Üstten yüklü fraktal fotonik kristal terahertz bant anten tasarımı
Lin Bin
(Bilgi Bilimi ve Teknolojisi Okulu, Jiageng Koleji, Xiamen Üniversitesi, Zhangzhou, Fujian 363105)
Terahertz bant antenleri için terahertz ekipmanının performans gereksinimlerini hedefleyerek, üstten yükleme teknolojisi, fraktal yapı, fotonik kristal yapı, dipol anten ve polietilen tereftalat (PET) film matrisini tasarlamak için yaratıcı bir şekilde birleştiriyoruz. Üstten yüklenmiş fraktal bir fotonik kristal terahertz bant anteni, anten numuneleri üretildi, antenin dönüş kaybı ve desen karakteristikleri sırasıyla simüle edildi ve ölçüldü ve dielektrik substrat parametrelerinin değişiminin anten performansı üzerindeki etkisi ayrıntılı olarak tartışıldı. Simülasyon ve test sonuçları, bu antenin çalışma merkezi frekansının 1 THz civarında olduğunu, minimum dönüş kaybının -20 dB'den az olduğunu, mutlak çalışma bant genişliğinin 0,1 THz'den büyük olduğunu ve göreceli çalışma bant genişliğinin% 10'dan büyük olduğunu göstermektedir. Bu anten boyut olarak küçüktür, radyasyon performansında kararlıdır ve çalışma bant genişliği açısından büyüktür.Terahertz bandında geniş uygulama olanaklarına sahiptir.
Üstten yükleme teknolojisi; fraktal yapı; fotonik kristal yapı; çift kutuplu anten; terahertz bant anteni
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN821.4
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.02.007
Çince alıntı biçimi: Lin Bin. Üstten yüklü fraktal fotonik kristal terahertz bant anten tasarımı Elektronik teknoloji uygulaması, 2017, 43 (2): 36-39.
İngilizce alıntı biçimi: Lin Bin. Üstten yüklemeli fraktal fotonik kristal Terahertz dalga bandı anteninin tasarımı.Elektronik Teknik Uygulaması, 2017, 43 (2): 36-39.
0 Önsöz
Terahertz (THz) dalgası, frekansı mikrodalgadan yüksek ancak kızılötesi ışıktan düşük olan 1 THz = 1012 Hz olan elektromanyetik bir dalgadır. 1980'lerden bu yana, mikro yarı iletken teknolojisi ve ultra hızlı optoelektronik teknolojisi hızla gelişti, yüksek performanslı terahertz dalga kaynakları ve algılama ekipmanı başarıyla geliştirildi ve terahertz dalga teknolojisi önemli ilerleme kaydetti. Maddenin terahertz spektrumu zengin bilgiye ve yüksek çözünürlüğe sahiptir.Terahertz elektromanyetik dalgaları, çevre koruma izleme, görüntüleme ve algılama, hastalık teşhisi, astronomik araştırma, yüksek hızlı geniş bant mobil iletişim, askeri keşif ekipmanı ve diğer alanlarda büyük uygulama değerine sahiptir.
Terahertz dalgasının uygulaması, terahertz dalga iletme ve alma cihazından ayrılamaz ve terahertz bant anteninin mükemmel performansı, terahertz dalgasının uygulanması için büyük önem taşır. Terahertz bant ekipmanı geniş bir uygulama alanına sahiptir ve öngörülemeyen çeşitli zorlu ortamlarda çalışma olasılığı yüksektir.Terahertz bant antenlerinin mükemmel fiziksel ve mekanik özelliklere sahip olması, asitlere, alkalilere, yağlara ve genel solventlere dayanabilmesi ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilmesi gerekir. Normalde düşük sıcaklık ve düşük sıcaklık ortamlarında çalışmalı; terahertz bant anteninin boyutu milimetre veya milimetre altı terahertz cihazına yerleştirilebilmesi için küçük olmalı; antenin çalışma merkezi frekansı 1 THz civarında olmalı ve minimum geri dönüş kaybı olmalıdır -20 dB'den az, mutlak çalışma bant genişliği 0,1 THz'den büyük olmalı ve göreceli çalışma bant genişliği% 10'dan büyük olmalıdır.
