W-band phase shifter based on metasurface with built-in pin diodes

封面

如何引用文章

全文:

详细

We propose a design and show the numerical simulation results for a W-band (75–110 GHz) phase shifter. The structure of the phase shifter consists of periodic array of rectangular patch antennas on a dielectric substrate with built-in pin-diodes. The calculations demonstrate the possibility of achieving a phase shift of the transmitted wave up to 87° at a frequency of 96 GHz with transmittance losses of –7 dB.

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Возможность локального управления параметрами электромагнитной волны субтерагерцового спектрального диапазона открывает широкие перспективы для развития беспроводных сетей передачи данных нового поколения [1, 2]. В частности, контролируемое изменение фазы излучения с пространственным разрешением позволяет управлять диаграммой направленности, а контроль амплитуды и поляризации позволяет повысить плотность кодируемой информации [3–5]. В этой связи перспективным направлением является разработка искусственных метаматериалов, обладающих широкими по сравнению с «естественными» материалами возможностями управления параметрами электромагнитной волны, вплоть до реализации экзотических оптических сред с µ < 0 и ε < 0 [6–10]. Особый интерес представляют двумерные метаматериалы – метаповерхности, представляющие собой планарные массивы рассеивателей (метаатомов) субволнового размера [11, 12]. В отличие от объемных метаматериалов, метаповерхности проще в изготовлении, обладают малой толщиной и позволяют существенно снизить уровень потерь [12–14].

Наличие на границе двух оптических сред поверхности, состоящей из метаатомов, способных независимо друг от друга изменять фазу излучения контролируемым образом, позволяет управлять направлением и формой волнового фронта электромагнитного излучения в соответствии с принципом Гюйгенса и обобщенными законами отражения и преломления [15–18]. Изначально метаатомы представляли из себя, как правило, пассивные элементы – антенны, наложение электрического и магнитного резонансов, в которых позволялось достичь контролируемого сдвига фазы в пределах от 0 до 2π [16–21]. Также, например, известны работы, в которых поворот фазы метаатома основывается на изменении фазы Панчаратнама–Берри, не зависящей от длины волны излучения [22]. Ключевой недостаток метаповерхностей на основе пассивных элементов состоит в невозможности управления их состоянием после изготовления, что существенно снижает их практическую ценность.

Возможность управления фронтом отраженной или прошедшей через метаповерхность волны достигается путем внедрения в структуру метаатома активного элемента [23–39]. Существует множество различных способов реализации перестраиваемых метаатомов – с использованием варакторов [26, 27], HEMT [28, 29], pin-диодов [30–36], МЭМС [37] и, наконец, жидких кристаллов [38, 39]. Состояние активного элемента и вносимый им сдвиг фазы может изменяться как непрерывным, так и дискретным образом.

Благодаря компактности и простоте схемы смещения, одним из наиболее перспективных активных элементов является pin-диод. Он имеет широкую слабо легированную область, в которой приложением смещения можно создавать высокую концентрацию инжектированных носителей. Смещенный в прямом направлении pin-диод имеет практически нулевое сопротивление ~1–3 Ом, накоротко замыкая участок цепи, а смещенный в обратном направлении выступает в качестве конденсатора с существенной емкостью. Pin-диоды, обладающие близкой к линейной ВАХ в СВЧ диапазоне, широко применяются в качестве переключателей в фазовращательных и модуляторных элементах субтерагерцового спектрального диапазона [40–43].

На данный момент pin-диоды в метаатомах, как правило, выполняют роль коммутаторов, осуществляющих изменение фазы дискретным образом между двумя состояниями, соответствующими прямому и обратному смещению на pin-диоде [30–35]. Достижимый при этом сдвиг фазы на характерных частотах W-диапазона составляет до 300° [36] в теории и 87° [32] в эксперименте. Однако практически отсутствуют структуры на основе pin-диодов, позволяющие менять фазу непрерывным образом.

В настоящей работе предлагается конструкция планарного фазовращательного элемента в виде периодического массива прямоугольных патч-антенн со встроенными pin-диодами на диэлектрической подложке. Показано, что такой элемент может непрерывно изменять сдвиг фазы проходящей электромагнитной волны в пределах от 0 до 87° при потерях пропускания –7 дБ на рабочей частоте 96 ГГц. Выбор 96 ГГц в качестве рабочей частоты элемента связан с наличием в этой области окна прозрачности атмосферного пропускания.

