eng
Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Глава 1. Малогабаритные встроенные антенны сантиметрового и миллиметрового
диапазонов длин волн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.
Направления развития антенн диапазона 5 ГГц с минимальным объемом. . . . 15
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.
1.1.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.2.
Многослойные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.3.
Использование метаматериалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.4.
Перестраиваемые антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.1.5.
Обеспечение круговой поляризации излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.1.6.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.
Обзор реализаций планарных встроенных антенн диапазона 5 ГГц
с минимальным объемом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.
1.2.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.2.
Вибраторные антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.3.
Антенны с щелевыми излучателями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.4.
Использование фрактальных топологий антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.5.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3.
Обзор реализаций встроенных антенн диапазона 5 ГГц
с излучателем-монополем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.
1.3.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.3.2.
Развитие встроенных антенн на основе монополя . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.3.3.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.4.
Интегрированные антенны на наногетероструктурах арсенида галлия . . . . . . . 46
Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Галиев Р.Р.
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.5.
Обзор реализаций планарных антенн Х-диапазона с двумя слоями
металлизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.,
Бунегина С.Л., Крапухин Д.В.
1.5.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.5.2.
Развитие встроенных антенн на основе монополя . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.5.3.
Развитие вибраторных антенн Х-диапазона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.5.4.
Применение фрактальных структур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.5.5.
Использование метаматериалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.5.6.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.6.
Многослойные планарные антенны. Часть 1. Типы, реализации,
преимущества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.,
Крапухин Д.В., Бунегина С.Л.
1.6.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.6.2.
Многослойные модификации планарных антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1.6.3.
Апертурно-связанные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
1.6.4.
Построение антенных решеток (АР) на основе АСА. . . . . . . . . . . . . . . . 69
1.6.5.
Расширение рабочей полосы АСА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.7.
Многослойные планарные антенны. Часть 2. Обеспечение многочастотного
режима круговой или эллиптической поляризации излучения . . . . . . . . . . . . . 78
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.,
Крапухин Д.В., Бунегина С.Л.
1.7.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
1.7.2.
Обеспечение многочастотного режима . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
1.7.3.
Обеспечение круговой или эллиптической поляризации излучения . . . . 82
1.7.4.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.8.
Интегрированные антенны для использования в системах на кристалле . . . . . 87
Матвеенко О.С.
1.8.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
1.8.2.
Конструкция антенного элемента для частот 5 и 10—12 ГГц . . . . . . . . . 88
1.8.3.
Микрополосковая антенна для V-диапазона частот . . . . . . . . . . . . . . . . 90
1.8.4.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Глава 2. Фотопроводящие материалы и интегральные антенны на их основе
для терагерцевого диапазона частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.1.
MHEMT с предельной частотой усиления по мощности fmax = 0,63 ТГц
на основе наногетероструктуры In0,42Al0,58As/In0,42Ga0,58As/
In0,42Al0,58As/GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Лаврухин Д.В., Ячменев А.Э., Галиев Р.Р., Хабибуллин Р.А., Пономарёв Д. С.,
Фёдоров Ю.В., Мальцев П.П.
2.1.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.1.2.
Образцы и методика измерений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.1.3.
Результаты измерений и их обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.1.4.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.2.
Исследование малосигнальных и шумовых характеристик метаморфных
транзисторов для монолитных интегральных схем в крайневысокочастотном
диапазоне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Мальцев П.П., Гнатюк Д.Л., Фёдоров Ю.В., Зуев А.В., Галиев Р.Р.,
Побойкина Н.В.
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.3.
Разработка и исследование фотопроводящих антенн на основе
полупроводников группы А3В5, выращенных при пониженных
температурах эпитаксиального роста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Галиев Г.Б., Климов Е.А., Лаврухин Д.В. Ячменев А.Э., Галиев Р.Р.,
Пономарёв Д.С., Хабибуллин Р.А., Фёдоров Ю.В., Бугаев А.С.
2.3.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.3.2.
Экспериментальные данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.3.3.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.4.
Разработка материалов и фотопроводящих антенн на их основе для
генерации и детектирования импульсного и непрерывного терагерцевого
(ТГц) излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Бугаев А.С., Глинский И.А., Пушкарёв С.С., Лаврухин Д.В., Ячменев А.Э.,
Хабибуллин Р.А., Пономарёв Д.С.
2.4.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.4.2.
Генерация ТГц излучения в LT GaAs и In0,38Ga0,62As . . . . . . . . . . . . . . 108
2.4.3.
Разработка фотопроводящих антенн и исследование их
электрических и тепловых свойств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.4.4.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.5.
Терагерцевое излучениe эпитаксиальных низкотемпературных GaAs
структур на подложках GaAs (100) и (111)А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Галиев Г.Б., Буряков А.М., Билык В.Р., Хусяинов Д.И., Мишина Е.Д.,
Климов Е.А., Клочков А.Н., Пушкарёв С.С., Васильевский И.С., Грехов М.М.,
Трунькин И.Н., Васильев А.Л.
2.5.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
2.5.2.
Образцы и методика ТГц эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.5.3.
Кристаллическая структура образцов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
2.5.4.
Время жизни фотовозбужденных носителей заряда. . . . . . . . . . . . . . . . 121
2.5.5.
Генерация и детектирование ТГц излучения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2.5.6.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Глава 3. Системы на кристалле со встроенными антеннами . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.1.
Перспективы создания систем на кристалле для СВЧ- и КВЧ-диапазонов
частот на арсениде галлия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Мальцев П.П.
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.2.
Перспективы замены арсенидных МИС на нитридные . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Фёдоров Ю.В., Михайлович С.В.
3.2.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.2.2.
Предельные СВЧ-параметры полевых транзисторов с двумерным
электронным газом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.2.3.
Нитридные НЕМТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.2.4.
Арсенидные НЕМТ на подложках InP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.2.5.
Зависимость мощностных параметров нитридных НЕМТ от толщины
барьерного слоя наногетероструктур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.2.6.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.3.
Технология сплавных и несплавных омических контактов
к гетероструктурам на основе GaN. Обзор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Павлов В.Ю., Павлов А.Ю.
3.3.1.
Сплавные омические контакты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.3.2.
Несплавные омические контакты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
3.3.3.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
3.4.
Влияние параметров наногетероструктур и технологии изготовления
на шумовые свойства AlGaN/GaN HEMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Фёдоров Ю.В., Михайлович С.В.
3.4.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.4.2.
Теория . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.4.3.
Постановка эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.4.4.
Методика обработки результатов измерений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.4.5.
Результаты и их обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.4.6.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
3.5.
Переход от сплавной к несплавной технологии омических контактов
при росте диапазона рабочих частот СВЧ МИС на основе нитрида галлия . . 170
Павлов А.Ю.
3.5.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
3.5.2.
Методы формирования омических контактов. Сплавные и несплавные
омические контакты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
3.5.3.
Требования к омическим контактам при изготовлении полевых
транзисторов на гетероструктурах на основе нитрида галлия. . . . . . . . . 173
3.5.4.
Сравнение частотных характеристик полевых транзисторов
с омическими контактами, изготовленными разными методами . . . . . . 175
3.5.5.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.6.
Малошумящие усилители диапазона 60 ГГц. Обзор мировых коммерческих
разработок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Крапухин Д.В.
3.6.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.6.2.
Обзор малошумящих усилителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.6.3.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
3.7.
Монолитная интегральная схема ГУН V-диапазона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Мальцев П.П., Фёдоров Ю.В., Крапухин Д.В., Матвеенко О.С., Путинцев Б.Г.
3.7.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.7.2.
Разработка и изготовление МИС ГУН V-диапазона . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.7.3.
Исследования характеристик МИС ГУН. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
3.7.4.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.8.
Монолитная интегральная схема усилителя со встроенной антенной для
пятимиллиметрового диапазона длин волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Фёдоров Ю.В., Гнатюк Д.Л., Крапухин Д.В.,
Зуев А.В., Бунегина С.Л.
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.9.
Технология изготовления и разработка монолитных интегральных схем
на основе нитрида галлия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Фёдоров Ю.В., Бугаев А.С., Павлов А.Ю., Гнатюк Д.Л., Матвеенко О.С.,
Павлов В.Ю., Слаповский Д.Н., Томош К.Н., Енюшкина Е.Н., Галиев Р.Р.,
Майтама М.В., Зуев А.В., Крапухин Д.В., Гамкрелидзе С.А.
3.9.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.9.2.
Формирование приборной мезаизоляции МИС на основе нитрида
галлия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.9.3.
Формирование омических контактов к гетероструктурам на основе
нитрида галлия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
3.9.4.
Формирование выпрямляющего контакта (затвора Шоттки) к
гетероструктурам на основе нитрида галлия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
3.9.5.
Пассивация затвора, формирование конденсаторного диэлектрика . . . . 206
3.9.6.
Формирование первого уровня металлизации и верхних обкладок
конденсаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.9.7.
Формирование межэлектрических соединений в виде «воздушных
мостов» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.9.8.
Формирование межэлектрических соединений, обеспечивающих
общую землю. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.9.9.
Реализация технологии изготовления МИС на основе нитрида галлия,
разработанных топологических решений для сантиметрового
и миллиметрового частотных диапазонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
3.9.10.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3.10.
Разработка однокристальных приемопередающих модулей V-диапазона
на нитриде галлия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Путинцев Б.Г.
3.10.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
3.10.2.
Разработка и изготовление МИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
3.10.3.
Характеристики МИС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
3.10.4.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
3.11.
СВЧ-технологии — основа электроники будущего. Тенденции и рынки . . . 224
Мальцев П.П., Шахнович И.В.
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Приложение А. Результаты интеллектуальной деятельности ИСВЧПЭ РАН
за 2010–2017 гг. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Приложение Б. Усилители мощности и малошумящие усилители для диапазона
частот 8–12 ГГц. Обзор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Фёдоров Ю.В., Майтама М.В., Михалев А.О.
Б.1. Аналитический обзор современной научно-технической литературы
в области усилителей на нитриде галлия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Б.2. Аналитический обзор по разработке перспективных монолитных
интегральных схем МИС усилителей мощности и малошумящих
усилителей диапазона частот 8—12 ГГц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Приложение В. Усилители в монолитном исполнении для диапазона частот
57
–67 ГГц. Обзор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П.
B.1. Патентные исследования в области усилителей в монолитном исполнении
мм-диапазона длин волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
B.1.1. Защищенные патентами решения построения СВЧ-усилителей в
монолитном исполнении мм-диапазона длин волн . . . . . . . . . . . . . . . 264
B.1.2. Развитие многокаскадного усилителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
B.1.3. Развитие распределенного усилителя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
B.1.4. Схемотехника каскадов с непосредственными связями (каскода) . . . . . 276
B.2. Схемотехнические, конструкторские решения интегральных схем
малошумящих усилителей мм-диапазона длин волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
B.2.1. Развитие многокаскадной схемы малошумящих усилителей
мм-диапазона длин волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
B.2.2. Применение структуры распределенного усилителя для построения
малошумящего усилителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
B.2.3. Применение каскодной схемы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
B.3. Реализация усилителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
B.4. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Приложение Г. Генераторы, управляемые напряжением для диапазона
частот 57–67 ГГц. Обзор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П.
Г.1. Основная (аналитическая) часть. Генераторы, управляемые напряжением
мм-диапазона длин волн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Г.2. Развитие схемы генератора с одиночным транзистором . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Г.3. Развитие генераторов, управляемых напряжением, построенных
на двухтактных дифференциальных схемах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Г.4. Примеры разработки генераторов, управляемых напряжением . . . . . . . . . . . 310
Г.5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
Приложение Д. Схемотехнические и конструкторские решения для смесителей
для диапазона частот 57–67 ГГц. Обзор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П.
Д.1. Принципы построения смесителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Д.2. Схемотехника перемножителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Д.3. Структуры двойных балансных смесителей на основе перемножителей. . . . . 332
Д.4. Реализация фазорасщепителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Д.5. Реализация смесителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
Д.6. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Приложение Е. Радиоприемные устройства для диапазона частот 57–67 ГГц.
Обзор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П.
Е.1. Развитие радиоприемных устройств мм-диапазона длин волн . . . . . . . . . . . . 367
Е.1.1. Охраняемые схемотехнические решения радиоприемных устройств
мм-диапазона длин волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Е.1.2. Схемотехнические и конструктивные решения радиоприемных
устройств мм-диапазона длин волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
Е.1.3. Системы на кристалле мм-диапазона длин волн . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
Е.1.4. Реализация гибридной сборки системы в корпусе на основе
многослойных плат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
Е.1.5. Гибридная сборка МИС приемопередающего модуля и антенн
мм-диапазона длин волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Е.1.6. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
Приложение Ж. Стратегическая программа исследований технологической
платформы «СВЧ4технологии» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
Ж.1. Текущие тенденции развития рынков и технологий в сфере деятельности
платформы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
Ж.1.1. Описание текущего состояния рынков отраслей и секторов
экономики по основным показателям (объемы рынков и их
основных сегментов, динамика их роста и др.) . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
Ж.1.2. Описание основных технических и технологических решений,
в целом характеризующих текущий уровень развития рынков и
технологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
Ж.1.3. Анализ конкуренции на внутреннем и внешних рынках и их
ключевых сегментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
Ж.1.4. Оценка технических и технологических решений и компетенций,
обеспечивающих конкурентоспособность российских
предприятий — производителей продукции ТП. . . . . . . . . . . . . . . . . 448
Ж.1.5. Оценка обеспеченности кадрами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
Ж.1.6. Оценка доступности РИД по технологиям, которые предполагается
развивать в рамках ТП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
Ж.1.7. Возможности и ограничения использования объектов научной и
инновационной инфраструктуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
Ж.2. Прогноз развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы. . 459
Ж.2.1. Видение будущего в контексте социально-экономического развития
России на средне- и долгосрочную перспективу . . . . . . . . . . . . . . . . 459
Ж.2.2. Сценарии развития рынков и технологий в отраслях и секторах
экономики, к которым относится ТП, в том числе спроса
на основные виды продукции ТП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
Ж.2.3. Прогноз потребности в кадрах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
Ж.2.4. Прогноз развития технологий, относящихся к ТП (наиболее
перспективных с точки зрения обеспечения
конкурентоспособности), прогноз основных свойств
(технических и потребительских характеристик) . . . . . . . . . . . . . . . . 470
Ж.2.5. Идентификация рынков, характеризующихся существенными
возможностями распространения основных параметров развития
данных рынков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
Ж.2.6. Виды продукции ТП, имеющие наилучшие рыночные перспективы
в кратко-, средне- и долгосрочном периоде. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
Ж.2.7. SWOT-анализ альтернативных продуктов и услуг. Выявление
барьеров, рисков и ограничений развития продукции ТП . . . . . . . . . 477
Ж.3. Направления исследований и разработок, наиболее перспективные
для развития в рамках платформы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
Ж.3.1. Направления исследований и разработок, по которым участники
ТП заинтересованы координировать свои действия и/или
осуществлять кооперацию друг с другом на доконкурентной стадии . 479
Ж.3.2. Перечень продукции ТП. Группы технологий, которые
предполагается развивать в рамках технологической ТП. Цели
и задачи технологической ТП, уточненные/актуализированные
исходя из состава и структуры направлений кооперации R&D
на доконкурентной стадии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
Ж.3.3. Направления собственных (российских) научных исследований
и разработок для обеспечения российских предприятий-
производителей техническими и технологическими решениями,
важнейшими с точки зрения их конкурентоспособности
(в средне- и долгосрочном периоде) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
Ж.4. Тематический план работ и проектов платформы в сфере исследований
и разработок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
Ж.4.1. Детализированный план работ и проектов в сфере исследований
и разработок, которые предполагается выполнить на первом этапе
деятельности ТП (в первоочередном порядке) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
Ж.4.2. Работы и проекты, которые предполагается выполнять совместно
несколькими участниками ТП (при координации действий и/или
в кооперации участников друг с другом на доконкурентной стадии) . 486
Ж.5. Мероприятия по коммерциализации технологий и совершенствованию
механизмов управления правами на результаты интеллектуальной
деятельности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
Ж.5.1. Выявление возможностей и ограничений использования ранее
созданных РИД для достижения целей и задач ТП . . . . . . . . . . . . . . 489
Ж.5.2. Система мер по организационному, финансовому, экспертному
и информационному обеспечению патентования РИД, полученных
в ходе реализации ТП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
Ж.5.3. Мероприятия по совместному использованию результатов
интеллектуальной деятельности участниками ТП. . . . . . . . . . . . . . . . 492
Ж.5.4. Мероприятия по содействию коммерциализации результатов
интеллектуальной деятельности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
Ж.6. Меры в области подготовки и развития научных и инженерно-технических
кадров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
Ж.6.1. Развитие образовательных и профессиональных стандартов в сфере
деятельности ТП. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
Ж.6.2. Совершенствование действующих и разработка новых программ
профессионального и дополнительного образования с учетом
потребностей бизнеса в сфере деятельности ТП. Обеспечение их
реализации на базе ведущих вузов в необходимых объемах . . . . . . . . 500
Ж.6.3. Совершенствование профильной и уровневой структуры подготовки
специалистов с учетом потребностей бизнеса в сфере деятельности
ТП, развитие механизмов непрерывного образования . . . . . . . . . . . . 504
Ж.6.4. Содействие мобильности научных и инженерно-технических кадров
и обмену кадрами между организациями —
участниками технологической ТП (стажировки, обмен и другие
формы) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
Ж.6.5. Формирование механизмов мониторинга кадрового обеспечения
предприятий — участников технологической ТП, а также
уровня подготовки их научных и инженерно-технических кадров . . . 509
Приложение З. Справочный лист комплекта монолитных интегральных схем
на нитриде галлия для диапазона 57–64 ГГц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц, терминов . . . . . . . 526
Перечень кодов стран и соответствующие им наименования стран, других
административных единиц и межправительственных организаций
ВОИС, ST. 3: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
Посвящается 70-летию со дня рождения
Мальцева Петра Павловича
ВВЕДЕНИЕ
В данный сборник вошли статьи сотрудников Федерального государственного автономного научного учреждения «Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова Российской академии наук» (ИСВЧПЭ РАН), опубликованные в период с 2010 по 2017 гг., которые освещают новые направления исследований наногетероструктур А3В5 (арсенид галлия и нитрид галлия):
• расчет и моделирование систем на кристалле с интегрированными антен-
нами и усилителями для крайне высоких частот;
• создание фотопроводящих антенн для терагерцевых устройств.
Статьи использованы при выполнении работ по заказу Минобрнауки
России в рамках: ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радио-
электроники» на 2008–2015 годы, ФЦП «Научные и научно-педагогические
кадры инновационной России» на 2009–2013 годы, ФЦП «Исследования и
разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологиче-
ского комплекса России» на 2007—2013 годы и на 2014—2020 годы.
Кратко можно отметить следующие основные моменты биографии
Мальцева П.П.: родился 28 сентября 1947 г., закончил физико-математиче-
скую среднюю школу № 110 в г. Ташкенте в 1967 г., получил высшее техни-
ческое образование в Ташкентском электротехническом институте связи
(1967—1971 гг.) и закончил аспирантуру Московского электротехнического
института связи (1973—1977 гг.). Работал в 22-м Центральном научно-иссле-
довательском институте Министерства обороны (1977—1989 гг.), Секции
прикладных проблем при Президиуме Российской академии наук (1989—
2007 гг.), Технологическом центре МИЭТ (2007—2009 гг.), а с 2010 г. — ди-
ректор и с 2016 г. по н.в. — научный руководитель ИСВЧПЭ РАН.
В 1985—1986 гг. Мальцев П.П. с коллективом Научно-исследовательско-
го института молекулярной электроники (НИИМЭ) сформировал комплекс-
но-целевую программу по разработке цифровых интегральных схем на арсе-
ниде галлия двойного назначения. Создание интегральных схем на арсениде
галлия и их испытания стали основой докторской диссертации П.П. Маль-
цева (1994 г.) и присвоения звания профессора (1996 г.), а затем по данной
тематике ему в составе коллектива ученых была присуждена премия Прави-
тельства Российской Федерации в области науки и техники за 1999 г.
(в 2000 г.).
Мальцев П.П. является известным специалистом в области электроники,
он активно участвовал в разработке комплексно-целевых программ по созда-
нию приборов наноэлектроники (1995 г.) и по разработке микросистемной
техники (1998 г.) двойного назначения.
Мальцев П.П. разработал в 2010 году технологическую платформу ТП
104 «Мобильные и беспроводные коммуникации в миллиметровом диапазо-
не длин волн (60—90 ГГц)» (организатор ИСВЧПЭ РАН), которая вошла
в технологическую платформу «СВЧ-технологии», включенную в Перечень
технологических платформ (утвержден решениями Правительственной ко-
миссии по высоким технологиям и инновациям (от 01.04.2011 г. протокол
№2 и от 05.07.2011 г. протокол №3) и решением президиума Правительст-
венной комиссии по высоким технологиям и инновациям (от 21.02.2012 г.
протокол №2) — позиция в перечне №26).
Научная жизнь Мальцева П.П. тесно переплелась с работой в качестве
главного редактора журналов «Нано- и микросистемная техника» (с 1999 г.
по н. в.), «Электроника: Наука. Технология. Бизнес» (2005—2011 гг.) и «На-
ноиндустрия» (2007—2011 гг.). Он активно внедрял научные результаты в
образовательный процесс и в 1999 г. создал кафедру микросистемной техни-
ки в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики
(МИРЭА), которую возглавлял до 2016 г. – до создания объединенной ка-
федры наноэлектроники. За время работы кафедры было подготовлено более
трехсот специалистов по микросистемной технике, бакалавров и магистров
по специальности «нанотехнологии и микросистемная техника», а также
около десятка кандидатов технических наук.