Son yıllarda yerli ve yabancı bilim adamları başarılı bir şekilde bir dizi terahertz bant anten geliştirdiler. Xi'an Teknoloji Üniversitesi araştırma ekibi, anten dielektrik substratında bir fotonik kristal yapı kullanarak iyi dönüş kaybı ve desen özelliklerine sahip bir terahertz anteni başarıyla tasarladı; Capital Normal University araştırma ekibi, dar dikdörtgen dalga kılavuzunu kullandı. Tarama ve görüntüleme için kullanılabilen bir terahertz anteni, diyagonal yarıklar açma yöntemi ile tasarlanmıştır; Birleşik Krallık'taki Sheffield Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, çift katmanlı iki boyutlu fotonik bant boşluğuna sahip bir terahertz dipol anten geliştirdi. Yüksek giriş direncine sahip terahertz anten tasarımı; Japonya'daki Fujitsu Laboratuvarları, terahertz anteninin minyatürleştirilmesini gerçekleştirmek için fan-out gofret düzeyinde paketleme teknolojisine dayalı bir terahertz entegre anten tasarladı. Yukarıda bahsedilen terahertz anten tasarımları başarılı bir şekilde minyatürleştirmeyi başarmıştır ve geri dönüş kaybı performansı da iyidir, ancak antenin çalışma frekansı düşüktür, sadece 0,1 ± 0,5 THz, 1 THz'ye ulaşmamıştır; Yukarıda bahsedilen terahertz antenlerin çalışma bant genişliğinin tümü küçüktür Dar bantlı bir antendir ve% 10'dan daha büyük nispi bir çalışma bandıyla geniş bir frekans bandında çalışan terahertz anteni hakkında herhangi bir rapor bulunmamaktadır. Üstten yükleme teknolojisi, fraktal yapı ve fotonik kristal yapıyı aynı anda kullanan terahertz anteninin tasarım şemasına ilişkin herhangi bir rapor bulunmamaktadır.
1 Üstten yükleme teknolojisine giriş
Üstten yükleme teknolojisi, anten verimliliğini artırmak ve anten sesini azaltmak için yaygın olarak kullanılan etkili bir yöntemdir. Üstten yükleme, antenin üstüne büyük bir dağıtılmış kapasitansa sahip bir yük eklemektir.Üst yükleme yapısını kullandıktan sonra, antenin tepesindeki dağıtılmış kapasitans, açık devre iletim hattının bir bölümüne eşdeğer olabilir. Eşdeğer iletim hattının uzunluğu, anteni yapmak için antenin orijinal uzunluğu ile üst üste bindirilir Çalışma uzunluğu uzar. Küçük antenin üst kısmına kapasitif bir yük ekledikten sonra daha uzun çalışma uzunluğuna sahip bir anten olarak kullanılabilir. Küçük bilye yükleme, disk yükleme, radyasyon yaprağı yükleme, vb. Hepsi etkili üstten yükleme yöntemleridir.
2 Fraktal fotonik kristal yapıya giriş
Fotonik kristal yapı, periyodik olarak başka bir ortamda düzenlenmiş bir ortamdan oluşan yeni bir optik malzeme türüdür ve değişim periyodu ışık dalga boyu düzenindedir. Fotonik kristaller henüz yaygın olarak kullanılmamaktadır, bu da yüksek üretim süreci gereksinimlerine bağlıdır. Fotonik kristalin periyodik yapısının boyutu, karşılık gelen elektromanyetik dalga dalga boyuyla aynı büyüklük sırasındadır. Kızılötesi ışık bandındaki fotonik kristal yapının boyutunun mikrometre sırasına göre doğru olması gerekir ve bu da üretimi zorlaştırır. Mikrodalga bölgesindeki fotonik kristal yapının boyutunun yalnızca, üretimi nispeten kolay olan santimetre sırasına göre doğru olması gerekir, ancak daha büyük boyut, minyatürleştirmeyi zorlaştırır ve uygulama alanlarını sınırlar. Terahertz dalgası yukarıdaki iki dalga bandı arasındadır.Terahertz dalga bandının fotonik kristal yapısı küçük boyuttadır ve terahertz cihazlarının minyatürleştirme gereksinimlerini karşılayabilir. Boyutunun milimetrenin altında doğru olması gerekir. Mevcut üretim süreci bu doğruluk gereksinimini karşılayabilir. Bütün bunlar, fotonik kristal yapısına dayalı olarak terahertz bant cihazlarının imal edilebileceğini göstermektedir.