МОДЕЛЬ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

Модель фазовращательного элемента приведена на рис. 1. Выбор конкретной топологии фазовращателя обусловлен сдвигом собственной частоты при варьировании импеданса структуры между крайними резонансами, соответствующими проводящему и изолирующему состояниям pin-диодов. Это позволяет получить существенный сдвиг фазы прошедшей волны на лежащей между двумя резонансами промежуточной частоте. Периодическая металлическая структура толщиной 17 мкм изготовлена на диэлектрической подложке из фторопласта (ε = 2) толщиной 127 мкм и представляет собой массив из 20 патч-антенн, соединенных посредством pin-диодов. Геометрические параметры структуры, а именно, размер патчей и расстояние между ними, были подобраны исходя из оптимизации эффективности работы фазовращательного элемента вблизи 96 ГГц. Период структуры вдоль оси y (см. рис. 1) составлял a = 1.6 мм, тогда как период вдоль оси x – b = 2.5 мм. Ширина патчей составляет c = 0.98 мм, ширина щели между соседними патчами, соединенными pin-диодами, – g = 30 мкм.

 

Рис. 1. Схематичное изображение общей структуры фазовращательного элемента, представляющего собой решетчатый массив из 20 металлических патч-антенн, разделенных щелями с характерным размером g = 30 мкм (а); cхема включения pin-диодов в структуру в области щели между соседними металлическими патчами (б)

 

Принцип работы метаповерхности на основе предлагаемых фазовых элементов наиболее просто и наглядно описывается на основе модели линии передачи [26]. В рамках данной модели комплексная амплитуда пропускания фазового элемента рассчитывается, как если бы он шунтировал линию передачи с волновым сопротивлением, равным сопротивлению вакуума Z0=μ0ε0. Таким образом, сдвиг фазы прошедшей электромагнитной волны определяется поверхностным импедансом фазового элемента (метаатома) и может быть выражен следующим общим соотношением [26, 44]:

∆φ=arg22+Z0/ZS,

где ZS – поверхностный импеданс фазового элемента.

Управлять сдвигом фазы можно, прикладывая напряжение смещения между крайними металлическими элементами. Это приводит к изменению дифференциального сопротивления pin-диодов и поверхностного импеданса всей структуры.

ИМПЕДАНС ФАЗОВРАЩАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

Для выбранной модельной структуры был произведен численный расчет частотных зависимостей импеданса, сдвига фазы и коэффициента пропускания при различных значениях сопротивления pin-диодов. Так как такая структура чувствительна к поляризации падающей волны, расчеты проводились для случая нормального падения, линейно поляризованного вдоль оси y электромагнитного излучения. Вычисления были выполнены методом конечных элементов в специализированном программном пакете. Для упрощения и ускорения вычислений в качестве модельного объекта выступала бесконечная периодическая структура.

На рис. 2 приведены частотные зависимости действительной и мнимой частей эффективного импеданса структуры, соответствующие трем различным значениям дифференциального сопротивления pin-диодов: 1.6 Ом, 16 Ом и 160 кОм. Данные значения сопротивления были выбраны исходя из вольт-амперных характеристик коммерчески доступных кремниевых pin-диодов. На кривых, соответствующих крайним значениям сопротивления pin-диода на рис. 2а – 1.6 Ом (зеленый) и 160 кОм (синий), можно заметить выраженные резонансные пики на частотах 89 и 112 ГГц, соответственно. Обращение в ноль мнимой части импеданса системы в этих точках (рис. 2б) свидетельствует о выполнении условий резонанса, положение которого существенно сдвигается при изменении сопротивления pin-диода.

 

Рис. 2. Зависимости действительной (а) и мнимой (б) частей эффективного импеданса фазовращательного элемента от частоты для различных дифференциальных сопротивлений pin-диода

 

Частотные зависимости коэффициента пропускания и фазового сдвига в W-диапазоне, рассчитанные для различных сопротивлений pin-диодов, представлены на рис. 3. Вблизи резонансов, соответствующих крайним значениям сопротивления pin-диодов, наблюдаются максимумы коэффициента пропускания (рис. 3а) и отсутствие фазового сдвига (рис. 3б). Варьируя напряжение смещения на pin-диодах при фиксированной частоте, наибольшего фазового сдвига порядка Δφ ~ 90° удается достичь в диапазонах 95 – 105 ГГц и 115 – 118 ГГц. В соответствии с постановкой задачи оптимальное соотношение пропускания и сдвига фазы наблюдается вблизи рабочей частоты фазового элемента f = 96 ГГц.

 

Рис. 3. Зависимости коэффициента пропускания фазового элемента (а) и фазового сдвига прошедшей электромагнитной волны (б) от частоты при различных сопротивлениях pin-диодов

 

Важно отметить, что поворотом фазы в исследуемом фазовращателе можно управлять непрерывным образом, перестраивая дифференциальное сопротивление pin-диодов при помощи напряжения смещения. Зависимость сдвига фазы прошедшей волны для фиксированной частоты f = 96 ГГц от дифференциального сопротивления pin-диодов приведена на рис. 4.