Мальцев П.П. внес большой вклад в подготовку специалистов высшей
квалификации, работая в составе экспертного совета Высшей аттестационной
комиссии России (с 1998 г. по н. в.). Он является соавтором более 250 публи-
каций, а также около 40 результатов интеллектуальной деятельности.
В 2014 г. П.П. Мальцев награжден знаком «Заслуженный деятель науки
Российской Федерации», а в 2015 г. ему присуждена премия им. А.А. Рас-
плетина Российской академии наук за цикл публикаций по созданию СВЧ-
систем на кристалле на широкозонных полупроводниках для миллиметрово-
го диапазона длин волн.
Ранее вышел сборник статей, посвященный 70-летию члена-корреспон-
дента РАН В.Г. Мокерова (1940—2008 гг.), в который вошли статьи сотруд-
ников ИСВЧПЭ РАН, опубликованные в период с 1986 по 2009 годы (моно-
графия «Наногетероструктуры в сверхвысокочастотной полупроводниковой
электронике». М.: Техносфера. 2010. 432 с. Составитель: П.П. Мальцев).
Данный сборник статей посвящается 70-летию со дня рождения Заслу-
женного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора Мальцева Петра Павловича –
директора ИСВЧПЭ РАН с 2010 по 2016 годы.
Директор ИСВЧПЭ РАН,
д.т.н., профессор С.А. Гамрелидзе
Монографии, справочники и сборники статей
под редакцией или в соавторстве с П.П. Мальцевым
1. Цифровая обработка информации на основе быстродействия БИС/
С.А. Гамкрелидзе, А.В. Завьялов, П.П. Мальцев, В.Г. Соколов / Под редак-
цией В.Г. Домрачева. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 136 с.: илл.
2. Интегральные микросхемы: взаимозаменяемость и аналоги: Справочник /
М.А. Бедрековский, А.А. Косырбасов, П.П. Мальцев. — М.: Энергоатомиз-
дат, 1991. — 272 с.: илл.
3. Базовые матричные кристаллы и матричные БИС/ В.Г. Домрачев,
П.П. Мальцев, В.Г. Новаченко, С.Н. Пономарев. — М.: Энергоатомиздат,
1992. — 224 с.: илл.
ГЛАВА 1
МАЛОГАБАРИТНЫЕ ВСТРОЕННЫЕ АНТЕННЫ САНТИМЕТРОВОГО
И МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН
1.1. Направления развития антенн диапазона 5 ГГц с минимальным объемом
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.
1.1.1. Введение
В работах [1, 2] рассмотрены вопросы разработки встроенных антенн диапа- зона 5 ГГц с излучателем-монополем, а также различных планарных излуча- телей на основе двухслойной металлизации. Ниже рассматриваются много- слойные и объемные антенны, применение метаматериалов, средств коммутации и методы обеспечения круговой поляризации для антенн диапа- зона 5 ГГц.
1.1.2. Многослойные антенны
Как рассмотрено в работе [1, 2], излучающий резонатор для экономии площади выполняется деформированным и изогнутым. Излучатель также может быть выполнен в различных слоях (рис. 1) [3]. Далее на рисунках черным кружком или стрелкой указывают место подачи сигнала.
При размерах 28 Х 9 Х 3 мм и E = 4,34, толщине диэлектрика h = 1,5 мм обеспечены рабочие полосы (5,15—5,35 и 5,725—5,825 GHz) при КСВ < 2.
В работе [4] описан пассивный виб- ратор объемной (трехслойной) реализации (рис. 2). Подводящая линия выполнена в нижнем проводящем слое. При размерах вибратора 60 Х 10 Х 3 мм обеспечена полоса 1,83 —2,78 ГГц.
Двухслойный излучатель (рис. 3) с объемной спиралью (рис. 4), расположенный под прямоугольником из диэлектрика (ПД) (E = 7,7), обеспечивает полосы 2,35—2,57, 5,29— 6,01 ГГц при размерах ПД 8 Х 4 мм и общих размерах излучающей части
12,2 Х 7 мм, реализованной на ди- электрике E = 4,4 [5].
Трехслойная антенна со сложной топологией «промежуточного» земля- ного проводника, поднятого над непрерывным земляным проводником (рис. 5), обеспечивает узкие полосы2,45; 3,5; 5,2; 5,75 ГГц с коэффици- ентом усиления ДН более 9 дБ при малых размерах 12 Х 13,8 Х 4 мм [6].
Разработан излучатель-монополь (рис. 6), выполненный в различных планарных слоях в размерах блока памяти USB flash с полосой 2,3—11 ГГц (размер монополя 16 Х 9 Х 4,5) [7].
Конструкцию многослойной антенны с монополем, имеющим щелевой резонатор (рис. 7), защищает патент [8]. Обеспечивается кардиоидная форма ДН в полосе 1—2,4 ГГц.
Предложена антенна из двух слоев диэлектрика с подводом сигнала в два удаленных монополя [9]. Верхний слой имеет два идентичных излучателя-монополя размером 16 Х 6,5 мм, соединенных через метал- лизированные отверстия с меандрами земляной металлизации (рис. 8). Обеспечена полоса 1,8—2,55 ГГц при размерах излучателя 50 Х 10 Х 3 мм. Для диапазона 5 ГГц размеры уменьшаются в два раза, что обеспечивает данной антенне pазмеpы, минимальные сpеди шиpокополосных антенн.
В работе [10] описан объемный вибратор (рис. 9). Получены полосы частот 2,400—2,690; 3,400—3,800; 5,150—5,850 ГГц при размерах 20 Х 20 Х 14 мм.
Компактная антенна предложена на основе меандров в трех проводящих слоях (рис. 10) [11]. На верхнюю пару меандров сигнал поступает с выхода фазорасщепителя (balun) в виде чипа SMD. Таким образом, верхняя пара меандров являются активными вибраторами, нижние меандpы — пассивными. Обеспечена узкая полоса в районе 5 ГГц при размерах 22,0 Х 17,0 мм. Излучатели-меандры имеют малые размеры 3,95 Х 5,1 мм и выполнены на диэлектрике с E = 3,5; h = 0,3 мм для каждого слоя.
1.1.3. Использование метаматериалов
Метаматериалы, представляющие многослойные комбинации проводников и диэлектриков со структурой много меньшей длины волны, могут быть подобны средам с большой электрической или магнитной проницаемостью, что позволяет уменьшить размеры антенн. В работе [12] изложены основы электродинамического анализа метаматериалов и предложен монополь, вы- полненный из ячеек метаматериала с земляным проводником (рис. 11). При размерах антенны 32 Х 28 мм, E = 2,2; h = 0,76 мм получена полоса 5—9 ГГц, коэффициент усиления ДН 2—6 дБ.
Антенна из трех пластин металлизированного диэлектрика с монопольным излучателем (рис. 12, а) над экраном вида прямоугольника (рис. 12, б) с окном (первая пластина), размещенным над двумя идентичными частотно селективными проводящими слоями (frequency selective surface (FSS)) второй и третьей пластин (рис. 12, в) при E = 4,4. Получена однонаправленная ДН с коэффициентом усиления более 6 дБ в рабочей полосе 3—12 ГГц [13].
Четыре слоя диэлектрика с металлизацией с идентичными S-образными щелями в металлизации каждого слоя (рис.13), расположенные над монополем, повышают коэффициент усиления ДН антенны с 6 до 8 дБ в рабочей полосе 5,56—5,91 ГГц [14]. Размер антенны — 55 Х 30 мм, E = 4,4. Сечение антенны показано на рис. 14. Излучение направленно верх, то есть через проводники метаматериала.
Из метаматериала сделан излучатель-монополь и площадка на обратной стороне, соединенная с земляным проводником подводящей копланарной линии через металлизированное отверстие (рис. 15) [15]. Получена полоса 3,14—7,20 ГГц при размере монополя 6 Х 5 мм, общем размере 30 Х 22 мм, при E = 4,34; h = 1,59.
Из метаматериала выполнен монополь в виде узкой линии и узкие земляные проводники (рис. 16) [16]. Получена полоса 2,2—2,5 ГГц при размерах излучателя 40 Х 15 мм, h =
= 1 мм; E = 4,6.
На основе меандров, образующих с прямоугольным проводником емкостно-связанные резонаторы (zeroth- order resonator (ZOR)) разработана антенна для частот 2,04, 2,41, 3,52 ГГц (рис. 17) [17]. Сигнал подается через вертикальный коаксиал на левую пло- щадку, с которой благодаря емкостной связи поступает на идентичные резонаторы, имеющие заземление в центре. Диэлектрик отделен от земляного проводника зазором толщиной 6,2 мм. Размер излучателя примерно 15 Х 9 мм, размер антенны 20 Х 20 мм, E = 4,4; h = 1,52.
1.1.4. Перестраиваемые антенны
Не представляет трудностей введение в планарную антенну управляющих элементов (варакторных и PIN- диодов), что позволяет управлять рабочей полосой частот антенны. Антенна выполняется узкополосной, что приводит к уменьшению размеров. Предложена перестраиваемая варакторными и PIN-диодами антенна типа Яги (рис. 18) [18]. Диапазон перестройки 10% при рабочей частоте 6 ГГц.
В работе [19] описана антенна PIFA с двумя управляющими варакторами (рис. 19). При максимальном изменении емкости варактора происходит измерение рабочих полос: 0,7— 0,95 ГГц (GSM900), 1,79—2,19 ГГц (UMTS), 3,43—3,64 ГГц (WiMAX),
5—5,06 ГГц (HiperLAN/2). Антенна имеет размеры 50 Х 43,5 мм, излучатель 31,5 Х 30 мм.
В работе [20] описан объемный излучатель размером 13 Х 20 Х 4 мм (рис. 20) с перестройкой единственным варактором, обеспечивающий полосы 1,6—2,4 и 3,2—4,5 ГГц.
В работе [21] описан меандровый излучатель в виде ортогональной сетки проводников с MEMS комму- таторами, что позволяет в широких пределах изменять площадь монопо- ля, присоединенную к источнику сигнала. При управлении MEMS переключателями достигнут сдвиг частоты минимума КСВ с 4,57 до 6,84 ГГц. Данные результаты следует считать предварительными, так как сетка из MEMS-переключателей, введенная в металлизацию, открывает новые воз- можности для управления рабочей топологией как антенн, так и СВЧ- устройств в целом.
Возможно также управление направлением главного луча диаграммы на- правленности антенны [22] путем введения варакторов в излучающие щелевые резонаторы.
1.1.5. Обеспечение круговой поляризации излучения
Для мобильных устройств необходимо обеспечивать круговую поляризацию излучения. Возможно очевидное решение — использовать пару ортогональ- ных автономных излучателей, либо реализовать топологию излучателя с то- ками в излучателе, ортогональными по направлению. Возможно компромис- сное решение, при котором сигнал подается на пару ортогональных излучателей, имеющих общий земляной проводник.
Реализация второго подхода описана в работе [23]. Форма излучателя по- казана на рис. 21. Расчеты показали полосу 5,12—5,9 ГГц при КСВ < 2, раз- мерах излучателя 21 Х 21 мм, E = 1; h = 2,5.
Близкая по структуре антенна на основе монополя с щелевым резонато- ром и с третьим проводящим слоем между монополем и земляным провод- ником описана в работе [24] (рис. 22). Получена узкая полоса 1,0% для 3,5 ГГц и 3,1% для 5,8 ГГц.
Крестообразный излучатель, представляющий второй вариант антенны с круговой поляризацией (рис. 23), описан в работе [25]. Размер излучателя
23 Х 23 мм, обеспечена полоса WiMAX 3,5 ГГц.
Излучатель, показанный на рис. 24, обеспечивает круговую поляризацию при подводе сигнала близко к центру в полосе более 2—4 ГГц [26]. Размеры
30 Х 30 мм, C = 3,5; h = 1,52.
Круговую поляризацию обеспечивает антенна (рис. 25), топология кото- рой совместно с согласующими цепями приведена в работе [27]. Получено узкополосное согласование на частоте 5,83 ГГц, C = 3,0; h = 0,5.
В патенте [28] защищены разновидности топологий обоих проводников
планарной антенны следующего вида: в земляном проводнике создается S- образная щель, к которой сигнал подводится по микрополосковой линии на противоположной стороне (рис. 26). Такая структура обеспечивает круговую поляризацию и форму ДН, близкую к кардиоидной.
Третий подход реализован в работе [29]. Антенна состоит из двух металлизированных слоев диэлектрика и проводящей плоскости под ними, разде- ленных воздушными зазорами. Два излучателя, расположенных взаимно перпендикулярно, выполнены на нижней стороне нижнего диэлектрика, верхняя металлизация которого непрерывна, за исключением квадратной щели. (рис. 27). На верхнем диэлектрике металлизация присутствует в виде прямоугольника на нижней стороне Получена полоса 2,95—4,3 ГГц при раз- мерах излучателя 22 Х 22 мм.
1.1.6. Заключение
Усилия разработчиков направлены прежде всего на обеспечение минималь- ного объема при требуемой рабочей полосе. Данному критерию в наиболь- шей степени соответствуют объемные реализации антенн. Введение элемен- тов коммутации в антенны является одним из перспективных направлений повышения характеристик антенн при малом объеме антенны.
Литература
1. Мальцев П.П., Матвеенко О.В., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Федоров Ю.В. Обзор реализаций встроенных антенн диапазона 5 ГГц с излучателем-монополем // Нано- и микросистем- ная техника. 2011. № 9. С. 2—4.
2. Мальцев П.П., Матвеенко О.В., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Федоров Ю.В. Обзор реализа- ций планарных встроенных антенн диапазона 5 ГГц с минимальным объемом // Нано- и микросистемная техника. 2011. № 10. С. 39—46.
3. Ali M., Sittironnarit T., Hwang H.-S., Sadler R. A., Hayes G. J. Wide-Band/Dual-Band Packaged Antenna for 5—6 GHz WLAN Application// IEEE transactions on antennas and propagation. 2004. Vol. 52. N 2. P. 610—615.
4. Wei-Yu Li, Kin-Lu Wong. Surface-Mount Loop Antenna for WWAN/WLAN/WiMAX Operation in the Mobile Phone//Microwave Conference 2008. APMC 2008. Asia-Pacific. P. 1—4.
5. Moon J.I., Park S.O. Small Chip Antenna for 2.4/5.8-GHz Dual ISM-Band Applications// IEEE antennas and wireless propagation letters. 2003. Vol. 2. P. 313—315.
6. Bhatti R.A., Choi J.H., Park S.O. Quad-Band MIMO Antenna Array for Portable Wireless Com- munications Terminals// IEEE antennas and wireless propagation letters. 2009. Vol. 8. P. 129— 132.
7. Lee J., Hong S., Shin J., Choi J. A Compact Ultrawideband Monopole Antenna for Wireless Com-munication Application// IEEE transactions on antennas and propagation. 2009. Vol. 57. N 9. P. 2785—2788.
8. Патент WO2006084951A1. Internal monopole antenna/ Raappana A., Kupari M. et all/ 17 Aug.2006.
9. Park Y., Byun J., Harackiewicz F. J., Yu B., Kim B., Park M-J., Chung Y-S., Lee B. Multi-Band Diversity Antenna for Mobile Handset Applications// Proceedings for 2010 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and CNC/USNC/URSI Radio Science Meeting. 2010. Ju1y 11—17.
10. Saou-Wen Su, Jui-Hung Chou. Internal Wideband Monopole Antenna for MIMO Access-Point Applications//Antennas and Propagation Society International Symposium, 2008. AP-S 2008. IEEE, 5—11 July 2008. P. 1—4.
11. Yoshida S., Kameda S., Takagi T., Tsubouchi K. 5-GHz Band 3-Stacked Meander Line Antenna Using Multi-Layered Organic Substrates// Antennas and Propagation Society International Sym- posium (APSURSI), 2010 IEEE. 2010. P. 1—4.
12. Li L.W., Li Y.N., Hu L. Wideband and Low-Loss Metamaterials for Microwave and RF Applicati- ons: Fast Algorithm and Antenna Design// Metamaterials. 2010. P. 293—3l9.
13. Ranga Y., Matekovits L., Esselle K.P., Weily A.R. Multioctave Frequency Selective Surface Ref- lector for Ultrawideband Antennas// IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2011. Vol. 10. P. 219—222.
14. Wu C.Y.; Yeh S.H.; Lu T.H. Novel High Gain Metamaterial Antenna Radome for WiMAX Opera- tion in the 5.8-GHz band// Antennas and Propagation Society International Symposium, 2007
IEEE. 2007. P. 3488—3491.
15. Antoniades M.A., Eleftheriades G.V. A Broadband Dual-Mode Monopole Antenna Using NRI-TL Metamaterial Loading// IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2009. Vol. 8. P. 258— 261.
16. Soon Ho Hwang, Tae Sik Yang ,Joon Ho Byun, Kim, A.S. Design and Analysis of Metamaterial Antenna for Mobile Handset Application// 3rd European Conference on Antennas and Propagati- on, EuCAP 2009. 23—27 March 2009. P. 3563—3566.
17. Dakhli N., Choubani F., David J. Multiband small zeroth-order metamaterial antenna// Applied
Physics A: Materials Science & Processing, Online First™, 10 January 2011.
18. Qin P. Y., Weily A.R., Guo Y.J., Bird T.S., Liang C.H. Frequency Reconfigurable Quasi-Yagi Fol- ded Dipole Antenna// IEEE transaction on antennas and propagation. 2010. Vol. 58, N 8. P. 2742—2747.
19. AbuTarboush H. F., Nilavalan R., Peter T. PIFA based Reconfigurable Multiband Antenna for Wireless Applications// Proceedings of the International Conference in Electromagnetic in Advan- ced Application, Sydney, Australia, 20—24 Sept. 2010. P. 232—235.
20. Viet-Anh Nguyen, Manh-Tuan Dao, Yun Tack Lim, Seong-Ook Park. A Compact Tunable Internal Antenna for Personal Communication Handsets// IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2008. Vol. 7. P. 569.
21. Grau A., Ming-Jer Lee, Romeu, J., Jafarkhani, H., Jofre, L., De Flaviis, F. A Multifunctional MEMS-Reconfigurable Pixel Antenna for Narrowband MIMO Communications// Antennas and Propagation Society International Symposium, 9—15 June 2007. P. 489—492.
22. Slater M. J., Pan H. K., Bernhard J. T. Preliminary Results in the Development of a Compound Reconfigurable Antenna// Proc. 2008 IEEE/URSI International Symposium on Antennas and Propagation, July 2008.
23. Ali M., Dougal R., Yang G., Hwang H.S. Wideband (5—6 GHz WLAN Band) Circularly Polarized Patch Antenna for Wireless Power Sensor // Proc. of Antennas and Propagation Society Internati- onal Symposium, 2003. IEEE. 2003. Vol. 2. P. 34—37.
24. Payam Nayeri, Kai-Fong Lee, Atef Z. Elsherbeni, Fan Yang. Dual-Band Circularly Polarized An- tennas Using Stacked Patches With Asymmetric U-Slots // IEEE Antennas and Wireless Propaga- tion Letters, 2011. Vol. 10. P. 492—495.
25. Hung-Chi Huang, Ken-Huang Lin, Hsin-Lung Su, Chin-Yih Wu, Hung-Hsuan Lin. Design of Dual-Polarized High-Gain Antenna Radome by Using Jerusalem Cross Metamaterial Structure// Antennas and Propagation Society International Symposium, 2009. (APSURSI’09). IEEE, 1— 5 June 2009. P. 1—4.
26. Ghali H. A., Moselhy T. A. Broad-Band and Circularly Polarized Space-Filling-Based Slot Anten- nas// IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53, N 6. P. 1946—1950.
27. Heikkinen J., Kivikoski M. Low-Profile Circularly Polarized Rectifying Antenna for Wireless Po-wer Transmission at 5.8 GHz// IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2004. Vol. 14, N 4. P. 162—164.
28. Европатент EP1158606A1. Dual-spiral-slot antenna for circular polarization/ Brankovic V., Kru- pezevic D. 28.11.2001
29. Caso R., Pino M. R., Nepa P., Manara G. A Novel Dual-Feed Slot-Coupling Feeding Technique for Circularly Polarized Patch Arrays// IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2010. Vol. 9. P. 183—186.
1.2. Обзор реализаций планарных встроенных антенн диапазона 5 ГГц с минимальным объемом
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.
1.2.1. Введение
В работе [1] рассмотрены вопросы разработки встроенных антенн диапазона
5 ГГц с излучателем-монополем, развитие которых происходит в направлении усложнения топологии монополя и земляного проводника, прежде всего для расширения полосы частот. В антеннах данного типа площадь земляного про- водника существенно превышает площадь монополя и при этом возможности снижения размеров земляного проводника ограничены самим видом электро- магнитного поля. Поэтому в целях уменьшения объема развиваются иные типы планарных антенн: вибраторные и щелевые антенны, антенны с фрак- тальной топологией, объемные антенны, многослойные антенны, перестраиваемые антенны. В настоящей работе рассмотрены результаты разработки планарных встроенных антенн диапазона 5 ГГц с минимальным объемом.
1.2.2. Вибраторные антенны
Многолетнее развитие антенн привело к неоднозначности обозначений излучателей. Так, на сайте Википедия объединены термины вибратор и диполь.
Далее вибратор обозначает излучающую систему из пары отдельных проводников, на которые подается излучаемый сигнал. Петлевой вибратор обозначает проводящую петлю, при подаче излучаемого сигнала на один конец при заземленном втором.
Антенны данного типа, как и антенны с щелевыми излучателями, реализуются на диэлектрике с двухслойной (или однослойной) металлизацией и по технологичности близки к антеннам с монополем.
