Miten spoof-pinta plasmon-polaritonit (SSPP) voivat parantaa mikroratkaisujen suunnittelua ja sovelluksia?

Spoof-pinta plasmon-polaritoni (SSPP) on innovatiivinen teknologia, joka tarjoaa merkittäviä etuja verrattuna perinteisiin mikropiiritekniikoihin. Mikroratkaisut, kuten mikroliuskat, ovat perinteisesti olleet suosittuja taajuusalueen signaalinsiirrossa niiden yksinkertaisuuden ja keveyden vuoksi, mutta ne kärsivät rajallisesta kaistanleveydestä, korkeasta häiriöiden tasosta ja suurista siirtotappioista. Tässä kontekstissa SSPP-teknologia tuo esiin ratkaisuja, jotka mahdollistavat mikroratkaisujen optimoinnin ja pienentämisen.

SSPP-teknologian käyttö mikroaaltopiirien suunnittelussa, kuten antenneissa, suodattimissa, jakajissa ja muissa komponenttien rakenteissa, tarjoaa merkittäviä etuja. Yksi näistä eduista on sen kyky vähentää suodattimien tarvetta

Miten suunnitellaan säädettävä kaistaleikkuri SSPP-siirtoyksikön avulla?

SSPP-siirtoyksikön käyttö säädettävän kaistaleikkurin suunnittelussa tarjoaa laajan säätöalueen, joka on erityisen hyödyllinen ultra-laajakaistajärjestelmissä, joissa häiriöiden suodattaminen ja spektrin optimointi ovat keskeisiä tavoitteita. Käytännössä tämä tekniikka perustuu varaktoridiodien, kuten MA46H120-mallin D1 ja D2, käyttöön, jotka sijoitetaan urien yli ja mahdollistavat elektronisesti säädettävän notkon. Tutkimuksen perusteella on havaittu, että notko voidaan säätää 3,5 GHz:stä 9,5 GHz:iin muuttamalla kapasitiivisuuksia urien välillä.

Kun uran sisälle lisätään slot, syntyy uusi kapasitiivinen elementti C4. Tämä lisäys muuttaa huomattavasti siirtoyksikön toimintaa ja mahdollistaa notkon laajentamisen ja säätämisen entistä tarkemmin. Tässä vaiheessa C1 ja C2 ovat varaktoridiodien D1 ja D2 kapasitiiviset komponentit, jotka mahdollistavat notkon elektronisen säätämisen. Mallia simuloitiin Agilent Advanced Design System (ADS) -ohjelmalla, ja tulokset verrattiin CST Microwave Studio -simulaatioihin. Tulokset osoittavat, että säätämällä kapasitiivisia komponentteja, kuten C1 ja C2, voidaan saavuttaa erilaisia notkokohtia, jotka voivat vaihdella yksittäisestä kaksinkertaiseksi.

Kokeellinen validointi suoritettiin valmistamalla slot-loadattu SSPP-siirtoyksikkö. Mittaukset suoritettiin vektorin verkkoanalyysilla (PNA-E8364C). Tulokset osoittavat, että notkon taajuusalue voidaan säätää laajasti vaihtelemalla varaktoridiodien D1 ja D2 välisiä jännitteitä. Esimerkiksi, kun jännite D1:lle on 0 V ja D2:lle vaihdetaan 0–19 V, notko siirtyy 6,5–10,5 GHz:iin. Vastaavasti, kun D2:lle pidetään jännite kiinteänä 0 V ja D1:lle vaihdetaan 0–18 V, notkon keskiarvo muuttuu 3,5–6,5 GHz:iin. Näiden tulosten perusteella voidaan päätellä, että säädettävä notko voidaan saavuttaa erittäin laajalla taajuusalueella.

Suunnittelussa käytetty varaktoridiodi tarjoaa etuja verrattuna muihin menetelmiin, kuten Schottky-diodien ja p-i-n-diodien käyttöön, koska se mahdollistaa tarkemman ja laajemman säätöalueen. Lisäksi SSPP-tekniikka mahdollistaa pienemmän määrän diodien käytön verrattuna aiemmin esiteltyihin kaistaleikkurirakenteisiin, mikä vähentää komponenttien määrää ja parantaa luotettavuutta. Tämä tekee tekniikasta erityisen soveltuvan ultra-laajakaistajärjestelmiin, joissa taajuuskaistojen tehokas käyttö ja häiriösuojauksen hallinta ovat ratkaisevan tärkeitä.

