των επιδράσεων της επιφάνειας στην απόδοση της κεραίας on-chip , αναλύθηκε και συγκρίθηκε για πρώτη φορά μια κεραία αναφοράς με chip επιφάνεια χωρίς μεταεπιφάνεια που αποτελείται μόνο από τα κυκλικά επιθέματα χωρίς γραμμές, όπως φαίνεται στο σχήμα 1 a. κεραία on-chip με δομή μετα-επιφάνειας. Στην ενότητα III, φαίνεται ότι με τη μέτρηση της επιφάνειας υπάρχει μέση βελτίωση 10,8% και 39,2% στην απόδοση και στην απόδοση της ακτινοβολίας, αντίστοιχα. Οι αναλύσεις προσομοίωσης που πραγματοποιήθηκαν αποκάλυψαν ότι το κενό μεταξύ των εξόχως κυκλικών μπαλωμάτων και της άκρης του υποστρώματος είναι σημαντικό. Το διάκενο πρέπει να είναι περίπου ίσο με το διάστημα μεταξύ δύο γειτονικών μπαλωμάτων για την αποφυγή καταστροφικών παρεμβολών στο πλευρικό επίπεδο που προκύπτει από διαθλασμένα κύματα από την άκρη του υποστρώματος. Το κέρδος κεραίας ως συνάρτηση της συχνότητας διερευνήθηκε για τα διάφορα μεγέθη μήτρας κεραίας. Όπως αναμενόταν, το κέρδος της κεραίας είναι συνάρτηση του μεγέθους μήτρας των ακτινοβολούμενων στοιχείων, ωστόσο το οροπέδιο κέρδους με αυξανόμενο μέγεθος μήτρας. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί με ερμηνεία διαρροής-κύματος αυτής της δομής, δηλαδή μόλις βρεθεί ο πολλαπλασιασμός διαρροής (σύνθετος) αριθμός κύματος. Η σταθερά εξασθένησης της λειτουργίας διαρροής θα καθορίσει το ελάχιστο μέγεθος κεραίας L για να ακτινοβολεί μια δεδομένη απόδοση ακτινοβολίας, δηλαδή 19 . η = 1 - μι - α μεγάλο Οι διαστάσεις της βελτιστοποιημένης κεραίας on-chip που κατασκευάζεται από μια σειρά κυκλικών μπαλωμάτων 11 × 11 είναι έτσι: το διάκενο μεταξύ των μπαλωμάτων είναι 200 μm, η ακτίνα του μπαλώματος είναι 200 μm, η ακτίνα μέσω οπών είναι 100 μm, το πλάτος της υποδοχής είναι 40 μm, το μήκος και Το πλάτος των ανοιχτών γραμμών είναι 8,6 mm και 0,4 mm, αντίστοιχα. Απόδοση κεραίας on-chip Metasurface Τα κατασκευασμένα πρωτότυπα της αναφοράς και οι προτεινόμενες κεραίες on-chip που εφαρμόστηκαν μέσω μιας σειράς κυκλικών μπαλωμάτων 11 × 11 και η απόδοση εύρους ζώνης αντίστασης τους φαίνονται στο Σχ. 2 . Τα χαρακτηριστικά της κεραίας μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα συμπαγές εύρος δοκιμής κεραίας όπως περιγράφεται στο 25 . Από τις καμπύλες συντελεστή ανάκλασης είναι προφανές ότι μετά την εφαρμογή της επιφάνειας μέτρησης το εύρος ζώνης αντίστασης της κεραίας και η απόδοση αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης βελτιώνονται σημαντικά. Η προτεινόμενη κεραία on-chip με γραμμές επιφάνειας μέτρησης έχει εύρος ζώνης αντίστασης από 0,41 έως 0,47 THz για S 11