Вибраторная антенна вида, представленного на рис. 1 [2], имеет рабочие полосы 3,25—3,85 и 5,25—5,85 ГГц при размерах вибраторов со шлейфами 34 Х 14,1 мм, толщине диэлектрика h = 0,4 мм и диэлектрической проницаемостью h = 4,4.
Вибраторная антенна с изолированным резонатором между вибраторами показана на рис. 2 [3].
При размерах антенны 39 Х 7 мм, h = 0,8 мм и h = 4,4 обеспечена полоса 2,5—3,8 ГГц. Для подачи сигнала на вибраторы необходимо использовать фазорасщепитель.
При реализации вибратора из метал- ла земляного проводника при двухсторонней металлизации диэлектрика нет необходимости в фазорасщепителе. Такие антенны описаны в ряде работ. В работе [4] приведена топология С-образных вибраторов (рис. 3), которая имеет рабочую полосу 2,5—4,8 ГГц.
В работе [5] изучена вибраторная антенна с щелевыми резонаторами круглого вида в каждом вибраторе (рис. 4), с щелевыми резонаторами ступенчатого вида и без резонаторов.
При резонаторах ступенчатого вида получены три узких полосы 2,4; 3,5; 5,3
ГГц при размерах антенны 50 Х 50 мм,
E = 6,15; h = 1,27 мм. При круглых резонаторах наблюдаются две полосы и при отсутствии резонаторов — одна узкая полоса.
Широкая рабочая полоса 1,82—6,56 ГГц при размерах антенны 48 Х Х 30 мм получена для вибраторной антенны с неортогональными вибра- торами (рис. 5) [6].
Вибраторы, показанные на рис. 6, сравнены в работе [7]. При размерах вибраторов 50 Х 12 мм получены полосы для частот соответственно: 21%, 1,8 ГГц; 11%, 2,4 ГГц; 10%, 3,5 ГГц.
Антенна с подводом сигнала ем- костной связью с вибраторами, обес- печивающая высокий коэффициент усиления диаграммы направленности (ДН) предложена в работе [8]. Вибра- торы асимметрично возбуждаются отрезком микрополосковой линии (рис. 7). Коэффициент усиления ДН 7,5 дБи в рабочей полосе 2,39— 2,52 ГГц и 9 дБи в полосе 4,93— 6,13 ГГц соответственно. Размеры из- лучателя 30 Х 26 мм, = 2,2; h = 0,5.
В работе [9] исследованы петлевой вибратор Т-образного вида, выполненный на одной стороне под-ложки (planar folded dipole antenna (PFDA)), и его модификации: вибраторы выполнены на разных сторонах подложки (both sided PFDA (BPFDA)), подводящий фидер выполнен в виде компактного меандра (compact BPFDA (CBPFDA)). Показано, что последняя модификация не ухудшает характеристик антенны при существенно меньшей площади антенны.
В работе [10] описана антенна с парой петлевых вибраторов, изогнутых для экономии площади, как показано на рис. 8. Получена полоса 5,07—6,16 ГГц при размерах вибраторов 18 Х 18 мм, E = 4,4; h = 0,8 мм.
Планарная реализация антенны типа Яги (рис. 9) показала невысокий коэф- фициент усиления кардиоидной ДН > 5,6 дБ и полосу 4,64—6,25 ГГц при размерах 35 Х 28 Х 1,6 мм, = 4,4 [11].
Патент [12 20100231477] защищает антенну (рис. 10), реализующую кон- цепцию заземленных вибраторов. Она имеет полосу 3,0—5,5 ГГц при размерах излучателя 20 Х 10 Х 0,8 мм, что является минимальным объемом для широкополосной антенны. Этот результат обеспечен оптимально выбранными фор- мой проводников и оптимизацией мест заземления сигнальных проводников.
Простая топология антенны из прямоугольных проводников оптималь- ной формы с копланарным подводом (рис. 11) [13] обеспечивает полосу
1,65—5,06 ГГц при размерах излучателей 45 Х 39 мм, E = 4,4; h = 1,6.
1.2.3. Антенны с щелевыми излучателями
Антенна с щелевыми вибраторами (рис. 12) обеспечивает полосу 8% на частоте 2,45 ГГц, полосу 13% на частоте 5,5 ГГц при сравнительно больших размерах 56 Х 34 мм, E = 4,34; h = 1,5 мм [14].
Компактный щелевой излучатель (рис. 13) обеспечивает уменьшение размеров на 34,5% до 9,5 Х 4,55 мм, что сопровождается снижением рабочей полосы от
2,25% до 7,75% (для центральной частоты 5,25 ГГц) при размерах 5,5 Х 5,15 мм и E = 2,2; h = 0,508 [15].
Спаренные щелевые антенны (рис. 14) [16] при общем размере
76 Х 30,3 мм и E = 4,5 обеспечивают полосы 2,393—2,565 и 3,353—3,788 ГГц.
1.2.4. Использование фрактальных топологий антенн
Фрактальная структура может стоиться двумя путями — усложнением конту- ра фигуры или введением вырезов в площади фигуры, c уменьшением масш- табов изменения на каждой итерации. В работах [17, 18] рассмотрены общие принципы построения фрактальных структур для антенн. В обзоре, посвя- щенном фрактальным антеннам [19], в частности, указано, что применение фрактальных топологий обеспечивает малую площадь, многополосность ан- тенны. Ниже рассматриваются реализации антенн диапазона 5 ГГц и менее с фрактальной топологией.
Трехслойная антенна — антенна с монополем размером 54 Х 54 мм, кото- рый имеет отверстия фракталы-Sierpinski (рис. 15), рассмотрена в работе [20].
Рассмотрен также вариант структуры с тремя разделенными диэлектриком проводящими квадратами поверх моно- поля, совпадающими по размерам с из- лучателем-монополем. Частотная зави- симость S11 имеет у обеих антенн ряд недопустимо узких рабочих частотных полос. Таким образом, не всякое применение фрактала приводит к повышению характеристик антенны. В данном слу- чае структура поля обычного монополя не изменилась качественно при введе- нии отверстий согласно рис. 15, однако они породили новые резонансы.
Для фрактала Sierpinski, применен- ного к треугольному монополю [21] (рис. 16), получен ряд рабочих полос 0,62 ГГц — 7,5%; 1,74 ГГц — 9,04%;
3,51 ГГц — 20,5%; 6,95 ГГц — 22%; 13,89 ГГц — 25% при размере излучателя
88,9 Х 88,9 мм и h = 1,588 мм и E = 2,5.
Монополь меньшей итерации фрак- тала (рис. 17) при размерах 66 Х 66 мм обеспечивает рабочие полосы 2,4—2,5, 5,725—5,825 ГГц [22].
В работе [23] исследована антенна с монополем и отверстием в земляном проводнике, граница которого модифи- цирована как Koch-фрактал (рис. 18). Проведено сравнение антенн с различ- ной итерацией фрактала. Найдено, что итерация фрактала должна быть опти- мальной для достижения максимальной полосы. В оптимальной антенне два перекрывающихся частотных резонанса обеспечивают непрерывную по- лосу 62,3% с центральной частотой
2,465 ГГц. Размер антенны — 70 Х Х 70 мм, размер отверстия с фрактальными краями — примерно 30 Х 30 мм, E = 4,1; h = 1,5 мм.
Подобным образом для модификации края отверстия в земляном проводнике применен Koch-фрактал иного вида при более сложном монополе (рис. 19) [24]. Получены широкие рабочие полосы 2,85—4,65 и 6,4—12 ГГц. Раз-мер антенны — 28 Х 24 мм — меньший из рассмотренных ранее антенн, что указывает на эффективность применения фрактальной топологии. Использована подложка E = 2,65; h = 1 мм.
Вариант выполнения границы земляного проводника в форме фрактала (рис. 20) описан в работе [25]. Проведено моделирование характеристик для материалов с E от 2,2 до 10,2. Признано оптимальным E = 4,4: при размерах 33,5 Х 28,5 мм измерения показали полосу 2,33—6,1 ГГц.
Фрактальная структура использована в топологии монополя, приведенного на рис. 21 [26]. Получены рабочие полосы — 50% для 1,14 ГГц, 19,5% для 4,25 ГГц,
15% для 7,6 ГГц при E = 4,3; h = 1,53 мм.
Вибратор, выполненный как фрактал Минковского второй итерации, описан в работе [27] (рис. 22). Получены полосы 2,30—2,48, 3,3—3,7 и 4,9—6,0 ГГц при об- щем размере 35 Х 30 мм, размере монополя — 21,5 Х 18 мм, E = 3,35; h = 0,813 мм.
1.2.5. Заключение
Минимальные размеры антенн обеспечены оптимизацией топологии и точек заземления сигнальных проводников. В такой компактной топологии теряется деление элементов на общепринятые шлейф, вибратор, чему является примером антенна, приведенная на рис. 11. Фрактальные топологии не яв- ляются для антенн данного типа радикальным средством снижения разме- ров.
Примеры реализации показывают, что фрактальные топологии не обес- печивают существенного снижения объема для антенн данного класса.
Литература
1. Мальцев П.П., Матвеенко О.В., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Федоров Ю.В. Обзор реализаций планарных встроенных антенн диапазона 5 ГГц с излучателем монополем// Нано- и микросистемная техника. 2011. № 9. С. 34—43.
2. Ting-Ming Hsueh, Heng-Tung Hsu, Hsi-Tseng Chou, Kwo-Lun Hung. Dual Band Omni-Directi- onal Planar Antenna for WiMAX Applications // Proc. of Antennas and Propagation Society Inter- national Symposium, 2008. IEEE, 2008. P. 1—4.
3. Wen-Shan Chen, Shih-Hung Cheng. Characteristics of a Planar Dipole Antenna with a Parasi- tic Element // Proc. of Antennas and Propagation Society International Symposium, 2009 (APSURSI ’09) IEEE, 2009. P. 1—4.
4. Kuramoto A. Wideband Antenna Using Unsymmetrical Planar Elements and Performance // Proc. of Antennas and Propagation Society International Symposium, 2007. IEEE, 2007. P. 5111—5114.
5. Tawk, Y., Kabalan K. Y., El-Hajj A., Christodoulou C. G., Costantine J. A Simple Multiband Printed Bowtie Antenna // IEEE. Antennas and Wireless Propagation Letters. 2008. Vol. 7. P. 557—560.
6. Kuo-Yung Chiu, Jen-Yea Jan, Hua-Ming Chen. Broadband Printed Dipole Antenna with a Pair of Sleeves for 2-6 GHz/WiMAX Application // Antennas and Propagation Society International Symposium, 2009. (APSURSI’09). IEEE, 2009. P. 1—4.
7. Pengfei Wu, Zhenqi Kuai, Xiaowei Zhu. Multiband Antennas Comprising Multiple Frame-Printed Dipoles // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. Vol. 57, N 10. Part. 2. P. 3313—3316.
8. Li R., Wu T., Tentzeris M. A Dual-Band Unidirectional Coplanar Antenna for 2.4-5-GHz Wire- lessApplications // Proc. of Microwave Conference, 2008. APMC 2008. Asia-Pacific, 2008. P. 1—4.
9. Nagatoshi, M., Yamano, T., Morishita, H. Broadband characteristics of Planar Folded Dipole An- tenna with a Feed Line // Proc. of European Conference on Antennas and Propagation, 2009 (EuCAP 2009). 2009. P. 2807—2810.
10. Hsiao F.R., Wong K.L. Omnidirectional Planar Folded Dipole Antenna // IEEE Transactions on
Antennas and Propagation. 2004. Vol. 52, N 7. P. 1898—1902.
11. Li Z., Zhang X., Guo Q., Wang J. A Quasi-Yagi Microstrip Antenna with Simplified Feeding Structure // Proc. of 9th International Symposium on Antennas Propagation and EM Theory (ISAPE), 2010. P. 860—863.
12. Patent USA 2010/0231477A1. Small- size wide band antenna and radio communication device / Kuramoto A., Mochizuki T. Опубл. 16.09.2010.
13. Laila, D., Deepu, V., Sujith, R., Mohanan, P., Anandan, C.K., Vasudevan, K. Asymmetric Copla- nar Strip Fed Wide Band Antenna // International Conference on recent Advances in Microwave Theory and Applications, 2008 (MICROWAVE 2008). P. 372—373.
14. Shams K.M.Z., Ali M. A CPW- fed Inductively Coupled Modified Bow-Tie\ Slot Antenna // An- tennas and Propagation Society International Symposium. 2005 IEEE. 2005. Vol. 3B. P. 365—368.
15. Wi S.H,, Kim J.M., Yoo T.H., Lee H.J.; Park J.Y., Yook J.G., Park H.K. Bow-tie-shaped Mean- der Slot Antenna for 5 GHz Application // Antennas and Propagation Society International Sym- posium. 2002 IEEE. 2002. Vol. 2. P. 456—459.
16. Cheng-Feng Hou, Chien-Chang Huang. Dual-Band Bow-Tie Slot Antenna Fed by CPW for WiFi/WiMAX System Applications // Antennas and Propagation Society International Symposi- um, 2007 IEEE. 2007. P. 984—987.
17. Слюсар.В. Фрактальные антенны. Принципиально новый тип «ломаных» антенн. Ч. 2 // Электpоника: наука, технология, бизнес. 2007. № 6. С. 82—89.
18. Слюсар.В. Фрактальные антенны. Принципиально новый тип «ломаных» антенн. Ч. 2 // Электpоника: наука, технология, бизнес. 2007. № 6. С. 82—89.
19. Werner D. H., Ganguly S. An Overview’ of Fractal Antenna Engineering Research // IEEE Anten- nas and Propagation Magazine. February 2003. Vol. 45, N I. P. 38—57.
20. Ban-Leong Ooi. A Modified Contour Integral Analysis for Sierpinski Fractal Carpet Antennas With and Without Electromagnetic Band Gap Ground Plane // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2004. Vol. 52, N 5. P. 1286—1293.
21. Puente-Baliarda C., Romeu J., Pous R., Cardama A. On the Behavior of the Sierpinski Multiband
Fractal Antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1998. Vol. 46, N 4. P. 517— 524.
22. Krzysztofik W.J. Modified Sierpinski Fractal Monopole for ISM-Bands Handset Applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. Vol. 57, N 3. P. 606—615.
23. Wen-Ling Chen, Guang-Ming Wang, Chen-Xin Zhang. Bandwidth Enhancement of a Microst- rip-Line-Fed Printed Wide-Slot Antenna With a Fractal-Shaped Slot // IEEE Transactions on An- tennas and Propagation. 2009. Vol. 57, N 7. P. 2176—2179.
24. Lui W. J., Cheng C. H., Zhu H. B. Compact Frequency Notched Ultra-Wideband Fractal Printed Slot Antenna // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2006. Vol. 16, N 4. P. 224—226.
25. Krishna D.D., Gopikrishna M., Anandan C. K., Mohanan P., Vasudevan K. CPW-Fed Koch Fractal Slot Antenna for WLAN/WiMAX Applications // IEEE Antennas and Wireless Propagati- on Letters. 2008. Vol. 7. P. 389—392.
26. Tiwari A., Kumar R. On the Design of CPW-fed Appollian Gasket Fractal Antenna // Progress In
Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Moscow, Russia. 2009 August 18. P. 423— 426.
27. Luo O., Salgado H.M., Pereira J. R. Fractal Monopole Antenna Design Using Minkowski Island Geometry // Antennas and Propagation Society International Symposium, 2009 (APSURSI ’09). IEEE. 2009. P. 1—4.
1.3. Обзор реализаций встроенных антенн диапазона 5 ГГц с излучателем-монопол
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.
1.3.1. Введение
Развитие коммерческих систем беспроводной персональной связи стимули- ровало интенсивные исследования в области планарных антенн S, L диапа- зонов, для которых важны минимальные размеры, согласование в требуемых полосах и требуемый вид диаграммы направленности (ДН) при массовой технологии изготовления антенны. Портативное устройство (и его антенна) должно функционировать в нескольких диапазонах. Ниже подробно описано развитие встроенных антенн диапазона 5 ГГц с излучателем-монополем для следующих диапазонов:
• WLAN/WiMax wireless applications 2,4/3,5/5 ГГц в основном 2,4, 5 ГГц
(WLAN bands (2,4—2,48 ГГц, and IEEE802.11a WLAN applications: 5,15—
5,35 and 5,725—5,825 ГГц);
• UWB сверхширокополосные радиосистемы (3,1—10,6 ГГц);
• беспроводная связь LAN 5,15—5,825 ГГц (IEEE 802.11a);
• Fixed Broad Wideband Access (FBWA) 3,5 ГГц.
Таким образом, рабочий диапазон планарной антенны системы беспро- водной связи помимо диапазона в области 5 ГГц имеет одну или более полос на более низких частотах.
Антенны типа Printed inverted-F antenna (PIFA), применимые в указан- ных полосах, рассмотрены в обзоре [1].
Принято, что достаточным согласованием входа антенны является уровень коэффициента отражения S11 менее 10 дБ (или КСВ менее 2) в 50- омном тракте. Так как алгоритмы оптимизации параметров излучателей про- извольной конфигурации недостаточно эффективны, разработка встроенной антенны состоит из подбора требуемой конструкции (топологии при планар- ной реализации) с численным электродинамическим расчетом диаграммы направленности и коэффициента отражения входа в 50-омном тракте для каждой конструкции. Постоянным требованием для встроенных антенн являются минимальные размеры, так как антенны предназначены для малога- баритных портативных устройств. Хотя возможно введение согласующей цепи на входе антенны, такой путь улучшения согласования не применяется, так как требуются минимальные площадь (габаритные размеры) излучателя. Далее под размерами антенны указываются размеры подложки, на которой выполнена описываемая антенна.
Встроенные антенны целесообразно классифицировать по числу диапа- зонов, по типу излучателя (монополь, симметричный и несимметричный вибраторы, петлевой вибратор, щелевой излучатель), по виду и степени на- правленности диаграммы направленности.
Так как планарные встроенные антенны реализуются, как правило, на основе диэлектрика с металлизацией обеих сторон (созданием проводников стороны излучателя и со стороны узла земляного проводника на обратной стороне), для них термин «двухслойный» в описании опускается.
1.3.2. Развитие встроенных антенн на основе монополя
Монополем называется проводник, к которому подводится СВЧ-сигнал для излучении (monopol, также более общий термин — patch). Монополь просто реализуется из пластины диэлектрика, металлизированного с обеих сторон. Между монополем и земляным проводником антенны имеется электромагнитная связь, которая, по сути, замыкает монополь и земляной проводник в излучающий контур сложной формы. К излучателям — монополям — целесообразно отнести излучатели из нескольких емкостно связанных проводни- ков. Антенна на основе планарного монополя имеет форму диаграммы на- правленности (ДН), близкую к тороидальной (omnidirectional) в Е-плоскости и равномерную в Н-плоскости, а также линейную поляризацию. Размер ан- тенного устройства может быть оценен как размерами земляного проводника, так и размерами монополя. В последнем случае следует учитывать, что по мере снижения размеров земляного проводника возрастает рассогласование и меняется ДН.
В диапазоне до 5,8 ГГц монопольная антенна является самым применяе- мым типом антенны. Предложено большое число вариантов модификации топологии, направленных на обеспечение согласования и уменьшения габа- ритных размеров. Планарные антенны, работающие на меньших частотах, представляют интерес, так в данном случае остро стоит проблема уменьше- ния размеров, что важно для рассматриваемого диапазона.
Важность уменьшения размеров стимулировала исследования по моди- фикации простейшего монополя (прямоугольного или круглого). В работе [2] в монополь введены щели, топология которых оптимизируется для достижения требуемой полосы (рис. 1). Получена полоса 2,5—2,69 ГГц при экономии площади 37,14%. Размер монополя 28,3 Х 24,3 мм при е = 4,34; h = 1,5 мм (толщина диэлектрика).
Для диапазона 5,15—5,35 ГГц предложено обычный круглый монополь вырезами преобразовать в N-образный, подвод сигнала производить в оптимальной точке, ввести второй слой диэлектрика или воздушную прослойку между основным (верхним) диэлектриком и проводящим земляным слоем (рис. 2) [3]. Получена экономия площади более 60% при увеличении ширины рабочей полосы для е1 = 2,2; h1 = 1,575 (нижний слой диэлектрика е2 = 1; h2 = 3,2 мм).
Компактная антенна на основе Е-образного монополя с подводом сигнала вертикальным фидером в оптимальной точке (рис. 3) обеспечивает полосу 5,15—5,95 ГГц при размерах монополя 32 Х 23,1 мм при h = 3,5 мм [4, 5].
В работе [5] описана модификация данный антенны с микрополосковым подводом (рис. 4), которая обеспечивает полосу 5,03—6,12 Гц при размерах монополя 33,2 Х 22,2 мм и h = 2,5 мм. Прирост полосы связан с тем, что излучатель выполнен в третьем слое выше микрополосковой подводящей линии, что обеспечивает согласование в большей полосе частот.
Монополь U-образного вида (рис. 5), излучающий через отверстие в верхнем проводнике, обеспечивает полосу 1,85—6,1 ГГц [6] при форме ДН, близкой к кардиоидной, размер окна в экране L Х W = 47 Х 32 мм, е = 2,2; h = 1,57 мм. Далее топология земляного проводника выделяется жирными линиями, обозначающими контур, или штриховкой.
Модификация монополя в виде разрезанного кольца (рис. 6) описана в [7]. При размерах излучателя 29 Х 22 мм и е = 3,0; h = 0,508 мм обеспечены WLAN полосы 2,4—2,6 и 5,0—6,3 ГГц.
Несимметричный монополь (рис. 7) обеспечивает полосы 17,5% для 2,575 ГГц и 18,5% для 5,4 ГГц при размерах монополя (за пределами земляного проводника) 38 Х 15 мм, е = 4,34; h = 1,5 мм [8].