Kokeelliset mittaukset osoittavat, että simuloitujen ja mitattujen tulosten välillä on pieni ero, joka johtuu pääasiassa kapasitanssien todellisten arvojen poikkeamasta ja varaktoridiodin insertiohäviöistä. Lisäksi käytettyjen kapasitorien laatu ei ole riittävän korkea, mikä myös vaikuttaa notkon laajenemiseen. Tästä huolimatta tekniikka tarjoaa erittäin joustavan ja tehokkaan tavan hallita ultra-laajakaistan taajuuskaistoja ja häiriöitä.

Tämän tekniikan avulla voidaan saavuttaa monimutkaisempia ja tarkempia säätöjä laajemmalle taajuusalueelle, mikä tekee siitä erinomaisen valinnan nykyaikaisiin viestintäjärjestelmiin. On kuitenkin tärkeää huomioida, että käytetyt komponentit, kuten varaktoridiodit, sekä niiden ominaisuudet, kuten kapasitiivinen vaste ja jänniteherkkyys, vaikuttavat suoraan notkon tarkkuuteen ja säätöalueeseen. Myös järjestelmän kokoonpanon laatu ja komponenttien yhteensopivuus ovat ratkaisevia tekijöitä optimaalisten tulosten saavuttamiseksi.

Spoof Surface Plasmon Polariton -tekniikan käyttö end-fire-antennissa: Suorituskyky ja sovellukset

End-fire-antennit, jotka perustuvat spoof-pinta-plasmon-polaritoni (SSPP) -tekniikkaan, tarjoavat merkittäviä etuja laajassa taajuusalueessa. Tällaisen antennin suorituskykyyn vaikuttavat useat tekijät, kuten taajuusalue, antennin rakenne ja käytetyt materiaaliominaisuudet. Esimerkiksi 7,7 GHz:n keski-taajuudella ja 36,36 %:n kaistanleveydellä saavutetaan 8,65 dBi huippuvoimakkuus, ja yli 13 dB taajuusalueen ulkopuoliset signaalit torjutaan tehokkaasti. Tällaisilla antenneilla on monia sovelluksia, kuten suunnanmääritys, seuranta ja häiriönestot.

SSPP-moodin sähkömagneettisten aaltojen siirto perustuu epäsymmetristen uurteiden rakenteeseen, joissa uurteiden syvyys, jakso ja/tai täyttöaste vaihtelevat. Tämä rakenne mahdollistaa vaihesiirtymien hallinnan, koska sähkömagneettisten kenttien vaiheconstanssit eroavat eri puolilla epäsymmetristä rakennetta. Tämän seurauksena end-fire-säteilyt syntyvät koherenttien ja ei-koherenttien sähkömagneettisten kenttien superpositioista. Esimerkiksi 5,50, 6,60 ja 7,09 GHz:n taajuusalueilla voidaan saavuttaa summa-säteilyä, kun taas 6,10 ja 6,90 GHz:n taajuuksilla syntyy ero-säteilyä.

SSPP-aaltoputken rakenne, joka on valmistettu metallipinnan päälle kaivetuista jaksollisista uurteista, tarjoaa erinomaisen siirto-ominaisuuden, joka aktivoi antennin pääsäteilijän. Antennin taakse heijastavan metallilevyn avulla parannetaan sen etu-taka-suhdetta. Suuntauksen parantamiseksi antennin suunnittelussa voidaan käyttää kolmea painettua metalliraitaa, jotka toimivat ohjaajina. Esimerkiksi 7 GHz:lla, suunnitellulla taajuudella, antennin vahvistus on noin 9,1 dBi ja kaistanleveys voi ulottua jopa 31 %:iin.

End-fire-antennin suorituskykyä voidaan edelleen parantaa lisäämällä Substrate Integrated Waveguide (SIW) -syöttörakenteita ja kolmion muotoisia SSPP-rakenteita, jotka toimivat pieninä virta-alueina. SIW:n suorakulmaiset aukot voivat laajentaa kaistanleveyttä, kun taas laajeneva aukko ja kapeneva SSPP parantavat vahvistusta ja sivusäteilyn tasoa. Laajalla taajuusalueella, 16–22,7 GHz, saavutetaan jopa 15,2 dB:n huippuvahvistus ja noin 90 %:n säteilytehokkuus.

Yksi tärkeimmistä SSPP-teknologian eduista on sen mahdollisuus tuottaa laaja kaistanleveys, joka ulottuu 4,1–8,1 GHz:iin. Tämä saavutetaan SSPP-aaltoputken, metallilevyn heijastimen ja metalliraidan ohjaajan yhdistelmällä. Antennin säteilytehokkuus on erinomainen, saavuttaen jopa 97 %. Näin ollen SSPP-pohjaiset antennit tarjoavat erinomaisen suorituskyvyn erityisesti laajoilla taajuusalueilla, joissa tarvitaan suurta kaistanleveyttä.