Κατασκευασμένα πρωτότυπα της αναφοράς, δηλαδή χωρίς (WO) υποδοχές μετα-επιφάνειας και τα προτεινόμενα, δηλαδή με (W) υποδοχές μετα-επιφάνειας, κεραίες on-chip. ( α ) Κάτοψη της κεραίας αναφοράς on-chip, ( β ) κάτοψη της προτεινόμενης κεραίας on-chip, ( γ ) οπίσθια όψη και των δύο κεραιών op-chip, και ( δ ) της προσομοίωσης και της μετρημένης αντανάκλασης - συντελεστής απόκρισηςΤα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας της κεραίας on-chip μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα μικρό εύρος δοκιμών κεραίας όπως εξηγείται στο 20 . Οι τυποποιημένες διαδικασίες δοκιμής IEEE για κεραίες 21χρησιμοποιήθηκε για να κατασκευαστεί ένα ακριβές σύστημα μέτρησης κεραίας μακρινών πεδίων σε περιβάλλον σταθμού ανιχνευτή. Το πρωτότυπο της κεραίας τοποθετήθηκε σε σταθερή θέση και κατασκευάστηκε για να μεταδίδει ένα σταθερό επίπεδο ισχύος. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε μια κεραία δέκτη με γνωστό κέρδος για τη μέτρηση της ληφθείσας ισχύος, της πόλωσης και της απόδοσης ισχύος. Η κεραία προέλευσης τοποθετήθηκε σε διάφορες γωνίες κατάδειξης σε σχέση με την κεραία on-chip και διατηρώντας μια σταθερή απόσταση. Αυτή η διαμόρφωση χρησιμοποιήθηκε στο σύστημα μέτρησης κεραίας σταθμών ανιχνευτή, δεδομένου ότι η προτεινόμενη πρωτότυπη κεραία είναι κεραία on-chip και πρέπει να παραμείνει σε σταθερή θέση. Το σύστημα μέτρησης κεραίας με την προσαρτημένη κεραία κόρνας στον δέκτη φαίνεται στο σχήμα 3ένα. Για να μειωθούν οι ανακλάσεις πολλαπλών διαδρομών στο περιβάλλον δοκιμής, εφαρμόστηκε υλικό απορρόφησης ραδιοσυχνοτήτων (RF) σε όλες σχεδόν τις μεταλλικές επιφάνειες και αντικείμενα του σταθμού ανιχνευτή όπως φαίνεται στο Σχ. 3 β. Χρησιμοποιήθηκε αντλία κενού για να συγκρατήσει το τσιπ στον άκαμπτο απορροφητή μικροκυμάτων ενώ ο ανιχνευτής RF έπεσε κάτωΤο Σχ. 3
α ) Το σύστημα μέτρησης κεραίας terahertz με την προσαρτημένη κεραία κόρνας στον δέκτη · και ( β ) Απορροφητικό υλικό RF που φαίνεται ως μαύρο σπογγώδες φύλλο προστέθηκε σε όλες τις επιφάνειες του συστήματος μέτρησης της κεραίας για τη μείωση των αντανακλάσεων πολλαπλών διαδρομών. Η κεραία on-chip τοποθετήθηκε σε έναν άκαμπτο απορροφητή μικροκυμάτων Cascade Microtech και διεγέρθηκε χρησιμοποιώντας τον ανιχνευτή ραδιοσυχνοτήτων γείωσης-σήματος-γείωσης (GSG)Τα προσομοιωμένα και μετρημένα μοτίβα ακτινοβολίας της κεραίας μετα-επιφάνειας on-chip στα 0,41, 0,45 και 0,47 THz φαίνονται στο Σχ. 5 . Τα μετρούμενα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κεραία δημιουργεί ένα κατευθυντικό μοτίβο ακτινοβολίας τόσο στο επίπεδο E όσο και στο επίπεδο H και εμφανίζει ένα ευρύ πλάτος δέσμης 3 dB στο εύρος της συχνότητας λειτουργίας του. Αυτό οφείλεται σε ισχυρές ροές ρεύματος στις ανοιχτές γραμμές κουλοχέρηδων που παράγουν ισχυρά πεδία που οδηγούν σε μεγαλύτερο πλάτος δέσμης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν ότι οι πίσω λοβοί της κεραίας είναι σχετικά μικροί σε σύγκριση με την κύρια δέσμη με αποτέλεσμα υψηλό λόγο εμπρός-πίσω. Δεδομένου ότι το μοτίβο ακτινοβολίας της συμβατικής σχισμής είναι αμφίδρομο, ένας ανακλαστήρας πίσω εφαρμόζεται συχνά για να αποτρέπεται η παρεμβολή της οπίσθιας ακτινοβολίας σε άλλα συστήματα
No comments:
Post a Comment