Антенна из двух совмещенных монополей для 2 и 5 ГГц (рис. 8) при размерах излучателя 23 Х 10 мм обеспечивает полосы 32% (1,68—2,32 ГГц) и 15% (4,95—5,8 ГГц) при е = 2,2; h = 0,254 мм [9].
Монополь в виде компактного вибратора использован в антенне [10]. Земляной проводник продолжается на части длины вибратора (рис. 9). Получены рабочие полосы частот 10% (2,33—2,5 ГГц) и 28% для (5,25—7 ГГц) при весьма малых раз- мерах 31,3 Х 8 Х 1,6 мм, е = 4,2; h = 1,6 мм.
Для обеспечения требуемых характеристик создается электродинамическая связь монополя сложной формы, резонаторов на обратной стороне и земляного шлейфа (рис. 10) [11]. Полосы частот 2,38—2,60 и 5,13—5,73 ГГц. Размеры
20 Х 20 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм.
Введение полосковых и щелевых шлейфов в антенну с прямоугольным монополем обеспечивает поло-су 2,12—6,58 ГГц при размерах 40 Х 39 мм (рис. 11), е = 4,4; h = 1,6 мм [12].
Полосы 2,6, 3,5, 5,5 ГГц шириной 8,5, 41,5, 25,3% обеспечиваются антенной на основе монополя в виде шлейфов (рис. 12) при площади
30 Х 25 мм, е = 4,7; h = 0,8 мм [13].
S-образный монополь с полосами 2,4 и 5,2/5,8 ГГц с малыми размерами излучателя 13,5 Х 8,5 мм, е = 4,34; h = 1,5 мм описан в работе [14] (рис. 13).
Монополь в совокупности с вырезами в земляном проводнике (рис. 14) обеспечивает две полосы: 2,68—3,28; 4,74—9,58 ГГц при размерах 28,3 Х Х 24 мм, е = 4,34; h = 1,59 мм [15].
Антенна, образованная емкостно связанными резонаторами в земляном слое металлизации и возбуждающим полоском (рис. 15), обеспечивает три полосы: 2,29—2,41, 3,29—3,4, 5,28—5,9 ГГц [16].
Монополь, образующий два контура (рис. 16) размером 54 Х 52 мм, е =
= 2,2; h = 0,254 мм, обеспечивает рабочие полосы 30% для 1 ГГц, 50% для
2 ГГц и 40% для 5 ГГц [17].
Антенна с Г-образным монополем, емкостно связанным с земляным шлейфом (рис. 17), при размерах излучателя 12,5 Х 8 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм обеспечивает полосы 2,313—2,5; 3,93—6773 ГГц [18].
Необходимо отметить антенну для полос 1,9—2,2 и 2,5—2,8 ГГц (рис. 18), монополь которой выполнен в виде двух шлейфов. Ее особенность — малые размеры излучателя, его длина без подводящей линии всего 19,1 мм при е = 3,48; h = 1,524 мм [19].
Излучатель с весьма малыми размерами с монополем в виде изогнутой линии (рис. 19) описан в работе [20]. При размерах излучателя 18 Х 11 мм, е = 2,2; h = 0,254 мм получены рабочие полосы 40% для 2 ГГц и 10% для 5,8 ГГц.
Построение излучателя в виде линии рассмотрено в работе [21], исследующей монополь, построенный из двух отрезков линий (рис. 20), обеспечивающий полосы 2,22—2,55, 4,66—6,32 ГГц при размерах излучателя 12 Х 7 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм. Приведено сравнение размеров, близких по топологии антенн.
В работе [22] показано, что Н-образный монополь обеспечивает умень- шение площади излучателя на 50% относительно прямоугольного.
В работе [23] описаны раздель- ные антенны диапазонов 2,4 и 5 ГГц (рис. 21). Размер первого излуча- теля — 12 Х 9,5 мм, второго — 35 Х Х 12 мм при е = 4,4; h = 0,8 мм. Антенны разнесены на значительное расстояние, что увеличивает разме- ры устройства.
Многочисленные варианты топологии монополей защищены многочисленными патентами. Форма и раз-меры проводников оптимизируются для достижения прежде всего мини- мального отражения в требуемой по- лосе. В ряде патентов защищены раз- личные варианты топологий антенн с монополями: рис. 22, а — [24], рис. 22, б, в [25], рис. 22, г — [26], рис. 22, д — [27], рис. 22, е — [28].
В ряде патентов защищаются топологии излучателей и размеры, например для простого монопольного излучателя (рис. 23) [29].
В патентах [30—33] защищены топологии и размеры излучателей более сложного вида (рис. 24).
Антенны с оптимизированной топологией земляного проводника описа- ны в патенте [34] (рис. 25). Структура вида рис. 25, б образована симметрич- ной линией с центральным проводником-излучателем и двумя земляными проводниками, соединенными межслойными переходами.
Компактный изогнутый монополь на основе шлейфа защищается в па- тенте [35] (рис. 26).
В патенте [36] защищается схема согласования излучателя монополя и чипа — источника сигнала (рис. 27). Существенным является подвод сигнала к монополю в двух точках.
Оптимизация размеров топологии является неотъемлемым этапом разра- ботки планарной антенны. В работе [37] описаны результаты машинного моделиро- вания антенны, в которой копланарный ввод подает сигнал на монополь через зазор (рис. 28). Обеспечена одна полоса 5,16—5,34 ГГц при КСВ < 2. Размер 18,8 Х 12,3 мм, е = 2,2.
Короткий отрезок копланарной линии с оптимальными размерами, размешенный на противоположной подводящему микропо- лоску, показанный на рис. 29, образует ан- тенну с рабочими частотами 2,19—2,52 и 4,84—6,07 ГГц [38]. Размер антенны 24,1 Х Х 9 мм, е = 4,7; h = 1,6 мм.
Оптимизированный вариант простого по форме монополя размером
12 Х 6 мм с копланарным подводом сигнала (рис. 30) обеспечивает по- лосы 15% для 2,4 ГГц и 41,4% для 5,8 ГГц при е = 4,4; h = 1,6 мм [39].
1.3.3. Выводы
Планарные антенны на основе монополя разработаны во множестве вариантов. В данном обзоре рас- смотрены характерные примеры, не претендующие на полноту. Важнейшими критериями являются минимальные размеры и согласование в требуемой полосе. Так как рассмотренные антенны применяются в беспроводных каналах связи персональных устройств, в которых антенна располагается произвольным образом, при допустимости ДН, обеспечиваемой монополем, требования к форме ДН не являются приоритетными. Достигнутые размеры, оцениваемые по габаритным размерам излучателя, близки к минимальному значению, реализованному в значительном числе топологий (например, 12,5 Х 8 мм [18]). Для дальнейшего снижения размеров антенны применяются объемные и многослойные структуры, фрактальные топологии, метаматериалы (metamaterial), частотно-селективные слои (frequency selective surface (FSS)), являющиеся предметом интенсивных исследований.
Литература
1. Слюсар В. Антенны PIFA для мобильных средств связи. Многообразие конструкций // Электроника НТБ. 2007. №1. C. 64—74.
2. Tlili B. Design of double C-slot microstrip patch antenna for WiMax application// Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI). 2010 IEEE. 2010. P. 1—4.
3. Moustafa A., Abdallah E.A., Hashish E.A. Novel Compact Circular N-Shaped Patch Antenna for 5.2 GHz // Radio and Wireless Symposium, 2008 IEEE. 2008. P. 727—730.
4. Ge Y., Esselle1 K.P., Bird T.S. Antennas for 5-6 ghz wireless communication systems // Multime- dia Systems and Applications, 2006. Volume 27. Signal Processing for Telecommunications and Multimedia, Part 3. P. 269—280.
5. Ge Y., Esselle K.P., Bird T.S. E-Shaped Patch Antennas for High-Speed Wireless Networks // IEEE. Transactions on Antennas and Propagation. 2004. Vol. 52. N 12, P. 3213—3219.
6. Rao Q., Denidni T.A. Ultra-Wideband and Uni-Directional Radiation Slot Antenna for Mul- ti-Band Wireless Communication Applications // Wireless Personal Communications. 2007. Vol. 41. N 4. P. 507—516.
7. Mehdipour A.; Sebak A.R.; Trueman C.W. Compact Microstrip-Fed Antenna for 2.4/3.5/5.2/
5.8 GHz Wireless Communication Systems // Antennas and Propagation Society International Symposium. 2009. APSURSI ’09. IEEE; 2009. P. 1—4.
8. Sun J., Feng Z. A Novel Compact Dual-band Printed Monopole Antenna // International Works- hop on Antenna Technology: Small and Smart Antennas Metamaterials and Applications. 2007. IWAT ’07. 2007. P. 139—142.
9. Li R., Pan B., Laskar J., Tentzeris M.M. Novel Low-Profile Broadband Dual-Frequency Planar Antenna for Wireless Handsets // IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION. 2008. Vol. 56. NO. 4. P. 1155—1162.
10. Khaleghi A. Dual Band Meander Line Antenna for Wireless LAN Communication // IEEE Tran- sactions on Antennas and Propagation. 2007. Vol. 55. Is. 3. Part: 2. P. 1004—1009.
11. Wang C.J., Lee J.J., Huang R.B. Experimental Studies of a Miniaturized CPW-Fed Slot Antenna With the Dual-Frequency Operation // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2003. Vol. 2. P. 151—154.
12. Jou C.F., Wu J.W., Wang C.J. Novel Broadband Monopole Antennas With Dual-Band Circular Po- larization // IEEE Transactions on Antennas AND Propagation. 2009. Vol. 57. N 4. P. 1027—1034.
13. Lu J. H., Chou W. C. Planar Dual U-Shaped Monopole Antenna With Multiband Operation for
IEEE 802.16e // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2010. Vol. 9. P. 1006—1009.
14. Tsai C.C., Hsia W.C., Huang C.Y. S-shaped Monopole Antenna for Dual-band WLAN Applicati- ons // Microwave Conference. 2007. APMC 2007. Asia-Pacific. 11-14 Dec. 2007. P. 1—3.
15. Antoniades M.A., Eleftheriades G.V. A Compact Multiband Monopole Antenna With a Defected
Ground Plane // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2008. Vol. 7. P. 652—655.
16. Zulkifli F.Y., Halim H., Rahardjo E.T. A Compact Multiband Microstrip Antenna using U and S Slots// Antennas and Propagation Society International Symposium, 2008. AP-S 2008. IEEE. 2008. P. 1—4.
17. Li R., Dejean G., Tentzeris M.M., Laskar J. Development of Multi-Broadband Planar Wire Anten- nas for Wireless Applications // Wireless Personal Communications. 2007. Vol. 42. N 1. P. 1—11.
18. Jan J.J., Tseng L.C. Small Planar Monopole Antenna With a Shorted Parasitic Inverted-L Wire for Wireless Communications in the 2.4-, 5.2-, and 5.8-GHz Bands // IEEE Transactions on Anten- nas and Propagation, 2004. Vol. 52. N 7. P. 1903—1905.
19. Lin S., Wang G., Pan K., Ge X., Yang Y. A Novel Dual-Frequency Monopole Antenna for WCDMA and 2.5 GHz Extension Band // 2010 International Conference on Microwave and Mil- limeter Wave Technology (ICMMT). 2010. P. 362—365.
20. Pan B., Li R., Papapolymerou J., Tentzeris M.M., Laskar J. Low-Profile Broadband and Du- al-Frequency Two-Strip Planar Monopole Antennas // Proc. of 2006 IEEE-AP Symposium, Albu- querque, NM, July 2006. P. 2665—2668.
21. Zhong S.S., Zhang L.N., Liang X.L. Compact Tri-Band Printed Monopole Antenna// Internatio- nal Workshop on Antenna Technology: Small and Smart Antennas Metamaterials and Applicati- ons, 2007. IWAT ‘07. 2007. P. 271—274.
22. Kumar R., Malathi P., Ganesh G. On the Miniaturization of Printed Rectangular Microstrip An- tenna for Wireless Applications// Microwave and Optoelectronics Conference, 2007. IMOC 2007. SBMO/IEEE MTT-S International. 2007. P. 334—336.
23. Su S.W., Chou J.H. Hybrid of Monopole and Dipole Antennas for Concurrent 2.4- and 5-GHz WLAN Access Point // 3rd European Conference on Antennas and Propagation, 2009. EuCAP 2009; 2009. P. 545—548.
24. Patent CN CN201025630Y. Wide frequency band small printing antenna / WENXUN ZHANG DA MA. Опубл. 20. 02. 2008.
25. Patent USA US2005156788A1. Ultra wideband planar printed volcano antenna / Ding-Fu Lin. Опубл. 21.07. 2005.
26. Patent USA US2005280580A1. Ultra wideband planar monopole trapezoidal antenna / Ding-Fu Lin. Опубл. 22.12. 2005.
27. Patent KR KR20090055927A. A non-dispersive UWB antenna apparatus using the multi-resonance / PARK JONG-KWEON, CHOI SAN-SUNG, PARK KWANG-ROH. Опубл. 07. 09. 2009.
28. Patent USA US20040017315A1. Dual-band antenna apparatus/ Shyh-Tirng Fang, Hao-Chun Tung, Kin-Lu Wong. Опубл. 29.01. 2004.
29. Patent USA US5828340A. Wideband sub- wavelength antenna / J.M.Jonson. Опубл. 27.10. 1998.
30. European Patent EP1552079A1. Miniaturized ultra-wideband microstrip antenna / Myoung So- ung-ho et all. Опубл. 06.07.2005.
31. Patent USA US20080094284A1 / Antenna with coupling feeding/ Chia-Hao Mei. Опубл. 24.04.2008.
32. Patent USA US2008258989A1. Slot-loaded microstrip antenna and related methods / Qinjiang Rao et all. Опубл. 23.10. 2008.
33. Patent USA US20060103577A1. Ultra wideband internal antenna / Jae Chan Lee. Опубл. 18.05.2006.
34. Patent GB GB2439110A. Printed ultra-wideband antenna with reduced aperture clutter / Lye Whatt Chua. Опубл. 19.12.2007.
35. WO200784080A1. Antennas / Zhang Y.P. Опубл. 26.07.2007.
36. European patent EP510798А1. Oscillating apparatus / Shiga Nobuo. Опубл. 28.10. 1992.
37. Shanmuganantham T., Raghavan S. Analysis and Design of Compact Coplanar Waveguide Fed Slot // International Conference on Recent Advances in Microwave Theory and Applications, 2008. MICROWAVE 21-24 Nov. 2008; 2008. P. 26—28.
38. Rohith K. Raj, Manoj Joseph, Aanandan C. K., Vasudevan K., Mohanan P. A New Compact Microstrip-Fed Dual-Band Coplanar Antenna for WLAN Applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. Vol. 54. N. 12, P. 3755—3762.
39. Han G., Wang W., Tingting An, Zhang W. Compact Dual-Band CPW-Fed Antenna // Internatio- nal Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, 2008. ICMMT 2008; 2008. Vol. 1. P. 395—397.
1.4. Интегрированные антенны на наногетероструктурах арсенида галлия
Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Галиев Р.Р.
PHEMT структуры с псевдоморфно напряженной квантовой ямой (КЯ) типа AlGaAs/InGaAs/GaAs обладают большей подвижностью ue и большей концентрацией nS двумерного электронного газа, а также более конструктивно сложные и продуманные в отличии от традиционных структур типа n-GaAs/i-GaAs или n-AlGaAs/GaAs и широко применяются в устройствах СВЧ-техники. Концентрация и подвижность электронов определяют ток стока тран-зистора, а толщина широкозонного барьера (расстояние от КЯ до поверхно-сти или затвора транзистора) определяет крутизну транзистора.
После проведенных исследований и оптимизации по толщине барьерного слоя AlxGa1xAs, уровню легирования 8-Si слоя, составу и ширине канала
InyGa1yAs, нами была выращена приборная гетероструктура, поперечное сечение и параметры которой представлены ниже.
n+-GaAs (Si) (6 Х 1018 см3) 43,0 нм
i-Al0.24Ga0.76As 17,0 нм
8-Si
i-Al0.24Ga0.76As спейсер 5,2 нм
i-In0.19Ga0.81As 11,5 нм
i-GaAs буфер 2 0,35 мкм
AlGaAs/GaAs сверхрешетка 26,0 нм
i-GaAs буфер 1 41,0 нм
GaAs substrate (100)
Электрофизические параметры полученной гетероструктуры:
• при Т = 300 К — подвижность ue = 8480 см2/В•с, концентрация nS =
= 1,29•1012 см2:
• при Т = 77 К — подвижность ue = 27900 см2/В•с концентрация nS =
= 1,28•1012 см2.
Нашей задачей являлась разработка активных антенн для диапазонов ча- стот 5 ГГц и 10—12 ГГц. От формы и размеров излучателя антенны зависит диаграмма напpавленности, коэффициент стоячей волны (КСВ) и диапазон пpинимаемых частот. Длина излучателя обpатно пpопоpциональна pезонансной частоте и коpню квадpатному из диэлектpической пpоницаемости [1]. Таким образом, высокая диэлектрическая проницаемость материала позво- ляет уменьшить размеры кристаллов со встроенными антеннами. Мы оста- новили свой выбор на PHEMT-структурах, т.к. их использование открывает возможность изготавливать интегрированную антенну со встроенным малошумящим усилителем компактных размеров.
Конструкция антенны выбиралась среди решений с возможностью пла- нарной реализации. Мы остановились на антеннах двух типов: антенны типа Вивальди и прямоугольной микрополосковой антенны, каждый тип в двух вариантах: для диапазона 5 ГГц и 10—12 ГГц. Для того чтобы антенный эле- мент с наибольшей эффективностью передавал падающую электромагнитную волну на усилитель, импедансы антенны и усилителя должны быть ком- плексно сопряженными. Чтобы не включать отдельную согласующую цепь, мы подбирали импеданс антенны под импеданс усилителя, изменяя пара- метры микрополосковой линии.
Электромагнитный расчет ожидаемых СВЧ-параметров малошумящего усилителя (МШУ) выполняется в САПP ADS (Advanced Design System) с по- мощью метода Momentum. Для расчета антенных элементов использовался метод расчета FEM (Finite Element Method). Расчетные характеристики МШУ: коэффициент усиления ~ 18—24 дБ; коэффициент шума менее 1 дБ; КСВ по входу и по выходу < 2 дБ.
Размеры кристаллов антенных элементов с МШУ составили 6,4 Х 10,1 мм (антенна типа Вивальди) и 6,4 Х 5,4 мм (прямоугольная антенна) для диапазо- на частот 5 ГГц (рис. 1). Кристаллы для диапазона 10—12 ГГц имеют более компактные размеры: 1,89 Х 6,77 мм (антенна типа Вивальди) и 6,4 Х 9,4 мм (прямоугольная антенна) [2—4]. Тол-
щина подложки GaAs: 0,6 мм. Потери отражения антенных элементов типа Вивальди: от 20 до 35 дБ в ди- апазоне 10—12 ГГц и 17 дБ для
5 ГГц; для прямоугольных антенных элементов: от 10 до 15 дБ в диапа- зоне 10—12 ГГц и 15 дБ для 5 ГГц. Максимальная интенсивность излучения антенных элементов: 0,036 Вт/стер. Максимальное усиление: 0,93.
На данный момент нам удалось измерить характеристики одного антенного элемента: прямоугольного для 5 ГГц. Коэффициент отражения составил около 13 дБ на частоте
5,5 ГГц. Диаграмма направленности представлена на рис. 2.
Литература
1. John Dr., Volakis L. Antenna engineering handbook. New York: The McGraw-Hill Companies, 2007.
2. Мальцев П.П., Федоров Ю.Ф., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л. Топология ИМС «Интеграль- ный антенный элемент со встроенным малошумящим усилителем для диапазона 5 ГГц», ре- гистрационное свидетельство №2011630058 от 05.05.2011 г.
3. Мальцев П.П., Федоров Ю.Ф., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л. Топология ИМС «Интеграль- ный антенный элемент со встроенным малошумящим усилителем для диапазона 10—12 ГГц», регистрационное свидетельство №2011630059 от 05.05.2011 г.
4. Федоров Ю.Ф., Гнатюк Д.Л. Топология ИМС «Широкополосный малошумящий усилитель», регистрационное свидетельство №2011630032 от 04.02.2011 г.
1.5. Обзор реализаций планарных антенн Х-диапазона с двумя слоями металлизац
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л.,
Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В., Бунегина С.Л., Крапухин Д.В.
1.5.1. Введение
Планарные антенны Х-диапазона с двумя слоями металлизации как дешевые и технологичные разрабатываются для следующих систем:
• Ultra-Wideband (UWB)-систем (рабочий диапазон частот не менее 3,1— 10,6 ГГц);
• систем спутникового телевидения.
В данной работе используется терминология обзора [1]. Полоса оценивается по уровню КСВ < 2 или по уровню S11 < 10 дБ.
Особенностями UWB антенн являются:
• необходимость изоляции канала (полосы режекции) в узких полосах непропускания (notch band) в пределах рабочей полосы, что обеспечивается высоким рассогласованием входа антенны на данных частотах;
• равномерное распределение излечения в азимутальной плоскости, т.е. ми- нимальные требования к коэффициенту усиления диаграммы направлен- ности (ДН).
1.5.2. Развитие встроенных антенн на основе монополя
Обзор реализованных планарных антенн на основе монополей, копланарных, вибраторных антенн различных топологий диапазона 12 ГГц приведен в [2, 3].
Поиск оптимальной формы в настоящее время не может быть произве- ден средствами машинного проектирования, поэтому разработчики приме- няют различные эмпирические приемы, породившие значительное число ре- ализаций монополей, из которых рассмотрены наиболее характерные, обеспечивающие UWB-полосу.