 

Рис. 4. Зависимость фазового сдвига прошедшей электромагнитной волны на частоте 96 ГГц от дифференциального сопротивления pin-диодов

 

Продемонстрированная выше возможность непрерывного изменения фазового сдвига в диапазоне от 0 до 87° является важным преимуществом предлагаемой модели фазового элемента. Метаповерхность на основе массива таких активных элементов позволит значительно более тонко управлять диаграммой направленности проходящей волны по сравнению с метаповерхностями с дискретным набором состояний фазовращателей. В этой связи важным параметром является постоянство коэффициента пропускания поверхности при изменении дифференциальных сопротивлений pin-диодов. Отметим, что наименьший разброс значений коэффициента пропускания фазового элемента наблюдаются как раз на рабочей частоте f = 96 ГГц (рис. 3а).

Оптимизация модели может быть осуществлена за счет варьирования геометрических параметров структуры, исходя из оптимального для конкретной задачи соотношения между сдвигом фазы и коэффициентом пропускания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, предложена модель перестраиваемого фазовращательного элемента W-диапазона на основе планарного метаматериала со встроенными pin-диодами. Численный расчет модели продемонстрировал возможность непрерывного и контролируемого управления сдвигом фазы в диапазоне от 0 до 87° в указанной структуре на частоте 96 ГГц с потерями не более –7 дБ. На основе предложенного фазового элемента может быть сконструирована фазированная антенная решетка для широкого класса применений в субтерагерцовом спектральном диапазоне.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-72-30003).

×

作者简介

A. Kazakov

Moscow Institute of Physics and Technology; Lomonosov Moscow State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: askazakov@physics.msu.ru
俄罗斯联邦, Dolgoprudny; Moscow

P. Gusikhin

Osipyan Institute of Solid-State Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: askazakov@physics.msu.ru
俄罗斯联邦, Chernogolovka

I. Andreev

Osipyan Institute of Solid-State Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: askazakov@physics.msu.ru
俄罗斯联邦, Chernogolovka

V. Muravyov

Osipyan Institute of Solid-State Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: askazakov@physics.msu.ru
俄罗斯联邦, Chernogolovka

I. Kukushkin

Osipyan Institute of Solid-State Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: askazakov@physics.msu.ru
俄罗斯联邦, Chernogolovka