Fotonik kristal tarafından oluşturulan fotonik bant aralığı, elektromanyetik dalgaların yayılmasını tamamen veya kısmen engelleyebilir. Anten tasarımında fotonik kristal yapı kullanıldığında, sıkı tasarım yoluyla, fotonik kristalin ürettiği fotonik bant aralığı frekansı antenin çalışma merkezi frekansı ile tutarlı olabilir.Fotonik bant aralığı, orijinal çalışma merkezi frekansında antenin enerji yayılımını kısmen önleyecektir. Enerji, yakındaki frekans radyasyonuna yayılır, böylece antenin yayılan enerjisinin frekans aralığını ve antenin çalışma bant genişliğini artırır.
Terahertz bandında çalışan cihazlar için, geniş bant operasyonu gerçekleştirmek, tasarımın temel gereksinimlerinden biridir ve fraktal teknoloji şüphesiz bu gereksinimi karşılamak için etkili bir yöntemdir. Minyatürleştirilmiş, geniş bantlı çalışma cihazlarını etkin bir şekilde tasarlamak için fraktal yapı kullanıyoruz.
Fraktal yapının fotonik kristal yapıyla birleştirilmesi ve fotonik kristalin her periyodik yapısının fraktal bir yapı olarak tasarlanmasıyla fraktal bir fotonik kristal yapı elde edilebilir.Bu yapı her ikisinin de avantajlarına sahip olacak ve mükemmel geniş bant çalışma özelliklerine sahip olacaktır.
3 Üstten yüklenmiş fraktal fotonik kristal anten yapısı tasarımı
Bu kağıt, anten yapısının yağa, seyreltik aside, seyreltik alkaliye ve çoğu solvente dirençli olmasını sağlamak için tasarımda antenin substrat malzemesi olarak Polietilen Tereftalat (PET) film substratı kullanır. Normal olarak -70 150 sıcaklık aralığında çalışır ve yüksek ve düşük sıcaklığın mekanik özellikleri üzerinde çok az etkisi vardır.
Film substratının bağıl dielektrik sabiti 4, şekil dikdörtgen, boyut 80 m × 40 m ve kalınlık 10 m'dir. Anten, film alt tabakasının ön tarafına basılmış bir radyasyon yamasından ve film alt tabakasının arkasına basılmış bir fraktal fotonik kristal yapıdan oluşur.
Anten radyasyon yama yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Yayılan yamanın temel yapısı, bir çift kutuplu antendir. Üst yük olarak çift kutuplu antenin üstüne bir fotonik kristal yapı eklenir.Gözenek yapısı, daha büyük bir dağıtılmış kapasitans elde etmek ve çift kutuplu antenin etkili çalışma uzunluğunu artırmak için kullanılır. .
Dipol kol, 16 m × 8 m boyutunda bir metal radyasyon kolu ve 24 m × 40 m boyutunda üstten yüklü bir fotonik kristal yapıdan oluşur. Üstten yüklenmiş fotonik kristal yapı 5 sıra, 3 sütun ve 15 küçük kare alana bölünmüştür.Her küçük kare alan 8 m × 8 m boyutundadır.Her küçük kare alanın merkezi 4 m × 4 m boyutunda bir karedir. Delik, her küçük kare alanın çevresi metal bir radyasyon alanıdır.
Fraktal fotonik kristal yapı Şekil 2'de gösterilmektedir. 2 sıra ve 3 sütun halinde 6 adet 2. derece Cantor fraktal metal yamasından oluşur ve her bir 2. derece Kantor fraktal metal yamanın boyutu 16 m × 16 m'dir. Fraktal metal dizisi fotonik kristal yapısını kullandıktan sonra, anten radyasyon yamasının radyasyonunun bir kısmı, ikincil radyasyonu uyarmak için metal dizi tarafından emilecektir.Birincil radyasyon ve ikincil radyasyon, antenin radyasyon yoğunluğunu etkili bir şekilde artırabilen fazda üst üste bindirilir; aynı zamanda fraktal fotonik kristal Yapı, antenin çalışma bant genişliğini büyük ölçüde artıracaktır.
4 Anten radyasyon performansının simülasyonu ve analizi
4.1 Anten radyasyon performansı simülasyonu
Bu makale, antenin radyasyon performansını simüle etmek için sonlu fark zaman alanı yöntemini kullanır ve sonuç Şekil 3'te gösterilmiştir.