Как правило, в антеннах Х-диапазона преднамеренно требуется изолиро- вать диапазон в районе 5,4 ГГц. Характерным примером использования мо-нополя является работа [4]. В ней описан излучатель (рис. 1) с дополнитель- ным шлейфом, соединенным с монополем щелевым резонатором в месте присоединения подводящей линии и монополя, обеспечивающей согласование в полосах 1,4—4,8 и 6—11 ГГц (с одной полосой непропускания). Антенна имеет значительные размеры — 72 Х 66 мм, что связано с обеспечением рабочей полосы до 1,4 ГГц, е = 4,4; h = 1,6 мм.
В работе [5] методами машинно- го моделирования исследована ан- тенна с эллиптическим монополем. Топология (рис. 2) обеспечивает уникальную полосу 2—21 ГГц при габаритах 44 Х 20 мм, е = 4,7; h =1,5 мм.
Антенна, модифицированная па- рами электродинамически связанных щелевых резонаторов для эл- липтического монополя (рис. 3), имеет полосы с высоким отражени- ем (режекций) 3,4—3,69, 5,15—5,825, 8,5—9,5 ГГц.
Более глубокой модификации подвергнут эллиптический монополь в работе [6] (рис. 4). Получена рабочая полоса 2,2—11 ГГц с исключением частот 3,3—3,8 и 5,1—5,85 ГГц при размерах 20 Х 20 мм и е = 4,4; h = 1,0 мм.
В работе [7] описана реализация антенны с оптимизированной формой проводников излучателя и земляного проводника (рис. 5). Экспериментально получено согласование
в полосе 3,2—14 ГГц. Размер антенны 36 Х 30 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм.
Компактные щелевые резонаторы введены в монополь и в земляной проводник (рис. 6) [8]. Достигнуто согласование в полосе 2,75—11,3 ГГц с исключением 3,25—4,20 ГГц и 5,23—6,10 ГГц при размере 35 Х 35 мм и е = 4,4; h = 1,6 мм.
Монополь со щелью вида рис. 7 имеет ра- бочую полосу 3,1—11 ГГц при размерах
23,5 Х 23 мм и е = 3,38; h = 0,508 мм [9].
Планарная антенна может быть выполнена несимметричной (рис. 8) [10]. Получена полоса 3,2—15,54 ГГц с режекцией полосы
4,7—5,8 ГГц при размерах 14,5 Х 14,5 мм и е = 4,6; h = 1,6 мм, что является наилучшим со- отношением полоса/габаритные размеры.
Круговые резонаторы, выполненные на стороне земляного проводника, обеспечивают рабочие полосы 2,8—3,8 и 8,3—10,1 ГГц (рис. 9) [11]. Размеры структуры — 48 Х 40 мм, е = 10,2; h = 0,635 мм.
Пара резонансных колец использована в монополе вида рис. 10 с согла- сованием в виде кольцевых резонаторов на обратной стороне [12]. Полоса — 3,05—23,8 ГГц с полосами режекции 3,4—4,0 и 4,92—6,0 ГГц, размер пласти- ны 30 Х 30 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм.
Обеспечение точной полосы режекции может решаться как самостояте- льная задача для разработанной широкополосной антенны. Так, в работе [13] описана численная оптимизация топологии монополя (рис. 11) с целью устранить прием сигнала в полосе 5,15—5,825 ГГц.
Более сложная топология со сту- пенчатой формой (рис. 12) устраняет полосу 5—5,86 ГГц при рабочей поло- се 2,9—14,5 ГГц [14]. Размеры монополя с подводящей линией (рис.12) — 26 Х 25 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм.
Введение пары щелевых резонан- сов в монополь (рис. 13) устранит две полосы: 3—3,6 и 5—6 ГГц [15].
Широкополосная антенна с эл- липтическим монополем, выполнен- ным несимметрично на стороне земляного проводника и соединенным с подводящей линией через сквозное соединение (рис. 14), обеспечивает полосу 3—11 ГГц без дополнительного согласования при размерах антенны 40 Х 22 мм, е = 2,33; h = 0,508 мм [16].
Эта антенна, дополненная щелями (рис. 15), обеспечивает подавление полосы в окрестности 5,25 ГГц [16].
Подавление полос 5,15—5,96 и 5,27—5,94 ГГц для эллиптического моно- поля (рис. 16) реализовано подстроечными площадками с одной и с двух сторон от подводящей линии [17]. Размер антенны — 40 Х 38 мм, е = 4,5; h =
= 1,0 мм. Полоса составляет 3—11,5 ГГц.
Введение одного или пары резонаторов в U-образный монополь (рис. 17) приводит к подавлению полосы 4,98—6,03 ГГц [18]. Проведено моделирова- ние топологии вида и ее модификаций (рис. 18), обеспечивающих подавление полосы 5—6 ГГц [19].
Вариант монополя, расположенного на границе диэлектрика, обеспечива- ет рабочую полосу 2,97—12,77 ГГц (с подавлением полосы 5,15—5,825 ГГц) (рис. 19) предложен в работе [20]. Достигнуты размеры 28 Х 30 мм при е =
= 3,5; h = 1,52 мм.
В работе [21] описан широкополосный излучатель с монополем круглой формы (рис. 20) с полосой 2,8—10,66 ГГц, размером 25 Х 25 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм. Введение в монополь П-образной щели создает подавление полосы
3,73—6,15 ГГц.
Антенна-монополь с подстройкой шлейфами на земляном проводнике (рис. 21), представлена в [22]. При размрах 30 Х 30 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм обеспечена полоса 3,07—10,66 ГГц. Исследована возможность «включения- выключения» полосы режекции 5,01—5,89 ГГц при введении переключаю- щих pin диодов в шлейфы земляного проводника.
В работах [23—26] предложены варианты широкополосных антенн с по- давлением полосы 5,4 ГГц. В работе [27] описан компактный монополь, обеспечивающий размер антенны 17 Х 16 мм при е = 4,4; h = 1,6 мм (рис. 22). Характерно, что две щели обеспечивают одну полосу режекции.
Антенна, показанная на рис. 23, с размерами 30 Х 25 мм, е = 4,4; h =
= 1,5 мм обеспечивает режекцию принимаемого сигнала в двух полосах
4,85—5,35 ГГц и 5,65—6,08 ГГц при общей полосе 3,08—12 GHz [28]. Каждая кольцевая щель обеспечивает одну полосу режекции. Реализованы и иссле- дованы также топологии с одной и с тремя полосами режекции.
Антенна на основе квадратного монополя размером 15 Х 10 мм, е = 4,4; h = 1,0 мм с щелями в обоих проводниках (рис. 24) описана и промоделиро- вана в [29]. Получена полоса 3—13 ГГц с двумя полосами режекции.
Антенна (рис. 25) на основе монополя с фигурными щелями в монополе и земляном проводнике, обеспечивает подавление трех полос 3,3—3,9, 5,2—5,35, 5,8—6,0 ГГц. Размеры антенны — 36 Х 34 мм, е = 2,65; h = 1,0 мм [30].
Для устранения нежелательной полосы может быть примерен фильтр в подводящей линии (рис. 26) [31]. Рабочая полоса 3—11 ГГц при полосе ре- жекции 4,9—5,9 ГГц. Размеры антенны 27 Х 27 мм, е = 3,2; h = 1,52 мм.
Оптимизация топологии в рамках допустимой площади путем введения набора щелей, шлейфов в верхний и нижний проводники может привести к топологии с весьма сложным видом излучателя. В патенте [32] защищает- ся планарная антенна, имеющая монополь с оптимизированными врезами в обоих проводниках (рис. 27). Достигнута полоса 3—10,8 ГГц.
Излучатели подобного вида описаны в [33]. Топология и частотная зави- симость показаны на рис. 28. Важным достоинством данной антенны явля- ется высокая направленность (рис. 29). Полоса 2,93—10,67 ГГц (по уровню КСВ < 2). Размер антенны 30 Х 20 мм, е = 10,2; h = 1,27 мм.
К рассмотренным антеннам на основе моно- поля близки антенны с монополем на стороне копланарной линии (лицевой металлизации).
Такая антенна в самой простой реализации (рис. 30) есть излучатель-моно- поль, который окружен земляным проводником.
Копланарная антенна (рис. 30) имеет рабочие частоты 5,12—12,31 ГГц при размерах 120 Х 100 мм, е = 4,9; h = 0,8 мм [34].
Излучатель может быть выполнен на стороне, обратной подводящей копланарной линии (рис. 31). В этой структуре разрыв входной копланарной линии на обратной стороне металла создает дополнительные резонансы и позволяет получить сравнительно высокий коэффициент усиления ан- тенны (7 дБ на 10 ГГц) при узкопо- лосном согласовании 4% для 10 ГГц [35]. Размеры излучателя 18 Х Х 10,5 мм, е = 2,17; h = 0,508 мм.
Расширения щелей копланарной линии могут образовывать щелевые вибраторы. Симметричные вибраторы на основе данных щелевых резо- наторов представлены на рис. 32 [36]. Получена полоса 7,5—11,3 ГГц. Размеры излучателя 30 Х 12 мм, е =
= 3,38; h = 0,508 мм.
Мальцева Петра Павловича
ВВЕДЕНИЕ
В данный сборник вошли статьи сотрудников Федерального государственного автономного научного учреждения «Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова Российской академии наук» (ИСВЧПЭ РАН), опубликованные в период с 2010 по 2017 гг., которые освещают новые направления исследований наногетероструктур А3В5 (арсенид галлия и нитрид галлия):
• расчет и моделирование систем на кристалле с интегрированными антен-
нами и усилителями для крайне высоких частот;
• создание фотопроводящих антенн для терагерцевых устройств.
Статьи использованы при выполнении работ по заказу Минобрнауки
России в рамках: ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радио-
электроники» на 2008–2015 годы, ФЦП «Научные и научно-педагогические
кадры инновационной России» на 2009–2013 годы, ФЦП «Исследования и
разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологиче-
ского комплекса России» на 2007—2013 годы и на 2014—2020 годы.
Кратко можно отметить следующие основные моменты биографии
Мальцева П.П.: родился 28 сентября 1947 г., закончил физико-математиче-
скую среднюю школу № 110 в г. Ташкенте в 1967 г., получил высшее техни-
ческое образование в Ташкентском электротехническом институте связи
(1967—1971 гг.) и закончил аспирантуру Московского электротехнического
института связи (1973—1977 гг.). Работал в 22-м Центральном научно-иссле-
довательском институте Министерства обороны (1977—1989 гг.), Секции
прикладных проблем при Президиуме Российской академии наук (1989—
2007 гг.), Технологическом центре МИЭТ (2007—2009 гг.), а с 2010 г. — ди-
ректор и с 2016 г. по н.в. — научный руководитель ИСВЧПЭ РАН.
В 1985—1986 гг. Мальцев П.П. с коллективом Научно-исследовательско-
го института молекулярной электроники (НИИМЭ) сформировал комплекс-
но-целевую программу по разработке цифровых интегральных схем на арсе-
ниде галлия двойного назначения. Создание интегральных схем на арсениде
галлия и их испытания стали основой докторской диссертации П.П. Маль-
цева (1994 г.) и присвоения звания профессора (1996 г.), а затем по данной
тематике ему в составе коллектива ученых была присуждена премия Прави-
тельства Российской Федерации в области науки и техники за 1999 г.
(в 2000 г.).
Мальцев П.П. является известным специалистом в области электроники,
он активно участвовал в разработке комплексно-целевых программ по созда-
нию приборов наноэлектроники (1995 г.) и по разработке микросистемной
техники (1998 г.) двойного назначения.
Мальцев П.П. разработал в 2010 году технологическую платформу ТП
104 «Мобильные и беспроводные коммуникации в миллиметровом диапазо-
не длин волн (60—90 ГГц)» (организатор ИСВЧПЭ РАН), которая вошла
в технологическую платформу «СВЧ-технологии», включенную в Перечень
технологических платформ (утвержден решениями Правительственной ко-
миссии по высоким технологиям и инновациям (от 01.04.2011 г. протокол
№2 и от 05.07.2011 г. протокол №3) и решением президиума Правительст-
венной комиссии по высоким технологиям и инновациям (от 21.02.2012 г.
протокол №2) — позиция в перечне №26).
Научная жизнь Мальцева П.П. тесно переплелась с работой в качестве
главного редактора журналов «Нано- и микросистемная техника» (с 1999 г.
по н. в.), «Электроника: Наука. Технология. Бизнес» (2005—2011 гг.) и «На-
ноиндустрия» (2007—2011 гг.). Он активно внедрял научные результаты в
образовательный процесс и в 1999 г. создал кафедру микросистемной техни-
ки в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики
(МИРЭА), которую возглавлял до 2016 г. – до создания объединенной ка-
федры наноэлектроники. За время работы кафедры было подготовлено более
трехсот специалистов по микросистемной технике, бакалавров и магистров
по специальности «нанотехнологии и микросистемная техника», а также
около десятка кандидатов технических наук.
Мальцев П.П. внес большой вклад в подготовку специалистов высшей
квалификации, работая в составе экспертного совета Высшей аттестационной
комиссии России (с 1998 г. по н. в.). Он является соавтором более 250 публи-
каций, а также около 40 результатов интеллектуальной деятельности.
В 2014 г. П.П. Мальцев награжден знаком «Заслуженный деятель науки
Российской Федерации», а в 2015 г. ему присуждена премия им. А.А. Рас-
плетина Российской академии наук за цикл публикаций по созданию СВЧ-
систем на кристалле на широкозонных полупроводниках для миллиметрово-
го диапазона длин волн.
Ранее вышел сборник статей, посвященный 70-летию члена-корреспон-
дента РАН В.Г. Мокерова (1940—2008 гг.), в который вошли статьи сотруд-
ников ИСВЧПЭ РАН, опубликованные в период с 1986 по 2009 годы (моно-
графия «Наногетероструктуры в сверхвысокочастотной полупроводниковой
электронике». М.: Техносфера. 2010. 432 с. Составитель: П.П. Мальцев).
Данный сборник статей посвящается 70-летию со дня рождения Заслу-
женного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора Мальцева Петра Павловича –
директора ИСВЧПЭ РАН с 2010 по 2016 годы.
Директор ИСВЧПЭ РАН,
д.т.н., профессор С.А. Гамрелидзе
Монографии, справочники и сборники статей
под редакцией или в соавторстве с П.П. Мальцевым
1. Цифровая обработка информации на основе быстродействия БИС/
С.А. Гамкрелидзе, А.В. Завьялов, П.П. Мальцев, В.Г. Соколов / Под редак-
цией В.Г. Домрачева. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 136 с.: илл.
2. Интегральные микросхемы: взаимозаменяемость и аналоги: Справочник /
М.А. Бедрековский, А.А. Косырбасов, П.П. Мальцев. — М.: Энергоатомиз-
дат, 1991. — 272 с.: илл.
3. Базовые матричные кристаллы и матричные БИС/ В.Г. Домрачев,
П.П. Мальцев, В.Г. Новаченко, С.Н. Пономарев. — М.: Энергоатомиздат,
1992. — 224 с.: илл.
ГЛАВА 1
МАЛОГАБАРИТНЫЕ ВСТРОЕННЫЕ АНТЕННЫ САНТИМЕТРОВОГО
И МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН
1.1. Направления развития антенн диапазона 5 ГГц с минимальным объемом
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.
1.1.1. Введение
В работах [1, 2] рассмотрены вопросы разработки встроенных антенн диапа- зона 5 ГГц с излучателем-монополем, а также различных планарных излуча- телей на основе двухслойной металлизации. Ниже рассматриваются много- слойные и объемные антенны, применение метаматериалов, средств коммутации и методы обеспечения круговой поляризации для антенн диапа- зона 5 ГГц.
1.1.2. Многослойные антенны
Как рассмотрено в работе [1, 2], излучающий резонатор для экономии площади выполняется деформированным и изогнутым. Излучатель также может быть выполнен в различных слоях (рис. 1) [3]. Далее на рисунках черным кружком или стрелкой указывают место подачи сигнала.
При размерах 28 Х 9 Х 3 мм и E = 4,34, толщине диэлектрика h = 1,5 мм обеспечены рабочие полосы (5,15—5,35 и 5,725—5,825 GHz) при КСВ < 2.
В работе [4] описан пассивный виб- ратор объемной (трехслойной) реализации (рис. 2). Подводящая линия выполнена в нижнем проводящем слое. При размерах вибратора 60 Х 10 Х 3 мм обеспечена полоса 1,83 —2,78 ГГц.
Двухслойный излучатель (рис. 3) с объемной спиралью (рис. 4), расположенный под прямоугольником из диэлектрика (ПД) (E = 7,7), обеспечивает полосы 2,35—2,57, 5,29— 6,01 ГГц при размерах ПД 8 Х 4 мм и общих размерах излучающей части
12,2 Х 7 мм, реализованной на ди- электрике E = 4,4 [5].
Трехслойная антенна со сложной топологией «промежуточного» земля- ного проводника, поднятого над непрерывным земляным проводником (рис. 5), обеспечивает узкие полосы2,45; 3,5; 5,2; 5,75 ГГц с коэффици- ентом усиления ДН более 9 дБ при малых размерах 12 Х 13,8 Х 4 мм [6].
Разработан излучатель-монополь (рис. 6), выполненный в различных планарных слоях в размерах блока памяти USB flash с полосой 2,3—11 ГГц (размер монополя 16 Х 9 Х 4,5) [7].
Конструкцию многослойной антенны с монополем, имеющим щелевой резонатор (рис. 7), защищает патент [8]. Обеспечивается кардиоидная форма ДН в полосе 1—2,4 ГГц.
Предложена антенна из двух слоев диэлектрика с подводом сигнала в два удаленных монополя [9]. Верхний слой имеет два идентичных излучателя-монополя размером 16 Х 6,5 мм, соединенных через метал- лизированные отверстия с меандрами земляной металлизации (рис. 8). Обеспечена полоса 1,8—2,55 ГГц при размерах излучателя 50 Х 10 Х 3 мм. Для диапазона 5 ГГц размеры уменьшаются в два раза, что обеспечивает данной антенне pазмеpы, минимальные сpеди шиpокополосных антенн.
В работе [10] описан объемный вибратор (рис. 9). Получены полосы частот 2,400—2,690; 3,400—3,800; 5,150—5,850 ГГц при размерах 20 Х 20 Х 14 мм.
Компактная антенна предложена на основе меандров в трех проводящих слоях (рис. 10) [11]. На верхнюю пару меандров сигнал поступает с выхода фазорасщепителя (balun) в виде чипа SMD. Таким образом, верхняя пара меандров являются активными вибраторами, нижние меандpы — пассивными. Обеспечена узкая полоса в районе 5 ГГц при размерах 22,0 Х 17,0 мм. Излучатели-меандры имеют малые размеры 3,95 Х 5,1 мм и выполнены на диэлектрике с E = 3,5; h = 0,3 мм для каждого слоя.
1.1.3. Использование метаматериалов
Метаматериалы, представляющие многослойные комбинации проводников и диэлектриков со структурой много меньшей длины волны, могут быть подобны средам с большой электрической или магнитной проницаемостью, что позволяет уменьшить размеры антенн. В работе [12] изложены основы электродинамического анализа метаматериалов и предложен монополь, вы- полненный из ячеек метаматериала с земляным проводником (рис. 11). При размерах антенны 32 Х 28 мм, E = 2,2; h = 0,76 мм получена полоса 5—9 ГГц, коэффициент усиления ДН 2—6 дБ.
Антенна из трех пластин металлизированного диэлектрика с монопольным излучателем (рис. 12, а) над экраном вида прямоугольника (рис. 12, б) с окном (первая пластина), размещенным над двумя идентичными частотно селективными проводящими слоями (frequency selective surface (FSS)) второй и третьей пластин (рис. 12, в) при E = 4,4. Получена однонаправленная ДН с коэффициентом усиления более 6 дБ в рабочей полосе 3—12 ГГц [13].
Четыре слоя диэлектрика с металлизацией с идентичными S-образными щелями в металлизации каждого слоя (рис.13), расположенные над монополем, повышают коэффициент усиления ДН антенны с 6 до 8 дБ в рабочей полосе 5,56—5,91 ГГц [14]. Размер антенны — 55 Х 30 мм, E = 4,4. Сечение антенны показано на рис. 14. Излучение направленно верх, то есть через проводники метаматериала.
Из метаматериала сделан излучатель-монополь и площадка на обратной стороне, соединенная с земляным проводником подводящей копланарной линии через металлизированное отверстие (рис. 15) [15]. Получена полоса 3,14—7,20 ГГц при размере монополя 6 Х 5 мм, общем размере 30 Х 22 мм, при E = 4,34; h = 1,59.
Из метаматериала выполнен монополь в виде узкой линии и узкие земляные проводники (рис. 16) [16]. Получена полоса 2,2—2,5 ГГц при размерах излучателя 40 Х 15 мм, h =
= 1 мм; E = 4,6.
На основе меандров, образующих с прямоугольным проводником емкостно-связанные резонаторы (zeroth- order resonator (ZOR)) разработана антенна для частот 2,04, 2,41, 3,52 ГГц (рис. 17) [17]. Сигнал подается через вертикальный коаксиал на левую пло- щадку, с которой благодаря емкостной связи поступает на идентичные резонаторы, имеющие заземление в центре. Диэлектрик отделен от земляного проводника зазором толщиной 6,2 мм. Размер излучателя примерно 15 Х 9 мм, размер антенны 20 Х 20 мм, E = 4,4; h = 1,52.
1.1.4. Перестраиваемые антенны
Не представляет трудностей введение в планарную антенну управляющих элементов (варакторных и PIN- диодов), что позволяет управлять рабочей полосой частот антенны. Антенна выполняется узкополосной, что приводит к уменьшению размеров. Предложена перестраиваемая варакторными и PIN-диодами антенна типа Яги (рис. 18) [18]. Диапазон перестройки 10% при рабочей частоте 6 ГГц.