Erityisesti kaksipolarisoidut end-fire-antennit, jotka hyödyntävät kala-luuston muotoista rakennetta vaakasuoralle polarisaatiolle ja sieni-muotoista rakennetta pystysuoralle polarisaatiolle, tarjoavat laajan taajuusalueen ja korkean säteilyn vahvistuksen. Esimerkiksi Ka-kaistalla toimiva tällainen antenni voi saavuttaa huippuvahvistuksen jopa 16,9 dBi vaakapolarisaatiolle ja 16,0 dBi pystypolarisaatiolle. Tämä malli tukee kahta ortogonaalisesti polarisoitua pinta-aaltotilaa, ja se tarjoaa laajan kaistanleveyden ja korkean säteilytehokkuuden.

Kaksipuoleinen, kapeneva ja symmetrinen SSPP-siirtorata (TL), jossa on kallistettu yksikkösolu, mahdollistaa kaksilinjaisen polarisoidun end-fire-radiationin suunnittelun. Tällöin antennin säteily voidaan kohdistaa joko pystysuoraan tai vaakasuoraan polarisaatioon riippuen siitä, kummasta syöttöportista signaali syötetään. Esimerkiksi mikroliuskan ja aukon siirtymäsarjan avulla saavutetaan kahta polarisaatiotilaa, joissa taajuusvastineet ja säteilytasot voidaan hallita erikseen.

End-fire-antennien joustavuus on merkittävä etu erityisesti pienikokoisissa ja muotoiltavissa sovelluksissa, kuten pukeutuvassa teknologiassa ja joustavissa piireissä. Tämä joustavuus takaa, että antennin kenttäjakauma pysyy vakaana myös silloin, kun sitä taivutetaan. Esimerkiksi 30–50 GHz:n taajuusalueella saavutetaan keskimääräinen vahvistus jopa 14,9 dBi, ja antennin säteily suorituskyky pysyy hyvänä, vaikka sen taipumiskulma vaihtelee 0°:sta 30°:een.

Tärkeä huomio on, että SSPP-teknologian avulla voidaan kehittää suodattimia ja muita komponentteja, jotka parantavat antennin suorituskykyä erityisesti laajakaistahäiriöiden estämisessä. Lisäksi SSPP-pohjaisten antennien suunnittelussa on tärkeää huomioida materiaalien ja rakenteiden tarkka optimointi, jotta saavutetaan paras mahdollinen suorituskyky eri sovelluksissa.

Miten joustavat ja tekstiilipohjaiset piirit voivat mullistaa kehoon kiinnitettävät elektroniset järjestelmät?

Esimerkiksi SSPP-teknologiaa hyödyntävä joustava ja taivutettava antennia, joka on laminoitu ei-kudotulla kankaalla ja polyuretaaniverkolla, on suunniteltu käytettäväksi kehon pinnalla. Tämä rakenne tarjoaa parempaa suorituskykyä perinteisiin antennimalleihin verrattuna, erityisesti sen pienemmän jalanjäljen, muodonmuutoksille vastustuskyvyn ja korkean laadun vuoksi. Testit ihmisen kehon lähellä ovat osoittaneet, että antenni saavuttaa alle 1,6 W/kg:n spesifisen absorptiotehon (SAR) ja vakaan impedanssin yhteensopivuuden, mikä on tärkeää terveysturvallisuuden kannalta. Tämä lähestymistapa vähentää myös signaalin häviöitä ja parantaa antennin kykyä toimia jopa taivutettuna.

Erityisesti langattomien energiahävittäjien ja Bluetooth-sensorimoduulien integrointi vaatii uudenlaista rakenneratkaisua, jossa ei tarvita juotoksia. Tällainen rakenne koostuu useista antenneista, jotka on yhdistetty SSP-voimajohtimilla. Tämä rakenne hyödyntää luopumisplazmon (SSP) rakenteita, jotka mahdollistavat monisäde-säteilyn ja parantavat energian keruuta. Tämänkaltaiset antennitekniikat ilman liitoksia tarjoavat merkittäviä etuja, kuten helppokäyttöisyyttä ja luotettavuutta, mikä tekee niistä erinomaisia valintoja käytettäväksi kehon päällä olevissa elektronisissa järjestelmissä.