Şekil 3 (a) 'dan bu antenin çalışma merkezi frekansı 1.00 THz, minimum dönüş kaybı -31.61 dB, anten çalışma frekansı aralığı 0.917 1.052 THz, mutlak çalışma bant genişliği 0.135 THz ve göreceli çalışma bant genişliği % 13.5. Şekil 3 (b) 'den, bu antenin hem H-düzlemi hem de E-düzlemi modellerinin 280 °' den fazla bir açısal aralığı etkili bir şekilde kapsayabildiği ve antenin çok yönlü radyasyon özelliklerine sahip olduğu görülebilir. Simülasyon sonuçları, bu antenin antenler için mevcut terahertz bant ekipmanının performans gereksinimlerini iyi karşılayabildiğini göstermektedir.
4.2 Film matris parametre değişikliklerinin anten performansı üzerindeki etkisi
Antenin gerçek imalat sürecinde, imalat sürecindeki farklılık nedeniyle, film alt tabakasının nispi dielektrik sabiti r değişecek ve bu değişikliğin anten performansı üzerindeki etkisinin ayrıntılı olarak tartışılması gerekmektedir. Film alt tabakasının kalınlığı 10 m'de tutularak film alt tabakasının r değeri değiştirilerek bir dizi simülasyon hesaplaması yapıldı.Sonuçlar Şekil 4'te gösterilmektedir.
Şekil 4'ten görülebileceği gibi, r4 bağıl geçirgenlik azaldıkça, antenin minimum dönüş kaybının giderek azaldığı ve anten çalışma bant genişliğinin kademeli olarak arttığı görülmektedir. Bunun nedeni, dielektrik sabiti azaldığında, antenin kalite faktörünün azalması ve antenin depoladığı enerjinin azalması ve antenin radyasyon için daha fazla enerji kullanması ve dolayısıyla antenin çalışma bant genişliğinin artmasıdır. Bu nedenle, film substratının nispi dielektrik sabitinin uygun şekilde azaltılması, antenin performansını artırabilir.
Bununla birlikte, bağıl geçirgenlik daha fazla azaldığında (r < 4) Bağıl dielektrik sabiti sürekli olarak azaltıldığında, antenin minimum geri dönüş kaybı kademeli olarak artacak ve anten çalışma bant genişliği kademeli olarak azalacaktır.Bu, bağıl dielektrik sabiti büyük ölçüde değiştiğinde, antenin eşleşmesinin bozulacağı anlamına gelir. , Antenin radyasyon performansı ve bant genişliği performansı düşecektir.
5 Anten örnek performans testi
Yukarıda açıklanan tasarım şemasına göre, anten numunesi magnetron püskürtme işlemi kullanılarak imal edilmiş ve anten numunesinin radyasyon performansı fiilen test edilmiştir Sonuç Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5 ve Şekil 3 karşılaştırıldığında anten radyasyon performansının gerçek ölçüm sonuçlarının simülasyon sonuçlarına benzer olduğu görülmektedir. Gerçek ölçüm sonuçları, bu antenin çalışma merkezi frekansının 0,98 THz, minimum dönüş kaybının -28,08 dB, anten çalışma frekansı aralığının 0,925 1,043 THz, mutlak çalışma bant genişliğinin 0,118 THz ve bağıl çalışma bant genişliğinin% 12,04 olduğunu göstermektedir. Bu antenin H-düzleminin ve E-düzleminin ölçülen modelleri, çok yönlü radyasyon özelliklerine sahiptir.