В работе [19] описана антенна PIFA с двумя управляющими варакторами (рис. 19). При максимальном изменении емкости варактора происходит измерение рабочих полос: 0,7— 0,95 ГГц (GSM900), 1,79—2,19 ГГц (UMTS), 3,43—3,64 ГГц (WiMAX),
5—5,06 ГГц (HiperLAN/2). Антенна имеет размеры 50 Х 43,5 мм, излучатель 31,5 Х 30 мм.
В работе [20] описан объемный излучатель размером 13 Х 20 Х 4 мм (рис. 20) с перестройкой единственным варактором, обеспечивающий полосы 1,6—2,4 и 3,2—4,5 ГГц.
В работе [21] описан меандровый излучатель в виде ортогональной сетки проводников с MEMS комму- таторами, что позволяет в широких пределах изменять площадь монопо- ля, присоединенную к источнику сигнала. При управлении MEMS переключателями достигнут сдвиг частоты минимума КСВ с 4,57 до 6,84 ГГц. Данные результаты следует считать предварительными, так как сетка из MEMS-переключателей, введенная в металлизацию, открывает новые воз- можности для управления рабочей топологией как антенн, так и СВЧ- устройств в целом.
Возможно также управление направлением главного луча диаграммы на- правленности антенны [22] путем введения варакторов в излучающие щелевые резонаторы.
1.1.5. Обеспечение круговой поляризации излучения
Для мобильных устройств необходимо обеспечивать круговую поляризацию излучения. Возможно очевидное решение — использовать пару ортогональ- ных автономных излучателей, либо реализовать топологию излучателя с то- ками в излучателе, ортогональными по направлению. Возможно компромис- сное решение, при котором сигнал подается на пару ортогональных излучателей, имеющих общий земляной проводник.
Реализация второго подхода описана в работе [23]. Форма излучателя по- казана на рис. 21. Расчеты показали полосу 5,12—5,9 ГГц при КСВ < 2, раз- мерах излучателя 21 Х 21 мм, E = 1; h = 2,5.
Близкая по структуре антенна на основе монополя с щелевым резонато- ром и с третьим проводящим слоем между монополем и земляным провод- ником описана в работе [24] (рис. 22). Получена узкая полоса 1,0% для 3,5 ГГц и 3,1% для 5,8 ГГц.
Крестообразный излучатель, представляющий второй вариант антенны с круговой поляризацией (рис. 23), описан в работе [25]. Размер излучателя
23 Х 23 мм, обеспечена полоса WiMAX 3,5 ГГц.
Излучатель, показанный на рис. 24, обеспечивает круговую поляризацию при подводе сигнала близко к центру в полосе более 2—4 ГГц [26]. Размеры
30 Х 30 мм, C = 3,5; h = 1,52.
Круговую поляризацию обеспечивает антенна (рис. 25), топология кото- рой совместно с согласующими цепями приведена в работе [27]. Получено узкополосное согласование на частоте 5,83 ГГц, C = 3,0; h = 0,5.
В патенте [28] защищены разновидности топологий обоих проводников
планарной антенны следующего вида: в земляном проводнике создается S- образная щель, к которой сигнал подводится по микрополосковой линии на противоположной стороне (рис. 26). Такая структура обеспечивает круговую поляризацию и форму ДН, близкую к кардиоидной.
Третий подход реализован в работе [29]. Антенна состоит из двух металлизированных слоев диэлектрика и проводящей плоскости под ними, разде- ленных воздушными зазорами. Два излучателя, расположенных взаимно перпендикулярно, выполнены на нижней стороне нижнего диэлектрика, верхняя металлизация которого непрерывна, за исключением квадратной щели. (рис. 27). На верхнем диэлектрике металлизация присутствует в виде прямоугольника на нижней стороне Получена полоса 2,95—4,3 ГГц при раз- мерах излучателя 22 Х 22 мм.
1.1.6. Заключение
Усилия разработчиков направлены прежде всего на обеспечение минималь- ного объема при требуемой рабочей полосе. Данному критерию в наиболь- шей степени соответствуют объемные реализации антенн. Введение элемен- тов коммутации в антенны является одним из перспективных направлений повышения характеристик антенн при малом объеме антенны.
Литература
1. Мальцев П.П., Матвеенко О.В., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Федоров Ю.В. Обзор реализаций встроенных антенн диапазона 5 ГГц с излучателем-монополем // Нано- и микросистем- ная техника. 2011. № 9. С. 2—4.
2. Мальцев П.П., Матвеенко О.В., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Федоров Ю.В. Обзор реализа- ций планарных встроенных антенн диапазона 5 ГГц с минимальным объемом // Нано- и микросистемная техника. 2011. № 10. С. 39—46.
3. Ali M., Sittironnarit T., Hwang H.-S., Sadler R. A., Hayes G. J. Wide-Band/Dual-Band Packaged Antenna for 5—6 GHz WLAN Application// IEEE transactions on antennas and propagation. 2004. Vol. 52. N 2. P. 610—615.
4. Wei-Yu Li, Kin-Lu Wong. Surface-Mount Loop Antenna for WWAN/WLAN/WiMAX Operation in the Mobile Phone//Microwave Conference 2008. APMC 2008. Asia-Pacific. P. 1—4.
5. Moon J.I., Park S.O. Small Chip Antenna for 2.4/5.8-GHz Dual ISM-Band Applications// IEEE antennas and wireless propagation letters. 2003. Vol. 2. P. 313—315.
6. Bhatti R.A., Choi J.H., Park S.O. Quad-Band MIMO Antenna Array for Portable Wireless Com- munications Terminals// IEEE antennas and wireless propagation letters. 2009. Vol. 8. P. 129— 132.
7. Lee J., Hong S., Shin J., Choi J. A Compact Ultrawideband Monopole Antenna for Wireless Com-munication Application// IEEE transactions on antennas and propagation. 2009. Vol. 57. N 9. P. 2785—2788.
8. Патент WO2006084951A1. Internal monopole antenna/ Raappana A., Kupari M. et all/ 17 Aug.2006.
9. Park Y., Byun J., Harackiewicz F. J., Yu B., Kim B., Park M-J., Chung Y-S., Lee B. Multi-Band Diversity Antenna for Mobile Handset Applications// Proceedings for 2010 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and CNC/USNC/URSI Radio Science Meeting. 2010. Ju1y 11—17.
10. Saou-Wen Su, Jui-Hung Chou. Internal Wideband Monopole Antenna for MIMO Access-Point Applications//Antennas and Propagation Society International Symposium, 2008. AP-S 2008. IEEE, 5—11 July 2008. P. 1—4.
11. Yoshida S., Kameda S., Takagi T., Tsubouchi K. 5-GHz Band 3-Stacked Meander Line Antenna Using Multi-Layered Organic Substrates// Antennas and Propagation Society International Sym- posium (APSURSI), 2010 IEEE. 2010. P. 1—4.
12. Li L.W., Li Y.N., Hu L. Wideband and Low-Loss Metamaterials for Microwave and RF Applicati- ons: Fast Algorithm and Antenna Design// Metamaterials. 2010. P. 293—3l9.
13. Ranga Y., Matekovits L., Esselle K.P., Weily A.R. Multioctave Frequency Selective Surface Ref- lector for Ultrawideband Antennas// IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2011. Vol. 10. P. 219—222.
14. Wu C.Y.; Yeh S.H.; Lu T.H. Novel High Gain Metamaterial Antenna Radome for WiMAX Opera- tion in the 5.8-GHz band// Antennas and Propagation Society International Symposium, 2007
IEEE. 2007. P. 3488—3491.
15. Antoniades M.A., Eleftheriades G.V. A Broadband Dual-Mode Monopole Antenna Using NRI-TL Metamaterial Loading// IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2009. Vol. 8. P. 258— 261.
16. Soon Ho Hwang, Tae Sik Yang ,Joon Ho Byun, Kim, A.S. Design and Analysis of Metamaterial Antenna for Mobile Handset Application// 3rd European Conference on Antennas and Propagati- on, EuCAP 2009. 23—27 March 2009. P. 3563—3566.
17. Dakhli N., Choubani F., David J. Multiband small zeroth-order metamaterial antenna// Applied
Physics A: Materials Science & Processing, Online First™, 10 January 2011.
18. Qin P. Y., Weily A.R., Guo Y.J., Bird T.S., Liang C.H. Frequency Reconfigurable Quasi-Yagi Fol- ded Dipole Antenna// IEEE transaction on antennas and propagation. 2010. Vol. 58, N 8. P. 2742—2747.
19. AbuTarboush H. F., Nilavalan R., Peter T. PIFA based Reconfigurable Multiband Antenna for Wireless Applications// Proceedings of the International Conference in Electromagnetic in Advan- ced Application, Sydney, Australia, 20—24 Sept. 2010. P. 232—235.
20. Viet-Anh Nguyen, Manh-Tuan Dao, Yun Tack Lim, Seong-Ook Park. A Compact Tunable Internal Antenna for Personal Communication Handsets// IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2008. Vol. 7. P. 569.
21. Grau A., Ming-Jer Lee, Romeu, J., Jafarkhani, H., Jofre, L., De Flaviis, F. A Multifunctional MEMS-Reconfigurable Pixel Antenna for Narrowband MIMO Communications// Antennas and Propagation Society International Symposium, 9—15 June 2007. P. 489—492.
22. Slater M. J., Pan H. K., Bernhard J. T. Preliminary Results in the Development of a Compound Reconfigurable Antenna// Proc. 2008 IEEE/URSI International Symposium on Antennas and Propagation, July 2008.
23. Ali M., Dougal R., Yang G., Hwang H.S. Wideband (5—6 GHz WLAN Band) Circularly Polarized Patch Antenna for Wireless Power Sensor // Proc. of Antennas and Propagation Society Internati- onal Symposium, 2003. IEEE. 2003. Vol. 2. P. 34—37.
24. Payam Nayeri, Kai-Fong Lee, Atef Z. Elsherbeni, Fan Yang. Dual-Band Circularly Polarized An- tennas Using Stacked Patches With Asymmetric U-Slots // IEEE Antennas and Wireless Propaga- tion Letters, 2011. Vol. 10. P. 492—495.
25. Hung-Chi Huang, Ken-Huang Lin, Hsin-Lung Su, Chin-Yih Wu, Hung-Hsuan Lin. Design of Dual-Polarized High-Gain Antenna Radome by Using Jerusalem Cross Metamaterial Structure// Antennas and Propagation Society International Symposium, 2009. (APSURSI’09). IEEE, 1— 5 June 2009. P. 1—4.
26. Ghali H. A., Moselhy T. A. Broad-Band and Circularly Polarized Space-Filling-Based Slot Anten- nas// IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53, N 6. P. 1946—1950.
27. Heikkinen J., Kivikoski M. Low-Profile Circularly Polarized Rectifying Antenna for Wireless Po-wer Transmission at 5.8 GHz// IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2004. Vol. 14, N 4. P. 162—164.
28. Европатент EP1158606A1. Dual-spiral-slot antenna for circular polarization/ Brankovic V., Kru- pezevic D. 28.11.2001
29. Caso R., Pino M. R., Nepa P., Manara G. A Novel Dual-Feed Slot-Coupling Feeding Technique for Circularly Polarized Patch Arrays// IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2010. Vol. 9. P. 183—186.
1.2. Обзор реализаций планарных встроенных антенн диапазона 5 ГГц с минимальным объемом
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.
1.2.1. Введение
В работе [1] рассмотрены вопросы разработки встроенных антенн диапазона
5 ГГц с излучателем-монополем, развитие которых происходит в направлении усложнения топологии монополя и земляного проводника, прежде всего для расширения полосы частот. В антеннах данного типа площадь земляного про- водника существенно превышает площадь монополя и при этом возможности снижения размеров земляного проводника ограничены самим видом электро- магнитного поля. Поэтому в целях уменьшения объема развиваются иные типы планарных антенн: вибраторные и щелевые антенны, антенны с фрак- тальной топологией, объемные антенны, многослойные антенны, перестраиваемые антенны. В настоящей работе рассмотрены результаты разработки планарных встроенных антенн диапазона 5 ГГц с минимальным объемом.
1.2.2. Вибраторные антенны
Многолетнее развитие антенн привело к неоднозначности обозначений излучателей. Так, на сайте Википедия объединены термины вибратор и диполь.
Далее вибратор обозначает излучающую систему из пары отдельных проводников, на которые подается излучаемый сигнал. Петлевой вибратор обозначает проводящую петлю, при подаче излучаемого сигнала на один конец при заземленном втором.
Антенны данного типа, как и антенны с щелевыми излучателями, реализуются на диэлектрике с двухслойной (или однослойной) металлизацией и по технологичности близки к антеннам с монополем.
Вибраторная антенна вида, представленного на рис. 1 [2], имеет рабочие полосы 3,25—3,85 и 5,25—5,85 ГГц при размерах вибраторов со шлейфами 34 Х 14,1 мм, толщине диэлектрика h = 0,4 мм и диэлектрической проницаемостью h = 4,4.
Вибраторная антенна с изолированным резонатором между вибраторами показана на рис. 2 [3].
При размерах антенны 39 Х 7 мм, h = 0,8 мм и h = 4,4 обеспечена полоса 2,5—3,8 ГГц. Для подачи сигнала на вибраторы необходимо использовать фазорасщепитель.
При реализации вибратора из метал- ла земляного проводника при двухсторонней металлизации диэлектрика нет необходимости в фазорасщепителе. Такие антенны описаны в ряде работ. В работе [4] приведена топология С-образных вибраторов (рис. 3), которая имеет рабочую полосу 2,5—4,8 ГГц.
В работе [5] изучена вибраторная антенна с щелевыми резонаторами круглого вида в каждом вибраторе (рис. 4), с щелевыми резонаторами ступенчатого вида и без резонаторов.
При резонаторах ступенчатого вида получены три узких полосы 2,4; 3,5; 5,3
ГГц при размерах антенны 50 Х 50 мм,
E = 6,15; h = 1,27 мм. При круглых резонаторах наблюдаются две полосы и при отсутствии резонаторов — одна узкая полоса.
Широкая рабочая полоса 1,82—6,56 ГГц при размерах антенны 48 Х Х 30 мм получена для вибраторной антенны с неортогональными вибра- торами (рис. 5) [6].
Вибраторы, показанные на рис. 6, сравнены в работе [7]. При размерах вибраторов 50 Х 12 мм получены полосы для частот соответственно: 21%, 1,8 ГГц; 11%, 2,4 ГГц; 10%, 3,5 ГГц.
Антенна с подводом сигнала ем- костной связью с вибраторами, обес- печивающая высокий коэффициент усиления диаграммы направленности (ДН) предложена в работе [8]. Вибра- торы асимметрично возбуждаются отрезком микрополосковой линии (рис. 7). Коэффициент усиления ДН 7,5 дБи в рабочей полосе 2,39— 2,52 ГГц и 9 дБи в полосе 4,93— 6,13 ГГц соответственно. Размеры из- лучателя 30 Х 26 мм, = 2,2; h = 0,5.
В работе [9] исследованы петлевой вибратор Т-образного вида, выполненный на одной стороне под-ложки (planar folded dipole antenna (PFDA)), и его модификации: вибраторы выполнены на разных сторонах подложки (both sided PFDA (BPFDA)), подводящий фидер выполнен в виде компактного меандра (compact BPFDA (CBPFDA)). Показано, что последняя модификация не ухудшает характеристик антенны при существенно меньшей площади антенны.
В работе [10] описана антенна с парой петлевых вибраторов, изогнутых для экономии площади, как показано на рис. 8. Получена полоса 5,07—6,16 ГГц при размерах вибраторов 18 Х 18 мм, E = 4,4; h = 0,8 мм.
Планарная реализация антенны типа Яги (рис. 9) показала невысокий коэф- фициент усиления кардиоидной ДН > 5,6 дБ и полосу 4,64—6,25 ГГц при размерах 35 Х 28 Х 1,6 мм, = 4,4 [11].
Патент [12 20100231477] защищает антенну (рис. 10), реализующую кон- цепцию заземленных вибраторов. Она имеет полосу 3,0—5,5 ГГц при размерах излучателя 20 Х 10 Х 0,8 мм, что является минимальным объемом для широкополосной антенны. Этот результат обеспечен оптимально выбранными фор- мой проводников и оптимизацией мест заземления сигнальных проводников.
Простая топология антенны из прямоугольных проводников оптималь- ной формы с копланарным подводом (рис. 11) [13] обеспечивает полосу
1,65—5,06 ГГц при размерах излучателей 45 Х 39 мм, E = 4,4; h = 1,6.
1.2.3. Антенны с щелевыми излучателями
Антенна с щелевыми вибраторами (рис. 12) обеспечивает полосу 8% на частоте 2,45 ГГц, полосу 13% на частоте 5,5 ГГц при сравнительно больших размерах 56 Х 34 мм, E = 4,34; h = 1,5 мм [14].
Компактный щелевой излучатель (рис. 13) обеспечивает уменьшение размеров на 34,5% до 9,5 Х 4,55 мм, что сопровождается снижением рабочей полосы от
2,25% до 7,75% (для центральной частоты 5,25 ГГц) при размерах 5,5 Х 5,15 мм и E = 2,2; h = 0,508 [15].
Спаренные щелевые антенны (рис. 14) [16] при общем размере
76 Х 30,3 мм и E = 4,5 обеспечивают полосы 2,393—2,565 и 3,353—3,788 ГГц.
1.2.4. Использование фрактальных топологий антенн
Фрактальная структура может стоиться двумя путями — усложнением конту- ра фигуры или введением вырезов в площади фигуры, c уменьшением масш- табов изменения на каждой итерации. В работах [17, 18] рассмотрены общие принципы построения фрактальных структур для антенн. В обзоре, посвя- щенном фрактальным антеннам [19], в частности, указано, что применение фрактальных топологий обеспечивает малую площадь, многополосность ан- тенны. Ниже рассматриваются реализации антенн диапазона 5 ГГц и менее с фрактальной топологией.
Трехслойная антенна — антенна с монополем размером 54 Х 54 мм, кото- рый имеет отверстия фракталы-Sierpinski (рис. 15), рассмотрена в работе [20].
Рассмотрен также вариант структуры с тремя разделенными диэлектриком проводящими квадратами поверх моно- поля, совпадающими по размерам с из- лучателем-монополем. Частотная зави- симость S11 имеет у обеих антенн ряд недопустимо узких рабочих частотных полос. Таким образом, не всякое применение фрактала приводит к повышению характеристик антенны. В данном слу- чае структура поля обычного монополя не изменилась качественно при введе- нии отверстий согласно рис. 15, однако они породили новые резонансы.
Для фрактала Sierpinski, применен- ного к треугольному монополю [21] (рис. 16), получен ряд рабочих полос 0,62 ГГц — 7,5%; 1,74 ГГц — 9,04%;
3,51 ГГц — 20,5%; 6,95 ГГц — 22%; 13,89 ГГц — 25% при размере излучателя
88,9 Х 88,9 мм и h = 1,588 мм и E = 2,5.
Монополь меньшей итерации фрак- тала (рис. 17) при размерах 66 Х 66 мм обеспечивает рабочие полосы 2,4—2,5, 5,725—5,825 ГГц [22].
В работе [23] исследована антенна с монополем и отверстием в земляном проводнике, граница которого модифи- цирована как Koch-фрактал (рис. 18). Проведено сравнение антенн с различ- ной итерацией фрактала. Найдено, что итерация фрактала должна быть опти- мальной для достижения максимальной полосы. В оптимальной антенне два перекрывающихся частотных резонанса обеспечивают непрерывную по- лосу 62,3% с центральной частотой
2,465 ГГц. Размер антенны — 70 Х Х 70 мм, размер отверстия с фрактальными краями — примерно 30 Х 30 мм, E = 4,1; h = 1,5 мм.
Подобным образом для модификации края отверстия в земляном проводнике применен Koch-фрактал иного вида при более сложном монополе (рис. 19) [24]. Получены широкие рабочие полосы 2,85—4,65 и 6,4—12 ГГц. Раз-мер антенны — 28 Х 24 мм — меньший из рассмотренных ранее антенн, что указывает на эффективность применения фрактальной топологии. Использована подложка E = 2,65; h = 1 мм.
Вариант выполнения границы земляного проводника в форме фрактала (рис. 20) описан в работе [25]. Проведено моделирование характеристик для материалов с E от 2,2 до 10,2. Признано оптимальным E = 4,4: при размерах 33,5 Х 28,5 мм измерения показали полосу 2,33—6,1 ГГц.
Фрактальная структура использована в топологии монополя, приведенного на рис. 21 [26]. Получены рабочие полосы — 50% для 1,14 ГГц, 19,5% для 4,25 ГГц,
15% для 7,6 ГГц при E = 4,3; h = 1,53 мм.
Вибратор, выполненный как фрактал Минковского второй итерации, описан в работе [27] (рис. 22). Получены полосы 2,30—2,48, 3,3—3,7 и 4,9—6,0 ГГц при об- щем размере 35 Х 30 мм, размере монополя — 21,5 Х 18 мм, E = 3,35; h = 0,813 мм.
1.2.5. Заключение
Минимальные размеры антенн обеспечены оптимизацией топологии и точек заземления сигнальных проводников. В такой компактной топологии теряется деление элементов на общепринятые шлейф, вибратор, чему является примером антенна, приведенная на рис. 11. Фрактальные топологии не яв- ляются для антенн данного типа радикальным средством снижения разме- ров.
Примеры реализации показывают, что фрактальные топологии не обес- печивают существенного снижения объема для антенн данного класса.
Литература
1. Мальцев П.П., Матвеенко О.В., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Федоров Ю.В. Обзор реализаций планарных встроенных антенн диапазона 5 ГГц с излучателем монополем// Нано- и микросистемная техника. 2011. № 9. С. 34—43.
