Микроволновые апертурные антенны с использованием наноматериалов

Аннотация

В данной работе компьютерное моделирование используется для изучения концепции проектирования СВЧ-апертурных антенн, потенциально изготовляемых с использованием металлических наноматериалов. Наноматериалы рассматриваются как материалы, облегчающие изготовление и имеющие электромагнитные преимущества. Апертурные излучающие структуры были возбуждены плоской волной в микрополосковой линии. Апертура была модифицирована с добавлением мелкомасштабных структур; вертикальные полосы короче высоты апертуры. Эти начальные результаты моделирования показали, что эти тонкие структуры внутри апертуры могут уменьшить резонансную частоту за счет диапазона рабочих частот.

Вступление

Конечная цель этой работы — изготовление антенн, построенных из множества соответствующим образом расположенных металлических наночастиц. Наночастицы по определению чрезвычайно малы и поэтому имеют большое отношение площади поверхности к объему; это относится к интересным свойствам, включая повышенную проводимость, прочность и устойчивость к царапинам. Эти антенны будут работать в СВЧ-диапазоне, где существует много применений, связанных с коммуникацией. При близком расположении металлических наночастиц (точек) поверхность будет напоминать металлический лист. Однако, уменьшая плотность точек в определенных местах, можно создать апертуры, у которых структура эффективно прозрачна в СВЧ-диапазоне (рис. 1). Кроме того, мелкомасштабные металлические структуры могут быть сформированы внутри апертуры с помощью определенным образом расположенных наночастиц. Изменяя местную концентрацию точек от плотно до свободно расположенных, можно контролировать электромагнитные характеристики. Обратите внимание, что в зависимости от используемых методов изготовления, наночастицы могут быть равномерно или хаотично распределены.

Потенциальные электромагнитные преимущества этого исследования включают: улучшенные электромагнитные характеристики (диапазон рабочих частот, коэффициент усиления и эффективность); потенциальное уменьшение размера; новый эффект двойственного резонанса. Физические преимущества включают; уменьшенный вес, увеличенная прочность, меньше требований к сырьевому материалу. Вероятно, подложку и вспомогательные ВЧ-компоненты можно изготовить как антенну, которая может повлиять на снижение стоимости производства. Современные конструкции антенны ограничиваются использованием фиксированных значений диэлектрической проницаемости подложки (ε_r=2,2 или 4 и т. д.). Носитель наноматериала может стать подложкой, в которой новые диэлектрические свойства могут быть созданы путем регулирования плотности металлических и неметаллических частиц и адаптированы для конкретной конструкции антенны. Ранее авторами было показано, что малые габариты, высокая эффективность и широкий диапазон рабочих частот антенны могут быть реализованы с использованием подложки с равными диэлектрической и магнитной проницаемостями и малыми потерями [1]. Цель состоит в облегчении таких новых подложки, которые позволили бы сделать конструкцию антенны более гибкой.

Антенна, состоящая из наноразмерных периодических структур, может быть соответствующим образом устроена, чтобы иметь характеристики метаматериала. Миттра [2] рассмотрел тему малых антенн и пришел к выводу, что ключевыми проблемами являются уменьшение размера, повышение направленности, расширение диапазона рабочих частот и подавление заднего лепестка, и он предполагает, что новые достижения в области метаматериалов могут быть ответом на улучшение характеристик антенны. Калоз [3] показал, что использование меньших по размеру элементарных ячеек метаматериалов может улучшить однородность и изотропию, расширить диапазон рабочих частот, повысить функциональность и уменьшить потери на преломление и дифракцию на границах раздела с другими средами.

Нано-электромагнетизм является быстро развивающейся областью, однако исследования в основном сосредоточены на гораздо более высоких частотах, включая нано-волноводы, нано-антенны, полупроводники, нано-масштабные резонаторы [4, 5]. Ранее авторами было показано, что антенны, состоящие из очень малых проводящих металлических точек, имеют различное поведение в СВЧ-диапазоне в зависимости от их размера и зазоров между ними [6].

Имитационная установка

В данной работе было использовано коммерческое программное обеспечение для расчётов с помощью метода конечных элементов во временной области (FDTD) — EMPIRE (www.empire.de). Вертикально поляризованная плоская волна, движущаяся в направлении X от порта 1 к порту 2 (рис. 2) была создана с использованием воздушной микрополосковой линии (MSL), которая действует как параллельный пластинчатый волновод. Частота среза полости fc=c /MAX (W или H) и поэтому, чтобы рассмотреть микроволновые спектры до 40 ГГц, высота и ширина MSL были установлены на 7500 мкм (7,5 мм). MSL был очень эффективным методом с точки зрения используемой памяти для изучения коэффициентов отражения и передачи между двумя портами. На полпути вдоль MSL был расположен серебряный лист толщиной 5 мкм, который простирался ко всем четырем стенам MSL. В середине этого листа было вырезано горизонтальное отверстие (шириной 5500 мкм и высотой 100 мкм), рис. 2. Из-за электрических и магнитных границ структура бесконечно периодична в двух измерениях. Обратите внимание, что порт 1 является единственным возбуждением в модели, а апертура является пассивной излучающей структурой.

