Гигагерцовая фазированная антенная решетка
Антенны с фазированной решеткой играют все более важную роль в системах MIMO, таких как 5G, поскольку они могут обеспечить необходимое динамическое, полностью электронное управление и диаграмму направленности антенны. Однако у них есть характеристика, которая усложняет их физическое и электрическое изготовление — они состоят из множества идентичных дискретных элементов антенн с форм-факторами, которые не поддаются методам массового производства.
В ответ на эту дилемму команда из Принстонского университета разработала и испытала метод создания управляемых электронным способом сборок фазированных антенных решеток гигагерцового диапазона в виде пластины большой площади (LAE). Они применили процессы изготовления, используемые для электронных схем на тонких гибких материалах.
Команда использовала электронные свойства тонкопленочных технологий LAE и включила индуктивно-конденсаторные генераторы, работающие на гигагерцовых частотах, вместе с высокоскоростными самовыравнивающимися тонкопленочными транзисторами (TFT) из оксида цинка. Цепи генератора включают синхронизацию частоты и настройку фазы, которые необходимы для электромагнитных фазированных решеток (рис. 1) .
Рис. 1. Архитектура спроектированной системы с фазированной решеткой, состоящей из линейного массива антенн с разносом λ/2: Каждая антенна приводится в действие локализованным генератором (OSCi), который генерирует синусоидальный сигнал. Дифференциальный опорный сигнал подается на каждый генератор через линию передачи 50 Ом для синхронизации инжекции. Фаза каждого генератора настраивается независимо относительно опорного сигнала.
Исследователи создали 30-сантиметровую линейную решетку из трех соединенных и управляемых антенн (рис. 2). Транзисторы и другие компоненты были изготовлены на стеклянной подложке, но аналогичный процесс можно использовать для создания схем на гибком пластике, что позволяет их разместить на неровных или изогнутых поверхностях.
Рис. 2. Значения D/λ LAE и оптимизация устройства: (а) Сравнение размеров апертуры и частот, достижимых технологиями LAE и Si-CMOS. (b) Схема поперечного сечения LAE ZnO TFT с нижним затвором и SEM (вид сверху) на котором выделяется область канала, самовыравнивающаяся с нижележащим затвором. (c) Увеличенное изображение ZnO TFT, изготовленного на стекле. TFT имеет шесть одинаковых отводов, каждый из которых имеет ширину 25,0 мкм и длину 0,7 мкм. (d) MAG и |H21| значения самовыравнивающегося ZnO TFT в зависимости от частоты. Частоты на пересечениях 0 дБ показывают значения fMAX и fT.
Тестирование системы
Тестовая установка системы состоит из перестраиваемых по фазе генераторов, образующих фазированную решетку, генератора сигналов произвольной формы (AFG), векторного анализатора цепей (VNA), регуляторов напряжения с малым падением напряжения (LDO) и антенны приемника, за которой установлен малошумящий усилитель (рис. 3). Тесты контролируются ПК, который запускает двухпортовое измерение рассеяния в векторном анализаторе цепей, что синхронно запускает AFG для генерации импульса шириной 85 мкс.
Рис. 3. Демонстрация системы: (а) фотография тестовой установки; на вставке показана трехэлементная ФАР. ФАР устанавливалась на вращающееся жесткое основание. Опорный (инжекционно-запирающий) сигнал обеспечивался VNA (все кабели в металлических оплетках, экранирующие электромагнитные помехи, чтобы избежать помех в ближней зоне). Антенна приемника располагалась на расстоянии 3,4 метра в дальней зоне; к его выходу подключен малошумящий усилитель. Измерялась величина излучаемого сигнала от фазированной решетки. (b, c, d и e, соответственно) Измеренная и смоделированная диаграмма направленности в дальней зоне на частоте f0 = 982 МГц, когда луч был направлен на θ = 0°; при f0 = 982 МГц при повороте луча на θ = 15°; при f0 = 982 МГц при повороте луча на θ = –30°; и при f0 = 982 МГц, когда луч был направлен на θ = 30°. В смоделированной диаграмме учитываются изменения фазы и амплитуды, и предполагается, что это идеальные всенаправленные антенны.
Далее, через 10 мкс, AFG дает разрешение регуляторам амплитуды генератора формировать электромагнитный импульс длиной 65 мкс. Генераторы синхронизируются по частоте и настраиваются по фазе относительно сигнала блокировки инжекции посредством 4-битного цифрового кода. Выход усилителя, следующего за антенной приемника, снова подключается к 2-му порту VNA. В результате амплитуда излучаемого сигнала измеряется как параметр S21.
Работа была частично поддержана Центром вычислений, Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) и Принстонской программой в области плазменных наук и технологий. По результатам была опубликована статья в Nature Electronics .
Источник: www.mwrf.com