2. Ting-Ming Hsueh, Heng-Tung Hsu, Hsi-Tseng Chou, Kwo-Lun Hung. Dual Band Omni-Directi- onal Planar Antenna for WiMAX Applications // Proc. of Antennas and Propagation Society Inter- national Symposium, 2008. IEEE, 2008. P. 1—4.
3. Wen-Shan Chen, Shih-Hung Cheng. Characteristics of a Planar Dipole Antenna with a Parasi- tic Element // Proc. of Antennas and Propagation Society International Symposium, 2009 (APSURSI ’09) IEEE, 2009. P. 1—4.
4. Kuramoto A. Wideband Antenna Using Unsymmetrical Planar Elements and Performance // Proc. of Antennas and Propagation Society International Symposium, 2007. IEEE, 2007. P. 5111—5114.
5. Tawk, Y., Kabalan K. Y., El-Hajj A., Christodoulou C. G., Costantine J. A Simple Multiband Printed Bowtie Antenna // IEEE. Antennas and Wireless Propagation Letters. 2008. Vol. 7. P. 557—560.
6. Kuo-Yung Chiu, Jen-Yea Jan, Hua-Ming Chen. Broadband Printed Dipole Antenna with a Pair of Sleeves for 2-6 GHz/WiMAX Application // Antennas and Propagation Society International Symposium, 2009. (APSURSI’09). IEEE, 2009. P. 1—4.
7. Pengfei Wu, Zhenqi Kuai, Xiaowei Zhu. Multiband Antennas Comprising Multiple Frame-Printed Dipoles // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. Vol. 57, N 10. Part. 2. P. 3313—3316.
8. Li R., Wu T., Tentzeris M. A Dual-Band Unidirectional Coplanar Antenna for 2.4-5-GHz Wire- lessApplications // Proc. of Microwave Conference, 2008. APMC 2008. Asia-Pacific, 2008. P. 1—4.
9. Nagatoshi, M., Yamano, T., Morishita, H. Broadband characteristics of Planar Folded Dipole An- tenna with a Feed Line // Proc. of European Conference on Antennas and Propagation, 2009 (EuCAP 2009). 2009. P. 2807—2810.
10. Hsiao F.R., Wong K.L. Omnidirectional Planar Folded Dipole Antenna // IEEE Transactions on
Antennas and Propagation. 2004. Vol. 52, N 7. P. 1898—1902.
11. Li Z., Zhang X., Guo Q., Wang J. A Quasi-Yagi Microstrip Antenna with Simplified Feeding Structure // Proc. of 9th International Symposium on Antennas Propagation and EM Theory (ISAPE), 2010. P. 860—863.
12. Patent USA 2010/0231477A1. Small- size wide band antenna and radio communication device / Kuramoto A., Mochizuki T. Опубл. 16.09.2010.
13. Laila, D., Deepu, V., Sujith, R., Mohanan, P., Anandan, C.K., Vasudevan, K. Asymmetric Copla- nar Strip Fed Wide Band Antenna // International Conference on recent Advances in Microwave Theory and Applications, 2008 (MICROWAVE 2008). P. 372—373.
14. Shams K.M.Z., Ali M. A CPW- fed Inductively Coupled Modified Bow-Tie\ Slot Antenna // An- tennas and Propagation Society International Symposium. 2005 IEEE. 2005. Vol. 3B. P. 365—368.
15. Wi S.H,, Kim J.M., Yoo T.H., Lee H.J.; Park J.Y., Yook J.G., Park H.K. Bow-tie-shaped Mean- der Slot Antenna for 5 GHz Application // Antennas and Propagation Society International Sym- posium. 2002 IEEE. 2002. Vol. 2. P. 456—459.
16. Cheng-Feng Hou, Chien-Chang Huang. Dual-Band Bow-Tie Slot Antenna Fed by CPW for WiFi/WiMAX System Applications // Antennas and Propagation Society International Symposi- um, 2007 IEEE. 2007. P. 984—987.
17. Слюсар.В. Фрактальные антенны. Принципиально новый тип «ломаных» антенн. Ч. 2 // Электpоника: наука, технология, бизнес. 2007. № 6. С. 82—89.
18. Слюсар.В. Фрактальные антенны. Принципиально новый тип «ломаных» антенн. Ч. 2 // Электpоника: наука, технология, бизнес. 2007. № 6. С. 82—89.
19. Werner D. H., Ganguly S. An Overview’ of Fractal Antenna Engineering Research // IEEE Anten- nas and Propagation Magazine. February 2003. Vol. 45, N I. P. 38—57.
20. Ban-Leong Ooi. A Modified Contour Integral Analysis for Sierpinski Fractal Carpet Antennas With and Without Electromagnetic Band Gap Ground Plane // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2004. Vol. 52, N 5. P. 1286—1293.
21. Puente-Baliarda C., Romeu J., Pous R., Cardama A. On the Behavior of the Sierpinski Multiband
Fractal Antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1998. Vol. 46, N 4. P. 517— 524.
22. Krzysztofik W.J. Modified Sierpinski Fractal Monopole for ISM-Bands Handset Applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. Vol. 57, N 3. P. 606—615.
23. Wen-Ling Chen, Guang-Ming Wang, Chen-Xin Zhang. Bandwidth Enhancement of a Microst- rip-Line-Fed Printed Wide-Slot Antenna With a Fractal-Shaped Slot // IEEE Transactions on An- tennas and Propagation. 2009. Vol. 57, N 7. P. 2176—2179.
24. Lui W. J., Cheng C. H., Zhu H. B. Compact Frequency Notched Ultra-Wideband Fractal Printed Slot Antenna // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2006. Vol. 16, N 4. P. 224—226.
25. Krishna D.D., Gopikrishna M., Anandan C. K., Mohanan P., Vasudevan K. CPW-Fed Koch Fractal Slot Antenna for WLAN/WiMAX Applications // IEEE Antennas and Wireless Propagati- on Letters. 2008. Vol. 7. P. 389—392.
26. Tiwari A., Kumar R. On the Design of CPW-fed Appollian Gasket Fractal Antenna // Progress In
Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Moscow, Russia. 2009 August 18. P. 423— 426.
27. Luo O., Salgado H.M., Pereira J. R. Fractal Monopole Antenna Design Using Minkowski Island Geometry // Antennas and Propagation Society International Symposium, 2009 (APSURSI ’09). IEEE. 2009. P. 1—4.
1.3. Обзор реализаций встроенных антенн диапазона 5 ГГц с излучателем-монопол
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В.
1.3.1. Введение
Развитие коммерческих систем беспроводной персональной связи стимули- ровало интенсивные исследования в области планарных антенн S, L диапа- зонов, для которых важны минимальные размеры, согласование в требуемых полосах и требуемый вид диаграммы направленности (ДН) при массовой технологии изготовления антенны. Портативное устройство (и его антенна) должно функционировать в нескольких диапазонах. Ниже подробно описано развитие встроенных антенн диапазона 5 ГГц с излучателем-монополем для следующих диапазонов:
• WLAN/WiMax wireless applications 2,4/3,5/5 ГГц в основном 2,4, 5 ГГц
(WLAN bands (2,4—2,48 ГГц, and IEEE802.11a WLAN applications: 5,15—
5,35 and 5,725—5,825 ГГц);
• UWB сверхширокополосные радиосистемы (3,1—10,6 ГГц);
• беспроводная связь LAN 5,15—5,825 ГГц (IEEE 802.11a);
• Fixed Broad Wideband Access (FBWA) 3,5 ГГц.
Таким образом, рабочий диапазон планарной антенны системы беспро- водной связи помимо диапазона в области 5 ГГц имеет одну или более полос на более низких частотах.
Антенны типа Printed inverted-F antenna (PIFA), применимые в указан- ных полосах, рассмотрены в обзоре [1].
Принято, что достаточным согласованием входа антенны является уровень коэффициента отражения S11 менее 10 дБ (или КСВ менее 2) в 50- омном тракте. Так как алгоритмы оптимизации параметров излучателей про- извольной конфигурации недостаточно эффективны, разработка встроенной антенны состоит из подбора требуемой конструкции (топологии при планар- ной реализации) с численным электродинамическим расчетом диаграммы направленности и коэффициента отражения входа в 50-омном тракте для каждой конструкции. Постоянным требованием для встроенных антенн являются минимальные размеры, так как антенны предназначены для малога- баритных портативных устройств. Хотя возможно введение согласующей цепи на входе антенны, такой путь улучшения согласования не применяется, так как требуются минимальные площадь (габаритные размеры) излучателя. Далее под размерами антенны указываются размеры подложки, на которой выполнена описываемая антенна.
Встроенные антенны целесообразно классифицировать по числу диапа- зонов, по типу излучателя (монополь, симметричный и несимметричный вибраторы, петлевой вибратор, щелевой излучатель), по виду и степени на- правленности диаграммы направленности.
Так как планарные встроенные антенны реализуются, как правило, на основе диэлектрика с металлизацией обеих сторон (созданием проводников стороны излучателя и со стороны узла земляного проводника на обратной стороне), для них термин «двухслойный» в описании опускается.
1.3.2. Развитие встроенных антенн на основе монополя
Монополем называется проводник, к которому подводится СВЧ-сигнал для излучении (monopol, также более общий термин — patch). Монополь просто реализуется из пластины диэлектрика, металлизированного с обеих сторон. Между монополем и земляным проводником антенны имеется электромагнитная связь, которая, по сути, замыкает монополь и земляной проводник в излучающий контур сложной формы. К излучателям — монополям — целесообразно отнести излучатели из нескольких емкостно связанных проводни- ков. Антенна на основе планарного монополя имеет форму диаграммы на- правленности (ДН), близкую к тороидальной (omnidirectional) в Е-плоскости и равномерную в Н-плоскости, а также линейную поляризацию. Размер ан- тенного устройства может быть оценен как размерами земляного проводника, так и размерами монополя. В последнем случае следует учитывать, что по мере снижения размеров земляного проводника возрастает рассогласование и меняется ДН.
В диапазоне до 5,8 ГГц монопольная антенна является самым применяе- мым типом антенны. Предложено большое число вариантов модификации топологии, направленных на обеспечение согласования и уменьшения габа- ритных размеров. Планарные антенны, работающие на меньших частотах, представляют интерес, так в данном случае остро стоит проблема уменьше- ния размеров, что важно для рассматриваемого диапазона.
Важность уменьшения размеров стимулировала исследования по моди- фикации простейшего монополя (прямоугольного или круглого). В работе [2] в монополь введены щели, топология которых оптимизируется для достижения требуемой полосы (рис. 1). Получена полоса 2,5—2,69 ГГц при экономии площади 37,14%. Размер монополя 28,3 Х 24,3 мм при е = 4,34; h = 1,5 мм (толщина диэлектрика).
Для диапазона 5,15—5,35 ГГц предложено обычный круглый монополь вырезами преобразовать в N-образный, подвод сигнала производить в оптимальной точке, ввести второй слой диэлектрика или воздушную прослойку между основным (верхним) диэлектриком и проводящим земляным слоем (рис. 2) [3]. Получена экономия площади более 60% при увеличении ширины рабочей полосы для е1 = 2,2; h1 = 1,575 (нижний слой диэлектрика е2 = 1; h2 = 3,2 мм).
Компактная антенна на основе Е-образного монополя с подводом сигнала вертикальным фидером в оптимальной точке (рис. 3) обеспечивает полосу 5,15—5,95 ГГц при размерах монополя 32 Х 23,1 мм при h = 3,5 мм [4, 5].
В работе [5] описана модификация данный антенны с микрополосковым подводом (рис. 4), которая обеспечивает полосу 5,03—6,12 Гц при размерах монополя 33,2 Х 22,2 мм и h = 2,5 мм. Прирост полосы связан с тем, что излучатель выполнен в третьем слое выше микрополосковой подводящей линии, что обеспечивает согласование в большей полосе частот.
Монополь U-образного вида (рис. 5), излучающий через отверстие в верхнем проводнике, обеспечивает полосу 1,85—6,1 ГГц [6] при форме ДН, близкой к кардиоидной, размер окна в экране L Х W = 47 Х 32 мм, е = 2,2; h = 1,57 мм. Далее топология земляного проводника выделяется жирными линиями, обозначающими контур, или штриховкой.
Модификация монополя в виде разрезанного кольца (рис. 6) описана в [7]. При размерах излучателя 29 Х 22 мм и е = 3,0; h = 0,508 мм обеспечены WLAN полосы 2,4—2,6 и 5,0—6,3 ГГц.
Несимметричный монополь (рис. 7) обеспечивает полосы 17,5% для 2,575 ГГц и 18,5% для 5,4 ГГц при размерах монополя (за пределами земляного проводника) 38 Х 15 мм, е = 4,34; h = 1,5 мм [8].
Антенна из двух совмещенных монополей для 2 и 5 ГГц (рис. 8) при размерах излучателя 23 Х 10 мм обеспечивает полосы 32% (1,68—2,32 ГГц) и 15% (4,95—5,8 ГГц) при е = 2,2; h = 0,254 мм [9].
Монополь в виде компактного вибратора использован в антенне [10]. Земляной проводник продолжается на части длины вибратора (рис. 9). Получены рабочие полосы частот 10% (2,33—2,5 ГГц) и 28% для (5,25—7 ГГц) при весьма малых раз- мерах 31,3 Х 8 Х 1,6 мм, е = 4,2; h = 1,6 мм.
Для обеспечения требуемых характеристик создается электродинамическая связь монополя сложной формы, резонаторов на обратной стороне и земляного шлейфа (рис. 10) [11]. Полосы частот 2,38—2,60 и 5,13—5,73 ГГц. Размеры
20 Х 20 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм.
Введение полосковых и щелевых шлейфов в антенну с прямоугольным монополем обеспечивает поло-су 2,12—6,58 ГГц при размерах 40 Х 39 мм (рис. 11), е = 4,4; h = 1,6 мм [12].
Полосы 2,6, 3,5, 5,5 ГГц шириной 8,5, 41,5, 25,3% обеспечиваются антенной на основе монополя в виде шлейфов (рис. 12) при площади
30 Х 25 мм, е = 4,7; h = 0,8 мм [13].
S-образный монополь с полосами 2,4 и 5,2/5,8 ГГц с малыми размерами излучателя 13,5 Х 8,5 мм, е = 4,34; h = 1,5 мм описан в работе [14] (рис. 13).
Монополь в совокупности с вырезами в земляном проводнике (рис. 14) обеспечивает две полосы: 2,68—3,28; 4,74—9,58 ГГц при размерах 28,3 Х Х 24 мм, е = 4,34; h = 1,59 мм [15].
Антенна, образованная емкостно связанными резонаторами в земляном слое металлизации и возбуждающим полоском (рис. 15), обеспечивает три полосы: 2,29—2,41, 3,29—3,4, 5,28—5,9 ГГц [16].
Монополь, образующий два контура (рис. 16) размером 54 Х 52 мм, е =
= 2,2; h = 0,254 мм, обеспечивает рабочие полосы 30% для 1 ГГц, 50% для
2 ГГц и 40% для 5 ГГц [17].
Антенна с Г-образным монополем, емкостно связанным с земляным шлейфом (рис. 17), при размерах излучателя 12,5 Х 8 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм обеспечивает полосы 2,313—2,5; 3,93—6773 ГГц [18].
Необходимо отметить антенну для полос 1,9—2,2 и 2,5—2,8 ГГц (рис. 18), монополь которой выполнен в виде двух шлейфов. Ее особенность — малые размеры излучателя, его длина без подводящей линии всего 19,1 мм при е = 3,48; h = 1,524 мм [19].
Излучатель с весьма малыми размерами с монополем в виде изогнутой линии (рис. 19) описан в работе [20]. При размерах излучателя 18 Х 11 мм, е = 2,2; h = 0,254 мм получены рабочие полосы 40% для 2 ГГц и 10% для 5,8 ГГц.
Построение излучателя в виде линии рассмотрено в работе [21], исследующей монополь, построенный из двух отрезков линий (рис. 20), обеспечивающий полосы 2,22—2,55, 4,66—6,32 ГГц при размерах излучателя 12 Х 7 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм. Приведено сравнение размеров, близких по топологии антенн.
В работе [22] показано, что Н-образный монополь обеспечивает умень- шение площади излучателя на 50% относительно прямоугольного.
В работе [23] описаны раздель- ные антенны диапазонов 2,4 и 5 ГГц (рис. 21). Размер первого излуча- теля — 12 Х 9,5 мм, второго — 35 Х Х 12 мм при е = 4,4; h = 0,8 мм. Антенны разнесены на значительное расстояние, что увеличивает разме- ры устройства.
Многочисленные варианты топологии монополей защищены многочисленными патентами. Форма и раз-меры проводников оптимизируются для достижения прежде всего мини- мального отражения в требуемой по- лосе. В ряде патентов защищены раз- личные варианты топологий антенн с монополями: рис. 22, а — [24], рис. 22, б, в [25], рис. 22, г — [26], рис. 22, д — [27], рис. 22, е — [28].
В ряде патентов защищаются топологии излучателей и размеры, например для простого монопольного излучателя (рис. 23) [29].
В патентах [30—33] защищены топологии и размеры излучателей более сложного вида (рис. 24).
Антенны с оптимизированной топологией земляного проводника описа- ны в патенте [34] (рис. 25). Структура вида рис. 25, б образована симметрич- ной линией с центральным проводником-излучателем и двумя земляными проводниками, соединенными межслойными переходами.
Компактный изогнутый монополь на основе шлейфа защищается в па- тенте [35] (рис. 26).
В патенте [36] защищается схема согласования излучателя монополя и чипа — источника сигнала (рис. 27). Существенным является подвод сигнала к монополю в двух точках.
Оптимизация размеров топологии является неотъемлемым этапом разра- ботки планарной антенны. В работе [37] описаны результаты машинного моделиро- вания антенны, в которой копланарный ввод подает сигнал на монополь через зазор (рис. 28). Обеспечена одна полоса 5,16—5,34 ГГц при КСВ < 2. Размер 18,8 Х 12,3 мм, е = 2,2.
Короткий отрезок копланарной линии с оптимальными размерами, размешенный на противоположной подводящему микропо- лоску, показанный на рис. 29, образует ан- тенну с рабочими частотами 2,19—2,52 и 4,84—6,07 ГГц [38]. Размер антенны 24,1 Х Х 9 мм, е = 4,7; h = 1,6 мм.
Оптимизированный вариант простого по форме монополя размером
12 Х 6 мм с копланарным подводом сигнала (рис. 30) обеспечивает по- лосы 15% для 2,4 ГГц и 41,4% для 5,8 ГГц при е = 4,4; h = 1,6 мм [39].
1.3.3. Выводы
Планарные антенны на основе монополя разработаны во множестве вариантов. В данном обзоре рас- смотрены характерные примеры, не претендующие на полноту. Важнейшими критериями являются минимальные размеры и согласование в требуемой полосе. Так как рассмотренные антенны применяются в беспроводных каналах связи персональных устройств, в которых антенна располагается произвольным образом, при допустимости ДН, обеспечиваемой монополем, требования к форме ДН не являются приоритетными. Достигнутые размеры, оцениваемые по габаритным размерам излучателя, близки к минимальному значению, реализованному в значительном числе топологий (например, 12,5 Х 8 мм [18]). Для дальнейшего снижения размеров антенны применяются объемные и многослойные структуры, фрактальные топологии, метаматериалы (metamaterial), частотно-селективные слои (frequency selective surface (FSS)), являющиеся предметом интенсивных исследований.
Литература
1. Слюсар В. Антенны PIFA для мобильных средств связи. Многообразие конструкций // Электроника НТБ. 2007. №1. C. 64—74.
2. Tlili B. Design of double C-slot microstrip patch antenna for WiMax application// Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI). 2010 IEEE. 2010. P. 1—4.
3. Moustafa A., Abdallah E.A., Hashish E.A. Novel Compact Circular N-Shaped Patch Antenna for 5.2 GHz // Radio and Wireless Symposium, 2008 IEEE. 2008. P. 727—730.
4. Ge Y., Esselle1 K.P., Bird T.S. Antennas for 5-6 ghz wireless communication systems // Multime- dia Systems and Applications, 2006. Volume 27. Signal Processing for Telecommunications and Multimedia, Part 3. P. 269—280.
5. Ge Y., Esselle K.P., Bird T.S. E-Shaped Patch Antennas for High-Speed Wireless Networks // IEEE. Transactions on Antennas and Propagation. 2004. Vol. 52. N 12, P. 3213—3219.
6. Rao Q., Denidni T.A. Ultra-Wideband and Uni-Directional Radiation Slot Antenna for Mul- ti-Band Wireless Communication Applications // Wireless Personal Communications. 2007. Vol. 41. N 4. P. 507—516.
7. Mehdipour A.; Sebak A.R.; Trueman C.W. Compact Microstrip-Fed Antenna for 2.4/3.5/5.2/
5.8 GHz Wireless Communication Systems // Antennas and Propagation Society International Symposium. 2009. APSURSI ’09. IEEE; 2009. P. 1—4.
8. Sun J., Feng Z. A Novel Compact Dual-band Printed Monopole Antenna // International Works- hop on Antenna Technology: Small and Smart Antennas Metamaterials and Applications. 2007. IWAT ’07. 2007. P. 139—142.
9. Li R., Pan B., Laskar J., Tentzeris M.M. Novel Low-Profile Broadband Dual-Frequency Planar Antenna for Wireless Handsets // IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION. 2008. Vol. 56. NO. 4. P. 1155—1162.
10. Khaleghi A. Dual Band Meander Line Antenna for Wireless LAN Communication // IEEE Tran- sactions on Antennas and Propagation. 2007. Vol. 55. Is. 3. Part: 2. P. 1004—1009.