6. Sonuç
Antenler için terahertz cihazlarının performans gereksinimlerini hedefleyen bu kağıt, antenin alt tabaka malzemeleri olarak çok kararlı fiziksel ve kimyasal özelliklere, mekanik özelliklere, yüksek ve düşük sıcaklık direncine sahip PET film alt tabakalarını kullanır ve üstten yükleme teknolojisini, fraktal yapıyı ve fotonik kristalleri birleştirir. Yapılar, üstten yüklü fraktal bir fotonik kristal terahertz bant anteni tasarlamak için birleştirildi. Bu makale, anten performansını simüle etmek ve analiz etmek için sonlu fark zaman alanı yöntemini kullanır, anten performansındaki değişiklikleri film matrisinin parametreleriyle ayrıntılı olarak tartışır ve anten örneklerini üretir ve gerçek testleri yapar. Bu anten mükemmel fiziksel ve mekanik özelliklere sahiptir ve normal olarak -70150 ila 150 sıcaklık aralığında çalışabilir. Antenin boyutu çok küçüktür, sadece 80 m × 40 m × 10 m ve çeşitli minyatür terahertz cihazlarına yerleştirilebilir. Bu antenin çalışma merkezi frekansı 0.98 THz'dir, antenin minimum geri dönüş kaybı -28.08 dB'ye kadar düşüktür ve antenin çalışma bant genişliği, terahertz bant anteninin geniş bant çalışmasını gerçekleştirerek 0.118 THz'ye ulaşır. Bu anten, iyi radyasyon performansı, geniş çalışma bant genişliği, yüksek performans fazlalığı gibi avantajlara sahiptir ve tahmin edilemeyen çeşitli zorlu ortamlarda normal olarak çalışabilir.Terahertz bant ekipmanlarında yaygın olarak kullanılması beklenmektedir.
Referanslar
Wu Shaohua, Li Lintao, Sun Xing, vb. THz cihazları ve teknoloji geliştirme eğilimleri Yunguang Technology, 2016, 48 (1): 7-13.
Dong Jiameng, Peng Xiaoyu, Ma Xiaohui ve diğerleri.Ultra geniş bantlı terahertz zaman alanlı spektroskopi algılama teknolojisindeki araştırma ilerlemesi. Spektroskopi ve Spektral Analiz, 2016, 36 (5): 1277-1283.
Yang Li, Xie Yanhua, Ding Yuanming ve diğerleri THz iletişim sistemine dayalı titreşim dengeleme teknolojisi çalışması. ICIC Express Mektupları, 2013, 4 (2): 491-496.
Li Bin, Chen Liping Hassas tarım kirliliği tespiti ve araştırmasında kullanılan Terahertz teknolojisi.Kızılötesi ve Lazer Mühendisliği, 2016, 45 (4): 61-67.
Zhu Xinjian, He Xuan, Wang Pin ve diğerleri.Yanık tespitine uygulanan terahertz görüntüleme teknolojisinin araştırılması ve geliştirilmesi.Biyomedikal Mühendisliği Dergisi, 2016, 33 (1): 184-187.
Hasanuzzaman GKM, Habib MS, Razzak SMA, et al.Thz dalga rehberliği için düşük kayıplı tek modlu gözenekli çekirdekli kagome fotonik kristal fiber. Journal of Lightwave Technology, 2015, 33 (19): 4027-4031.
Xia Zuxue, Liu Falin, Chen Junxue ve diğerleri.Dipol fotoiletken anten yapısının THz radyasyon özellikleri üzerindeki etkisi.Kızılötesi ve Lazer Mühendisliği, 2015, 44 (8): 2429-2434.
Wang Lili, Wang Shuhai.Yeni bir tür fotonik kristal substrat terahertz anten tasarımı.Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2015, 34 (23): 69-72.
Wang Hanqi, Liu Xin, Deng Chao, vb. Terahertz tarama görüntüleme için kullanılabilen bir anten Acta Optics, 2015, 35 (7): 140-145.
Yin Wenfei, Khamas SK, Hogg RA. İzole edici bir fotonik bant boşluk katmanına sahip yüksek giriş dirençli terahertz dipol anten. EuCAP 2016, Davos, İsviçre: IEEE Press, 2016: 1-3.
ISHIBASHI D, SASAKI S, ISHIZUKI Y, et al.Terahertz anteni için fan-out wafer seviye paketinin entegre modül yapısı. ECTC 2015, San Diego, ABD: IEEE Press, 2015: 1084-1089.
TRINH-VAN S, HWANG K C. Minyatürleştirilmiş geniş bantlı üstten yüklü düzlemsel tek kutuplu anten, ikili kodlu kollu. Elektronik Mektupları, 2015, 51 (13): 968-970.
SHRIVISHAL T, AKHILESH M, SANDEEP Y. Çok noktalı sekizgen şekilli fraktal UWB anteni Mikrodalga ve Optik Teknoloji Mektupları, 2014, 56 (11): 2469-2473.
KUMAR C Y, KUMAR B S. Band çentik özellikli ultra geniş bant uygulamasını kapsayan modifiye sierpinski kare fraktal anteni IET Mikrodalgaları, Antenler ve Yayılma, 2014, 8 (7): 506-512.