参考

  1. Dang S., Amin O., Shihada B. et al. // Nature Electron. 2020. V. 3. No. 1. P. 20.
  2. Rasilainen K., Phan T.D., Berg M. et al. // IEEE J. Sel. Areas Commun. 2020. V. 41. No. 8. P. 2530.
  3. Fu X., Yang F., Liu C. et al. // Adv. Opt. Mater. 2019. V. 8. No. 3. Art. No. 1900628.
  4. Guo Y., Guo Y., Li C. et al. // Appl. Sciences. 2021. V. 11. No. 9. P. 4017.
  5. Rice M. Digital communications: a discrete-time approach. Pearson Prentice Hall, 2009. 796 с.
  6. Веселаго В.Г. // УФН. 1967. Т. 92. № 7. С. 517.
  7. Smith D.R., Pendry J.B., Wiltshire M.C.K. // Science. 2004. V. 305. No. 5685. P. 788.
  8. Shalaev V.M. // Nature Photon. 2007. V. 1. No. 1. P. 41.
  9. Кильдишев А.В., Шалаев В.М. // УФН. 2011. T. 181. № 1. С. 59; Kildishev A.V., Shalaev V.M. // Phys. UsP. 2011. V. 54. No. 1. P. 53.
  10. Holloway C.L., Kuester E.F., Gordon J.A. et al. // IEEE Antennas Propag. Mag. 2012. V. 54. No. 2. P. 10.
  11. Yu N., Capasso F. // Nature Mater. 2014. V. 13. No. 2. P. 139.
  12. Yu Y.F., Zhu A.Y., Paniagua‐Domínguez R. et al. // Laser Photon. Rev. 2015. V. 9. No. 4. P. 412.
  13. Chen H.T., Taylor A.J., Yu N. // Rep. Prog. Phys. 2016. V. 79. No. 7. Art. No. 076401.
  14. Ремнев М.А., Климов В.В. // УФН. 2018. Т. 188. № 2. С. 169; Remnev M.A., Klimov V.V. // Phys. Usp. 2018. V. 61. No. 2. P. 157.
  15. Yu N., Genevet P., Kats M.A. et al. // Science. 2011. V. 334. No. 6054. P. 333.
  16. Pfeiffer C., Grbic A. // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110. No. 19. Art. No. 197401.
  17. Decker M., Staude I., Falkner M. et al. // Adv. Opt. Mater. 2015. V. 3. No. 6. P. 813.
  18. Chen M., Kim M., Wong A.M. et al. // Nanophotonics. 2018. V. 7. No. 6. P. 1207.
  19. Yu N., Aieta F., Genevet P. et al. // Nano Lett. 2012. V. 12. No. 12. P. 6328.
  20. Sun S., Yang K.Y., Wang C.M. et al. // Nano Lett. 2012. V. 12. No. 12. P. 6223.
  21. Pors A., Albrektsen O., Radko I.P. et al. // Sci. Reports. 2013. V. 3. No. 1. P. 2155.
  22. Huang L., Chen X., Muhlenbernd H. // Nano Lett. 2012. V. 12. No. 11. P. 5750.
  23. Sun S., He Q., Hao J. et al. // Adv. Opt. Photon. 2019. V. 11. No. 2. P. 380.
  24. Yang F., Pitchappa P., Wang N. // Micromachines. 2022. V. 13. No. 2. P. 285.
  25. Zeng H., Gong S., Wang L. // Nanophotonics. 2021. V. 11. No. 3. P. 415.
  26. Sievenpiper D.F., Schaffner J.H., Song H.J. et al. // IEEE Antennas Propag. Mag. 2003. V. 51. No. 10. P. 2713.
  27. Parlak M., Buckwalter J.F. // IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. 2010. V. 20. No. 11. P. 631.
  28. Zhang Y., Zhao Y., Liang S. et al. // Nanophotonics. 2018. V. 8. No. 1. P. 153.
  29. Zhang Y., Qiao S., Liang S. et al. // Nano Lett. 2015. V. 15. No. 5. P. 3501.
  30. Cui T.J., Qi M.Q., Wan X. et al. // Light Sci. Appl. 2014. V. 3. No. 10. P. 218.
  31. Pan X., Yang F., Xu S., Li M. // Proc. IEEE Ap-S/URSI (San Diego, 2017). P. 2055.
  32. Pan X., Wang S., Li G. et al. // Proc. IEEE MTT-S IWS (Chengdu, 2018). P. 1.
  33. Chieh J.C.S., Rowland J., Sharma S. // Electron. Lett. 2018. V. 54. No. 17. P. 1040.
  34. Chaimool S., Hongnara T., Rakluea C. et al. // Int. J. Antennas Propag. 2019. V. 2019. Art. No. 7216324.
  35. Zhang Z., Lan F., Mazumder P. et al. // Proc. IEEE PIERS-Fall (Rome, 2019). P. 3232.
  36. Al-Tag A.A., Al-mahdi R.M., Al-hedari et al. // Proc. eSmarTA2022 (Ibb, 2022). P. 1.
  37. Montori S., Chiuppesi E., Farinelli P. et al. // Int. J. Microw. Wirel. Technol. 2011. V. 3. No. 5. P. 521.
  38. Perez-Palomino G., Barba M., Encinar J.A. et al. // IEEE Antennas Propag. Mag. 2015. V. 63. No. 8. P. 3722.
  39. Gaebler A., Moessinger A., Goelden F. et al. // Int. J. Antennas Propag. 2009. V. 2009. Art. No. 876989.
  40. Levin B.J., Weidner G.G. // Proc. IEEE G-MTT Int. Microw. Symp. (Boulder, 1973). P. 65.
  41. Nguyen C., Yen P. // Proc. IEEE16th EuMC1986. (Dublin, 1986). P. 133.
  42. Stephan K.D., Goldsmith P.F. // Proc. IEEE MTT-S Microw. Symp. Digest (Albuquerque, 1992). P. 591.
  43. Lowe K., Lynch D.D., Panaretos S. et al. Diode patch phase shifter insertable into a waveguide. US Patent No. 5170140. 1992.
  44. Dzhikirba K.R., Shuvaev A., Khudaiberdiev D. et al. // Appl. Phys. Lett. 2023. V. 123. No. 5. Art. No. 052104.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Schematic representation of the general structure of the phase-shifting element, which is a lattice array of 20 metal patch antennas separated by slits with characteristic size g = 30 μm (a); scheme of pin-diodes inclusion in the structure in the region of the slot between neighbouring metal patches (b)

下载 (279KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Dependences of the real (a) and imaginary (b) parts of the effective impedance of the phase-shifting element on frequency for different pin-diode differential resistances

下载 (165KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Dependences of the phase element transmission coefficient (a) and phase shift of the passed electromagnetic wave (b) on frequency at different pin-diode resistances

下载 (181KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Dependence of the phase shift of the passed electromagnetic wave at 96 GHz on the differential resistance of pin-diodes

下载 (107KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».