11. Wang C.J., Lee J.J., Huang R.B. Experimental Studies of a Miniaturized CPW-Fed Slot Antenna With the Dual-Frequency Operation // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2003. Vol. 2. P. 151—154.
12. Jou C.F., Wu J.W., Wang C.J. Novel Broadband Monopole Antennas With Dual-Band Circular Po- larization // IEEE Transactions on Antennas AND Propagation. 2009. Vol. 57. N 4. P. 1027—1034.
13. Lu J. H., Chou W. C. Planar Dual U-Shaped Monopole Antenna With Multiband Operation for
IEEE 802.16e // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2010. Vol. 9. P. 1006—1009.
14. Tsai C.C., Hsia W.C., Huang C.Y. S-shaped Monopole Antenna for Dual-band WLAN Applicati- ons // Microwave Conference. 2007. APMC 2007. Asia-Pacific. 11-14 Dec. 2007. P. 1—3.
15. Antoniades M.A., Eleftheriades G.V. A Compact Multiband Monopole Antenna With a Defected
Ground Plane // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2008. Vol. 7. P. 652—655.
16. Zulkifli F.Y., Halim H., Rahardjo E.T. A Compact Multiband Microstrip Antenna using U and S Slots// Antennas and Propagation Society International Symposium, 2008. AP-S 2008. IEEE. 2008. P. 1—4.
17. Li R., Dejean G., Tentzeris M.M., Laskar J. Development of Multi-Broadband Planar Wire Anten- nas for Wireless Applications // Wireless Personal Communications. 2007. Vol. 42. N 1. P. 1—11.
18. Jan J.J., Tseng L.C. Small Planar Monopole Antenna With a Shorted Parasitic Inverted-L Wire for Wireless Communications in the 2.4-, 5.2-, and 5.8-GHz Bands // IEEE Transactions on Anten- nas and Propagation, 2004. Vol. 52. N 7. P. 1903—1905.
19. Lin S., Wang G., Pan K., Ge X., Yang Y. A Novel Dual-Frequency Monopole Antenna for WCDMA and 2.5 GHz Extension Band // 2010 International Conference on Microwave and Mil- limeter Wave Technology (ICMMT). 2010. P. 362—365.
20. Pan B., Li R., Papapolymerou J., Tentzeris M.M., Laskar J. Low-Profile Broadband and Du- al-Frequency Two-Strip Planar Monopole Antennas // Proc. of 2006 IEEE-AP Symposium, Albu- querque, NM, July 2006. P. 2665—2668.
21. Zhong S.S., Zhang L.N., Liang X.L. Compact Tri-Band Printed Monopole Antenna// Internatio- nal Workshop on Antenna Technology: Small and Smart Antennas Metamaterials and Applicati- ons, 2007. IWAT ‘07. 2007. P. 271—274.
22. Kumar R., Malathi P., Ganesh G. On the Miniaturization of Printed Rectangular Microstrip An- tenna for Wireless Applications// Microwave and Optoelectronics Conference, 2007. IMOC 2007. SBMO/IEEE MTT-S International. 2007. P. 334—336.
23. Su S.W., Chou J.H. Hybrid of Monopole and Dipole Antennas for Concurrent 2.4- and 5-GHz WLAN Access Point // 3rd European Conference on Antennas and Propagation, 2009. EuCAP 2009; 2009. P. 545—548.
24. Patent CN CN201025630Y. Wide frequency band small printing antenna / WENXUN ZHANG DA MA. Опубл. 20. 02. 2008.
25. Patent USA US2005156788A1. Ultra wideband planar printed volcano antenna / Ding-Fu Lin. Опубл. 21.07. 2005.
26. Patent USA US2005280580A1. Ultra wideband planar monopole trapezoidal antenna / Ding-Fu Lin. Опубл. 22.12. 2005.
27. Patent KR KR20090055927A. A non-dispersive UWB antenna apparatus using the multi-resonance / PARK JONG-KWEON, CHOI SAN-SUNG, PARK KWANG-ROH. Опубл. 07. 09. 2009.
28. Patent USA US20040017315A1. Dual-band antenna apparatus/ Shyh-Tirng Fang, Hao-Chun Tung, Kin-Lu Wong. Опубл. 29.01. 2004.
29. Patent USA US5828340A. Wideband sub- wavelength antenna / J.M.Jonson. Опубл. 27.10. 1998.
30. European Patent EP1552079A1. Miniaturized ultra-wideband microstrip antenna / Myoung So- ung-ho et all. Опубл. 06.07.2005.
31. Patent USA US20080094284A1 / Antenna with coupling feeding/ Chia-Hao Mei. Опубл. 24.04.2008.
32. Patent USA US2008258989A1. Slot-loaded microstrip antenna and related methods / Qinjiang Rao et all. Опубл. 23.10. 2008.
33. Patent USA US20060103577A1. Ultra wideband internal antenna / Jae Chan Lee. Опубл. 18.05.2006.
34. Patent GB GB2439110A. Printed ultra-wideband antenna with reduced aperture clutter / Lye Whatt Chua. Опубл. 19.12.2007.
35. WO200784080A1. Antennas / Zhang Y.P. Опубл. 26.07.2007.
36. European patent EP510798А1. Oscillating apparatus / Shiga Nobuo. Опубл. 28.10. 1992.
37. Shanmuganantham T., Raghavan S. Analysis and Design of Compact Coplanar Waveguide Fed Slot // International Conference on Recent Advances in Microwave Theory and Applications, 2008. MICROWAVE 21-24 Nov. 2008; 2008. P. 26—28.
38. Rohith K. Raj, Manoj Joseph, Aanandan C. K., Vasudevan K., Mohanan P. A New Compact Microstrip-Fed Dual-Band Coplanar Antenna for WLAN Applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. Vol. 54. N. 12, P. 3755—3762.
39. Han G., Wang W., Tingting An, Zhang W. Compact Dual-Band CPW-Fed Antenna // Internatio- nal Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, 2008. ICMMT 2008; 2008. Vol. 1. P. 395—397.
1.4. Интегрированные антенны на наногетероструктурах арсенида галлия
Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Галиев Р.Р.
PHEMT структуры с псевдоморфно напряженной квантовой ямой (КЯ) типа AlGaAs/InGaAs/GaAs обладают большей подвижностью ue и большей концентрацией nS двумерного электронного газа, а также более конструктивно сложные и продуманные в отличии от традиционных структур типа n-GaAs/i-GaAs или n-AlGaAs/GaAs и широко применяются в устройствах СВЧ-техники. Концентрация и подвижность электронов определяют ток стока тран-зистора, а толщина широкозонного барьера (расстояние от КЯ до поверхно-сти или затвора транзистора) определяет крутизну транзистора.
После проведенных исследований и оптимизации по толщине барьерного слоя AlxGa1xAs, уровню легирования 8-Si слоя, составу и ширине канала
InyGa1yAs, нами была выращена приборная гетероструктура, поперечное сечение и параметры которой представлены ниже.
n+-GaAs (Si) (6 Х 1018 см3) 43,0 нм
i-Al0.24Ga0.76As 17,0 нм
8-Si
i-Al0.24Ga0.76As спейсер 5,2 нм
i-In0.19Ga0.81As 11,5 нм
i-GaAs буфер 2 0,35 мкм
AlGaAs/GaAs сверхрешетка 26,0 нм
i-GaAs буфер 1 41,0 нм
GaAs substrate (100)
Электрофизические параметры полученной гетероструктуры:
• при Т = 300 К — подвижность ue = 8480 см2/В•с, концентрация nS =
= 1,29•1012 см2:
• при Т = 77 К — подвижность ue = 27900 см2/В•с концентрация nS =
= 1,28•1012 см2.
Нашей задачей являлась разработка активных антенн для диапазонов ча- стот 5 ГГц и 10—12 ГГц. От формы и размеров излучателя антенны зависит диаграмма напpавленности, коэффициент стоячей волны (КСВ) и диапазон пpинимаемых частот. Длина излучателя обpатно пpопоpциональна pезонансной частоте и коpню квадpатному из диэлектpической пpоницаемости [1]. Таким образом, высокая диэлектрическая проницаемость материала позво- ляет уменьшить размеры кристаллов со встроенными антеннами. Мы оста- новили свой выбор на PHEMT-структурах, т.к. их использование открывает возможность изготавливать интегрированную антенну со встроенным малошумящим усилителем компактных размеров.
Конструкция антенны выбиралась среди решений с возможностью пла- нарной реализации. Мы остановились на антеннах двух типов: антенны типа Вивальди и прямоугольной микрополосковой антенны, каждый тип в двух вариантах: для диапазона 5 ГГц и 10—12 ГГц. Для того чтобы антенный эле- мент с наибольшей эффективностью передавал падающую электромагнитную волну на усилитель, импедансы антенны и усилителя должны быть ком- плексно сопряженными. Чтобы не включать отдельную согласующую цепь, мы подбирали импеданс антенны под импеданс усилителя, изменяя пара- метры микрополосковой линии.
Электромагнитный расчет ожидаемых СВЧ-параметров малошумящего усилителя (МШУ) выполняется в САПP ADS (Advanced Design System) с по- мощью метода Momentum. Для расчета антенных элементов использовался метод расчета FEM (Finite Element Method). Расчетные характеристики МШУ: коэффициент усиления ~ 18—24 дБ; коэффициент шума менее 1 дБ; КСВ по входу и по выходу < 2 дБ.
Размеры кристаллов антенных элементов с МШУ составили 6,4 Х 10,1 мм (антенна типа Вивальди) и 6,4 Х 5,4 мм (прямоугольная антенна) для диапазо- на частот 5 ГГц (рис. 1). Кристаллы для диапазона 10—12 ГГц имеют более компактные размеры: 1,89 Х 6,77 мм (антенна типа Вивальди) и 6,4 Х 9,4 мм (прямоугольная антенна) [2—4]. Тол-
щина подложки GaAs: 0,6 мм. Потери отражения антенных элементов типа Вивальди: от 20 до 35 дБ в ди- апазоне 10—12 ГГц и 17 дБ для
5 ГГц; для прямоугольных антенных элементов: от 10 до 15 дБ в диапа- зоне 10—12 ГГц и 15 дБ для 5 ГГц. Максимальная интенсивность излучения антенных элементов: 0,036 Вт/стер. Максимальное усиление: 0,93.
На данный момент нам удалось измерить характеристики одного антенного элемента: прямоугольного для 5 ГГц. Коэффициент отражения составил около 13 дБ на частоте
5,5 ГГц. Диаграмма направленности представлена на рис. 2.
Литература
1. John Dr., Volakis L. Antenna engineering handbook. New York: The McGraw-Hill Companies, 2007.
2. Мальцев П.П., Федоров Ю.Ф., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л. Топология ИМС «Интеграль- ный антенный элемент со встроенным малошумящим усилителем для диапазона 5 ГГц», ре- гистрационное свидетельство №2011630058 от 05.05.2011 г.
3. Мальцев П.П., Федоров Ю.Ф., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л. Топология ИМС «Интеграль- ный антенный элемент со встроенным малошумящим усилителем для диапазона 10—12 ГГц», регистрационное свидетельство №2011630059 от 05.05.2011 г.
4. Федоров Ю.Ф., Гнатюк Д.Л. Топология ИМС «Широкополосный малошумящий усилитель», регистрационное свидетельство №2011630032 от 04.02.2011 г.
1.5. Обзор реализаций планарных антенн Х-диапазона с двумя слоями металлизац
Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л.,
Лисицкий А.П., Фёдоров Ю.В., Бунегина С.Л., Крапухин Д.В.
1.5.1. Введение
Планарные антенны Х-диапазона с двумя слоями металлизации как дешевые и технологичные разрабатываются для следующих систем:
• Ultra-Wideband (UWB)-систем (рабочий диапазон частот не менее 3,1— 10,6 ГГц);
• систем спутникового телевидения.
В данной работе используется терминология обзора [1]. Полоса оценивается по уровню КСВ < 2 или по уровню S11 < 10 дБ.
Особенностями UWB антенн являются:
• необходимость изоляции канала (полосы режекции) в узких полосах непропускания (notch band) в пределах рабочей полосы, что обеспечивается высоким рассогласованием входа антенны на данных частотах;
• равномерное распределение излечения в азимутальной плоскости, т.е. ми- нимальные требования к коэффициенту усиления диаграммы направлен- ности (ДН).
1.5.2. Развитие встроенных антенн на основе монополя
Обзор реализованных планарных антенн на основе монополей, копланарных, вибраторных антенн различных топологий диапазона 12 ГГц приведен в [2, 3].
Поиск оптимальной формы в настоящее время не может быть произве- ден средствами машинного проектирования, поэтому разработчики приме- няют различные эмпирические приемы, породившие значительное число ре- ализаций монополей, из которых рассмотрены наиболее характерные, обеспечивающие UWB-полосу.
Как правило, в антеннах Х-диапазона преднамеренно требуется изолиро- вать диапазон в районе 5,4 ГГц. Характерным примером использования мо-нополя является работа [4]. В ней описан излучатель (рис. 1) с дополнитель- ным шлейфом, соединенным с монополем щелевым резонатором в месте присоединения подводящей линии и монополя, обеспечивающей согласование в полосах 1,4—4,8 и 6—11 ГГц (с одной полосой непропускания). Антенна имеет значительные размеры — 72 Х 66 мм, что связано с обеспечением рабочей полосы до 1,4 ГГц, е = 4,4; h = 1,6 мм.
В работе [5] методами машинно- го моделирования исследована ан- тенна с эллиптическим монополем. Топология (рис. 2) обеспечивает уникальную полосу 2—21 ГГц при габаритах 44 Х 20 мм, е = 4,7; h =1,5 мм.
Антенна, модифицированная па- рами электродинамически связанных щелевых резонаторов для эл- липтического монополя (рис. 3), имеет полосы с высоким отражени- ем (режекций) 3,4—3,69, 5,15—5,825, 8,5—9,5 ГГц.
Более глубокой модификации подвергнут эллиптический монополь в работе [6] (рис. 4). Получена рабочая полоса 2,2—11 ГГц с исключением частот 3,3—3,8 и 5,1—5,85 ГГц при размерах 20 Х 20 мм и е = 4,4; h = 1,0 мм.
В работе [7] описана реализация антенны с оптимизированной формой проводников излучателя и земляного проводника (рис. 5). Экспериментально получено согласование
в полосе 3,2—14 ГГц. Размер антенны 36 Х 30 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм.
Компактные щелевые резонаторы введены в монополь и в земляной проводник (рис. 6) [8]. Достигнуто согласование в полосе 2,75—11,3 ГГц с исключением 3,25—4,20 ГГц и 5,23—6,10 ГГц при размере 35 Х 35 мм и е = 4,4; h = 1,6 мм.
Монополь со щелью вида рис. 7 имеет ра- бочую полосу 3,1—11 ГГц при размерах
23,5 Х 23 мм и е = 3,38; h = 0,508 мм [9].
Планарная антенна может быть выполнена несимметричной (рис. 8) [10]. Получена полоса 3,2—15,54 ГГц с режекцией полосы
4,7—5,8 ГГц при размерах 14,5 Х 14,5 мм и е = 4,6; h = 1,6 мм, что является наилучшим со- отношением полоса/габаритные размеры.
Круговые резонаторы, выполненные на стороне земляного проводника, обеспечивают рабочие полосы 2,8—3,8 и 8,3—10,1 ГГц (рис. 9) [11]. Размеры структуры — 48 Х 40 мм, е = 10,2; h = 0,635 мм.
Пара резонансных колец использована в монополе вида рис. 10 с согла- сованием в виде кольцевых резонаторов на обратной стороне [12]. Полоса — 3,05—23,8 ГГц с полосами режекции 3,4—4,0 и 4,92—6,0 ГГц, размер пласти- ны 30 Х 30 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм.
Обеспечение точной полосы режекции может решаться как самостояте- льная задача для разработанной широкополосной антенны. Так, в работе [13] описана численная оптимизация топологии монополя (рис. 11) с целью устранить прием сигнала в полосе 5,15—5,825 ГГц.
Более сложная топология со сту- пенчатой формой (рис. 12) устраняет полосу 5—5,86 ГГц при рабочей поло- се 2,9—14,5 ГГц [14]. Размеры монополя с подводящей линией (рис.12) — 26 Х 25 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм.
Введение пары щелевых резонан- сов в монополь (рис. 13) устранит две полосы: 3—3,6 и 5—6 ГГц [15].
Широкополосная антенна с эл- липтическим монополем, выполнен- ным несимметрично на стороне земляного проводника и соединенным с подводящей линией через сквозное соединение (рис. 14), обеспечивает полосу 3—11 ГГц без дополнительного согласования при размерах антенны 40 Х 22 мм, е = 2,33; h = 0,508 мм [16].
Эта антенна, дополненная щелями (рис. 15), обеспечивает подавление полосы в окрестности 5,25 ГГц [16].
Подавление полос 5,15—5,96 и 5,27—5,94 ГГц для эллиптического моно- поля (рис. 16) реализовано подстроечными площадками с одной и с двух сторон от подводящей линии [17]. Размер антенны — 40 Х 38 мм, е = 4,5; h =
= 1,0 мм. Полоса составляет 3—11,5 ГГц.
Введение одного или пары резонаторов в U-образный монополь (рис. 17) приводит к подавлению полосы 4,98—6,03 ГГц [18]. Проведено моделирова- ние топологии вида и ее модификаций (рис. 18), обеспечивающих подавление полосы 5—6 ГГц [19].
Вариант монополя, расположенного на границе диэлектрика, обеспечива- ет рабочую полосу 2,97—12,77 ГГц (с подавлением полосы 5,15—5,825 ГГц) (рис. 19) предложен в работе [20]. Достигнуты размеры 28 Х 30 мм при е =
= 3,5; h = 1,52 мм.
В работе [21] описан широкополосный излучатель с монополем круглой формы (рис. 20) с полосой 2,8—10,66 ГГц, размером 25 Х 25 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм. Введение в монополь П-образной щели создает подавление полосы
3,73—6,15 ГГц.
Антенна-монополь с подстройкой шлейфами на земляном проводнике (рис. 21), представлена в [22]. При размрах 30 Х 30 мм, е = 4,4; h = 1,6 мм обеспечена полоса 3,07—10,66 ГГц. Исследована возможность «включения- выключения» полосы режекции 5,01—5,89 ГГц при введении переключаю- щих pin диодов в шлейфы земляного проводника.
В работах [23—26] предложены варианты широкополосных антенн с по- давлением полосы 5,4 ГГц. В работе [27] описан компактный монополь, обеспечивающий размер антенны 17 Х 16 мм при е = 4,4; h = 1,6 мм (рис. 22). Характерно, что две щели обеспечивают одну полосу режекции.
Антенна, показанная на рис. 23, с размерами 30 Х 25 мм, е = 4,4; h =
= 1,5 мм обеспечивает режекцию принимаемого сигнала в двух полосах
4,85—5,35 ГГц и 5,65—6,08 ГГц при общей полосе 3,08—12 GHz [28]. Каждая кольцевая щель обеспечивает одну полосу режекции. Реализованы и иссле- дованы также топологии с одной и с тремя полосами режекции.
Антенна на основе квадратного монополя размером 15 Х 10 мм, е = 4,4; h = 1,0 мм с щелями в обоих проводниках (рис. 24) описана и промоделиро- вана в [29]. Получена полоса 3—13 ГГц с двумя полосами режекции.
Антенна (рис. 25) на основе монополя с фигурными щелями в монополе и земляном проводнике, обеспечивает подавление трех полос 3,3—3,9, 5,2—5,35, 5,8—6,0 ГГц. Размеры антенны — 36 Х 34 мм, е = 2,65; h = 1,0 мм [30].
Для устранения нежелательной полосы может быть примерен фильтр в подводящей линии (рис. 26) [31]. Рабочая полоса 3—11 ГГц при полосе ре- жекции 4,9—5,9 ГГц. Размеры антенны 27 Х 27 мм, е = 3,2; h = 1,52 мм.
Оптимизация топологии в рамках допустимой площади путем введения набора щелей, шлейфов в верхний и нижний проводники может привести к топологии с весьма сложным видом излучателя. В патенте [32] защищает- ся планарная антенна, имеющая монополь с оптимизированными врезами в обоих проводниках (рис. 27). Достигнута полоса 3—10,8 ГГц.
Излучатели подобного вида описаны в [33]. Топология и частотная зави- симость показаны на рис. 28. Важным достоинством данной антенны явля- ется высокая направленность (рис. 29). Полоса 2,93—10,67 ГГц (по уровню КСВ < 2). Размер антенны 30 Х 20 мм, е = 10,2; h = 1,27 мм.
К рассмотренным антеннам на основе моно- поля близки антенны с монополем на стороне копланарной линии (лицевой металлизации).
Такая антенна в самой простой реализации (рис. 30) есть излучатель-моно- поль, который окружен земляным проводником.
Копланарная антенна (рис. 30) имеет рабочие частоты 5,12—12,31 ГГц при размерах 120 Х 100 мм, е = 4,9; h = 0,8 мм [34].
Излучатель может быть выполнен на стороне, обратной подводящей копланарной линии (рис. 31). В этой структуре разрыв входной копланарной линии на обратной стороне металла создает дополнительные резонансы и позволяет получить сравнительно высокий коэффициент усиления ан- тенны (7 дБ на 10 ГГц) при узкопо- лосном согласовании 4% для 10 ГГц [35]. Размеры излучателя 18 Х Х 10,5 мм, е = 2,17; h = 0,508 мм.
Расширения щелей копланарной линии могут образовывать щелевые вибраторы. Симметричные вибраторы на основе данных щелевых резо- наторов представлены на рис. 32 [36]. Получена полоса 7,5—11,3 ГГц. Размеры излучателя 30 Х 12 мм, е =
= 3,38; h = 0,508 мм.