К отверстию были добавлены вертикальные полосы мелкого масштаба. Полосы имеют такую же толщину как серебряный лист (5 мкм). Во всех случаях полосы были равномерно распределены по оси Y. Моделирование структур до нескольких микрон является чрезвычайно дорогостоящим в вычислительном отношении на СВЧ, а требования к вычислительной памяти и времени выполнения препятствуют использованию нано-масштабных разрешений. Ранее авторы аппроксимировали наноматериалы, используя более крупные точки и промежутки [6].

Результаты

Горизонтальная апертура без каких-либо вертикальных полос продемонстрировала полосу пропускания резонанса с почти полной пропусканием на частоте 26,8 ГГц. Затем апертура была модифицирована путем добавления вертикальных полос 100 мкм длиной 10 мкм шириной 5 мкм толщиной внутрь апертуры, которые касались как нижней, так и верхней части апертуры. Это закоротило диафрагму и эффективно уменьшило ее размер. Однако, если бы полосы были короче 100 мкм с зазором в верхней части отверстия (рис. 3а, б), поведение бы изменилось. По мере увеличения количества полос резонансная частота уменьшалась, и S₂₁ также уменьшался по величине, как показано на рис. 4. Таким образом, диафрагма становится электрически больше, но менее эффективным излучателем. По мере добавления большего количества полос изменение резонансной частоты становится меньше и начинает сходиться, это видно на рис. 5. Поведение было другим, когда полосы были прикреплены попеременно к верхней и нижней части отверстия, рис. 3в; когда 200 полос (в общей сложности) попеременно касались верхней и нижней части, резонансная частота уменьшалась до 6 ГГц по сравнению с 10,6 ГГц, когда 200 полос касались только нижней части диафрагмы. Величина S₂₁ также уменьшилась.

Эффект изменения длины 50 полос был аналогичен увеличению длины 90 мкм полос, результаты показаны на рис. 6. По мере увеличения длины полос частота и S₂₁ уменьшались. Компромисс между S₂₁ и электрическим размером может быть оптимизирован в соответствии с требованиями к антенне.

Также было исследовано влияние изменения ширины полос от 5 до 1000 мкм при длине, фиксированной на уровне 90 мкм, и толщине, фиксированной на уровне 5 мкм. Как правило, по мере увеличения общей ширины полос резонансная частота уменьшалась. Однако увеличение электрического размера произошло за счет уменьшенной полосы пропускания и уменьшенного коэффициента S₂₁.

Обратите внимание, что резонансная частота была различной при одинаковой общей ширине полос, состоящих из различного количеств. Поэтому производительность зависела от ширины полос, а не только от общей ширины всех полос.

Существует линейная зависимость между резонансной частотой и произведением дробной 3 дБ полосы пропускания на величину S₂₁, как показано на рис. 7. Таким образом, компромисс между уменьшенной частотой и уменьшенной полосой пропускания и эффективностью, вызванной дополнительными полосами, был достигнут. На рис. 7 показано, что аналогичные кривые были найдены с различной шириной полосы, и все ширины полос дали эквивалентные результаты с точки зрения общей производительности.

Выводы и дальнейшая работа

В этой статье, компьютерное моделирование было использованы для анализа тонких структур внутри излучающей структуры апертуры. Эта работа является предшественником общей цели производства конструкций с использованием наноматериалов. Добавлением вертикальных полосок, которые были короче, чем высота апертуры снижается резонансная частота. Однако, пропускная способность и S₂₁ также снизились. Характеристики при разных толщинах полос, получаемых по той же линейной зависимости между частотой и дробной 3 дБ полосой пропускания — параметр S₂₁. Таким образом, группа апертурных антенн с различным поведением, но эквивалентными общими характеристиками может быть спроектирована с использованием тонких структур внутри апертуры в зависимости от требований к антенне.

Дальнейшая работа будет заключаться в изготовлении образцов с использованием наноматериалов. Возможные способы изготовления включают в себя: методы спинового покрытия и трафаретной печати для получения мезопористых взаимопроникающих нанокомпозитов из TiO₂ (оксидов металлов) и композитов из металлических частиц; методы спинового покрытия, используемые для создания тонких пленок; нанометрирование металл-полимерных структур с использованием лазерных скрайберов для создания рисунков, методов ионно-лучевого микротонирования, нанолитографии и вакуумного испарения.

Список использованной литературы

1. M. I. Kitra, C. J. Panagamuwa, P. McEvoy, J. C. Vardaxoglou, and J. R. James, Low SAR ferrite handset antenna design, IEEE Trans Antennas and Propagation, vol. 55, pp. 1155–1164, 2007.
2. R. Mittra, Performance enhancement of small antennas using metamaterials; challenges and future directions, 19th International Conference on Applied Electromagnetics and Communications (ICECom 2007), 2007.
3. C. Caloz, A. Lai, and T. Itoh, The challenge of homogenization in metamaterials, New Journal of Physics, vol. 7, pp. 1–14, 2005.
4. C. Rutherglen, D. Jain, and P. Burke, RF resistance and inductance of massively parallel single walled carbon nanotubes: Direct, broadband measurements and near perfect 50 Ohm impedance matching, Applied Physics Letters, vol. 93, 2008.
5. Y. Bayram, Y. Zhou, and J. Volakis, Conductive textiles and polymerceramic composites for novel load bearing antenna, IEEE Symposium on Antennas and Propagation, San Diego, USA, 2008.
6. W. G. Whittow and Y. Vardaxoglou, Nano-metamaterial Antennas At Microwave Frequencies, Nanometa 2009, Seefeld, Austria, 2009.