$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Проектирование антенны и настройка симуляции
Антенна была разработана с использованием коммерческого 3D-программного обеспечения для электромагнитного моделирования на основе техники конечной интеграции (FIT)10. Параметры моделирования были настроены следующим образом: (i) тип решателя: решатель во временной области с гексаэдрической сеткой; (ii) диапазон частот: 4–7 ГГц; (iii) плотность сетки: 20 строк на длину волны, адаптивная доработка сетки с порогом точности –30 дБ; (iv) граничные условия: открыть (добавить пространство) во всех направлениях с минимальным расстоянием λ/4 от конструкции; (v) мониторы Farfield: настроены с интервалами 0,1 ГГц по всему диапазону частот; (vi) возбуждение порта: волноводный порт с импедансом 50 Ω. Был выбран Rogers RT/duroid 8550 с относительной проницаемостью (εr) 2,55, толщиной 1,5 мм и тангенсом потерь (тангенс δ) 0,0033. Визуальная контрольная точка: После завершения геометрии модели структура антенны должна выглядеть так, как показано на рисунке 1, с чётко определёнными элементами CRLH, межцифровыми конденсаторами и индуктивностями T-stub.
Изготовление антенны CRLH-TL
Антенна использовала асимметричную структуру подачи с копланарным волноводом (CPW). Последовательноя ёмкость реализовывалась с помощью межцифрового конденсатора, а шунтовая индуктивность — с помощью T-stub индуктивности, при этом все геометрические размеры были определены согласно схеме, показанной на рисунке 2A. Индуктивность шунта реализовывалась с помощью T-образного индуктивности (ширина штанга: 0,5 мм, длина штока: 15 мм, ширина заголовка: 6,0 мм, длина заголовка: 6,0 мм). Вместо обычных отверстий via на обратной стороне подложки была включена структура кривой Гильберта третьего порядка (внешние размеры: 7,87 мм × 7,87 мм; ширина следа: 0,48 мм; зазор: 1,19 мм; дополнительные длины сегментов 2,39 мм, 1,43 мм и 3,10 мм, как показано на рисунке 2B) для обеспечения индуктивной нагрузки при минимизации потерьизлучения 11. Семнадцатиэлементные ячейки были организованы в линейный массив 1 × 17 с межэлементарным расстоянием 8,5 мм (примерно λg/4 при 5,6 ГГц). Размеры межцифрового конденсатора и T-stub индуктивности были параметрически оптимизированы; окончательная конструкция соответствует конфигурации, обеспечивающей максимальное усиление и минимальный коэффициент S11, как показано на рисунке 2.
Реализация структуры EBG
Массив 17 × 1 структур кривых третьего порядка был напечатан на обратной поверхности подложки, выровненный концентрически с каждым Т-образным индуктивностью. Каждый элемент Гильберта занимал площадь 7,87 мм × 7,87 мм, при этом Т-образный индуктивный индуктивный элемент был расположен в центре этой области для максимизации индуктивнойсвязи 12. Массив EBG был располагался так, чтобы её продольная ось совпадала с центральной линией массива CRLH-TL, а регистрация осуществлялась с помощью оптических меток выравнивания во время фотолитографии. Hilbert EBG подавляет распространение поверхностных волн и улучшает согласованиеимпеданса 13. Визуальная контрольная точка: Гильбертова фрактальная геометрия третьего порядка, используемая для реализации EBG, показана на рисунке 2B.
Конструкция отражателей AMC
Рефлекторная решетка размером 7 × 10 AMC была разработана с использованием шестиугольных элементов (длина стороны: 5,2 мм; периодичность: 9,0 мм). Каждая ячейка имела три прямоугольных прорези (длина: 3,5 мм; ширина: 0,4 мм), расположенные с интервалом 120° в центре патча для достижения нулевой фазы отражения на частоте 5,6 ГГц. Массив был изготовлен на идентичной подложке Rogers RT/duroid и располагался на 8,0 мм (примерно λ0/6,7 при 5,6 ГГц) ниже заземления антенны. Расстояние между элементами поддерживалось на уровне 0,5 мм между соседними шестиугольниками, что дало общий размер антенны 200 мм × 100 мм. Выравнивание решетки AMC относительно антенны осуществлялось с помощью механических креплений с регулируемыми ступенями микрометра, обеспечивая точность позиционирования ±0,1 мм. Визуальная контрольная точка: геометрия элементарного отражателя AMC и полная схема массива должны соответствовать рисунку 3.
Интеграция оптических переключателей
Поверхностные светозависимые резисторы (LDR) были интегрированы в Т-образное сечение каждой ячейки CRLH. Каждый LDR располагался через зазор 0,5 мм в стержке T-образного индуктивности, в 3,0 мм от перехода тубы. Прикрепление LDR проводилось с использованием проводящей эпоксидки, отверженной при 80°C в течение 30 минут. Внешний красный лазерный диод диаметром 635 нм (оптическая мощность: 5 мВт; диаметр луча: 3 мм) служил оптическим источником. Лазерный луч направлялся с помощью компьютерно управляемой системы гальванометрических зеркал, что позволяло избирательно подсвечивать отдельные LDR или группы LDR. Для характеристики OFF-состояния освещение блокировалось с помощью непрозрачных покрытий чёрного поливинилхлорида (ПВХ) (толщина: 1,5 мм; размеры: 10 мм × 15 мм), закреплённых на каждом LDR. Визуальная контрольная точка: точки интеграции LDR внутри структуры T заглушка должны быть видимы, как показано на рисунке 1.
Процесс изготовления и измерения
Изготовление антенн использовалось методом влажного химического травления. Панели подложки очищались изопропиловым спиртом, сушили при 60°C в течение 10 минут и ламинировали положительным фоторезистом (AZ 4562, вращение при 3000 об/мин в течение 30 секунд, мягкое запекание при 100°C 90 секунд)14. УФ-экспозиция (350 нм, 12 мВт/см², 25 секунд) проводилась через фотомаску, затем проявилась в проявителе AZ 400K (разбавление 1:4 деионизированной водой, 45 секунд)15. Травление меди проводилось с использованием раствора хлорида железа (FeCl₃, 40% в/в, 40°C, 8 минут)16. Остаточный фоторезист удалялся ацетоном, затем промывали деионизированной водой и сушилиазотом 17. Визуальная контрольная точка: Прототип изготовленной антенны, как показано на рисунке 4.
Измерения проводились в камере с радиочастотным экранированием (размеры: 4,5 м × 3,0 м × 2,5 м; изоляция > 90 дБ от 1 до 12 ГГц). Исследуемая антенна (AUT) была установлена на компьютерно управляемом азимут/позиционере высоты (точность вращения: ±0,1°; угловой диапазон: 360° азимут, ±90° высоты). В качестве эталонной антенны служила широкополосная антенна с двумя гребнями (1–12 ГГц). Измерения параметров S-параметров проводились с помощью векторного сетевого анализатора, откалиброванного полным двухпортовым набором для калибровки SOLT (short-open-load-thru). Усиление дальнего поля определялось с помощью метода передачи усиления со стандартным гупором усиления известного усиления (8,2 дБи при 5,6 ГГц). Все измерения проводились в лабораторных условиях окружающей среды (температура: 22 ± 1 °C; относительная влажность: 45 ± 5%).