Uusi lähestymistapa, jossa käytetään substraattiin integroituja plazmonisen aallonjohtimen (SIPW) tekniikoita, mahdollistaa venyvän ja joustavan mikroaaltosuodattimen valmistamisen. Tämä rakenne käyttää serpentiinimuotoisia kytkentöjä, jotka säilyttävät radioaaltojen suorituskyvyn myös mekaanisessa rasituksessa, kuten taivutuksessa ja venytyksessä. Näin saavutetaan laaja taajuuskaista ja vakaa suorituskyky.

Erityisesti älykkäiden ja joustavien antennien suunnittelussa on huomioitava, kuinka materiaali reagoi kehon liikkeisiin ja deformaatioihin. Esimerkiksi Kapton polyimidi -kalvo on tunnettu matalasta häviöstä ja hyvästä lämmönkestävyydestä, ja sen käyttö joustavien antureiden valmistuksessa on osoittautunut tehokkaaksi. Tällaisten antureiden avulla voidaan esimerkiksi valvoa kehon hikoilua tai tarkkailla kehon nesteiden tilaa, mikä avaa uusia mahdollisuuksia terveystarkkailuissa.

Tulevaisuuden teknologioissa nämä joustavat ja kehoon kiinnitettävät elektroniset järjestelmät voivat muodostaa perustan uusille, käyttäjäystävällisille ja kehoa seuraaville terveystarkkailujärjestelmille, jotka tarjoavat reaaliaikaisia tietoja kehon tilasta ja voivat parantaa terveydenhuollon ennakoivaa ja ennaltaehkäisevää luonteenpiirrettään.

Mikroliuskaimen ja SSPP-siirtymien suunnittelun perusteet ja haasteet

SSPP-TL:ien (spoof surface plasmon polaritons transmission lines) käyttö on monin tavoin suositeltavaa, kun pyritään parantamaan mikroaaltoväylien siirto-ominaisuuksia, erityisesti korkean taajuuden sovelluksissa. Tällöin siirtymien suunnittelu ja optimoiminen, erityisesti mikroliuskaimen (microstrip) ja SSPP-TL:ien välillä, on keskeistä. Siirtymien tehokkuus määräytyy suurelta osin rakenteen geometristen parametrien, kuten korkeuden ja muodon, mukaan. Tällöin on mahdollista säätää taajuusalueita ja siirtymien tehokkuutta yksinkertaisilla rakenteellisilla muutoksilla.

Simuloitu ja mitattu S-parametrien vertailu, kuten kuvassa 2.7, osoittaa, että heijastuskerroin (S11) on aina parempi kuin -10 dB, ja siirtokerroin (S21) on yleensä paremmin kuin -3 dB tietyissä taajuusalueissa (esimerkiksi 1-12 GHz ja 1-22 GHz), riippuen geometristen parametrien arvoista. Vaikka valmistuksen virheet ja liittimet voivat tuottaa pientä eroa mitattujen ja simuloitujen tulosten välillä, yleinen suuntaus on, että korkealaatuiset siirtymät voidaan toteuttaa tasapainoisesti jopa laajemmilla taajuusalueilla.

Erilaiset siirtymät mikroliuskaimista coplanar waveguide (CPW) -ratkaisuihin ja slot-linjoista SSPP-TL:iin, kuten Ma:n ja Xu:n tutkimuksissa, hyödyntävät kääntymistä ylösalaisin olevan ground-linjan käytössä parantamaan impedanssivastaavuutta ja vähentämään insertiotappioita. Tapered corrugation -ratkaisut voivat entisestään parantaa impedanssin, polarisaation ja liikemäärän yhteensopivuutta. CPW:ssa on myös etuna se, että kaikki johteet sijaitsevat substraatin päällä, mikä mahdollistaa paksumman substraatin käytön, mikä tekee siitä erinomaisen valinnan MMIC (monoliittisten mikroaaltipiirien) sovelluksiin.

Toinen merkittävä siirtymätutkimusalue on slot-linjan ja SSPP-TL:n välinen siirtymä. Slot-linjassa leviävä aaltotila on pääasiassa kvasi-TE (transversaalinen sähkömagneettinen) -tilassa, kun taas SSPP:ssa se siirtyy kvasi-TM (transversaalinen magneettinen) -tilaan. Tämän siirtymän tehokas toteuttaminen edellyttää sähkökomponentin tuottamista pitkittäissuunnassa, joka auttaa siirtämään aaltoa slot-linjasta SSPP-linjalle. Tähän sovelletaan laajakaistaisia impedanssivastaavuuksia, joita voidaan parantaa lisäämällä metallisia maata tai rakenteita, kuten trapezoidisia maapinto