RU233164U1

RU233164U1 - DESIGN OF INTELLIGENT REFLECTIVE SURFACE BASED ON GALLIUM ARSENIDE PHOTONIC CRYSTAL AND DIODE MICROWAVES

Info

Publication number: RU233164U1
Application number: RU2024117685U
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Шураков; Анатолий Николаевич Приходько; Иван Игоревич Беликов; Григорий Наумович Гольцман
Filing date: 2024-06-26
Publication date: 2025-04-08

Abstract

Полезная модель относится к области техники физики и электричества, а именно к интеллектуальным отражающим поверхностям с сосредоточенными полупроводниковыми диодными элементами, предназначенным для маршрутизации сигналов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов в отраженном свете. Конструкция интеллектуальной отражающей поверхности на основе фотонного кристалла арсенида галлия и диодных микроключей, включающая пластину из полуизолирующего арсенида галлия (1) с прямоугольной решеткой отверстий (2), массив щелевых линий переменного импеданса (3), массив быстрых диодных микроключей (4), двухуровневую систему управляющих плоских проводов (5), массив вертикальных электрических контактов (6) и развязывающую диэлектрическую пленку (7), при этом прямоугольная решетка отверстий имеет идентичные по двум взаимно перпендикулярным направлениям постоянные решетки, равные четверти длины волны не зеркально отражаемого излучения в свободном пространстве. Техническим результатом является технологичная конструкция интеллектуальной отражающей поверхности на основе фотонного кристалла арсенида галлия и диодных микроключей миллиметрового и субмиллиметрового волновых диапазонов, совместимая с унифицированными способами производства микроволновых монолитных и радиофотонных интегральных схем. 3 ил. The utility model relates to the field of physics and electricity engineering, namely to intelligent reflective surfaces with concentrated semiconductor diode elements intended for routing millimeter and submillimeter range signals in reflected light. The design of an intelligent reflective surface based on a gallium arsenide photonic crystal and diode microswitches, including a plate of semi-insulating gallium arsenide (1) with a rectangular lattice of holes (2), an array of variable impedance slot lines (3), an array of fast diode microswitches (4), a two-level system of control flat wires (5), an array of vertical electrical contacts (6) and a decoupling dielectric film (7), wherein the rectangular lattice of holes has identical lattice constants in two mutually perpendicular directions, equal to a quarter of the wavelength of non-specularly reflected radiation in free space. The technical result is a technological design of an intelligent reflective surface based on a photonic crystal of gallium arsenide and diode microswitches of millimeter and submillimeter wave ranges, compatible with unified methods of producing microwave monolithic and radio-photonic integrated circuits. 3 fig.

Description

Область техникиField of technology

Полезная модель относится к области техники физики и электричества, а именно к интеллектуальным отражающим поверхностям с сосредоточенными полупроводниковыми диодными элементами, предназначенным для маршрутизации сигналов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов в отраженном свете.The utility model relates to the field of physics and electricity engineering, namely to intelligent reflective surfaces with concentrated semiconductor diode elements intended for routing millimeter and submillimeter range signals in reflected light.

Уровень техникиState of the art

Интеллектуальные отражающие поверхности для маршрутизации сигналов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов в отраженном свете.Intelligent reflective surfaces for routing millimeter and submillimeter wave signals in reflected light.

Патент Китай CN 109891673 В (ЭБД Google patents, выдан 04.09.2020; классификационный индекс H01Q 15/148. H01Q 15/0066, H01Q 15/0086, H01Q 19/13, H01Q 19/132, H01Q19/19, H01Q 21/065, H01Q 21/293, H01Q 3/46).Patent China CN 109891673 B (EDD Google patents, issued 09/04/2020; classification index H01Q 15/148. H01Q 15/0066, H01Q 15/0086, H01Q 19/13, H01Q 19/132, H01Q19/19, H01Q 21/065, H01Q 21/293, H01Q 3/46).

В этой спецификации описываются варианты реализации плоских отражающих антенн управляющих пучком, в которых используются суперповерхностные рефлекторы, заполненные жидкими кристаллами. Описанные здесь варианты осуществления могут быть подходящими, например, для реализации общих классов отражательных антенн, включая отражатели с основным питанием, отражатели со смещающим питанием и отражательные антенны с двойным питанием. Вместо использования изогнутой металлической поверхности, как в обычной рефлекторной антенне, в описанных здесь вариантах в качестве основного рефлектора используется плоская мета-поверхность с электронной настройкой, фазы отражения которой можно реконфигурировать электронным способом, чтобы обеспечить эффективное формирование пучка и управление пучком. Такая конфигурация может обеспечить компактную и экономичную антенну в некоторых приложениях, подходящую для решений с малой длиной волны и высокой частотой, и может быть динамически переконфигурирована.This specification describes embodiments of planar beam steering reflector antennas that utilize supersurface reflectors filled with liquid crystals. The embodiments described herein may be suitable, for example, for implementing general classes of reflector antennas, including main-fed reflectors, bias-fed reflectors, and dual-fed reflector antennas. Instead of using a curved metal surface as in a conventional reflector antenna, the embodiments described herein utilize a flat, electronically tuned meta-surface as the main reflector, the reflection phases of which can be electronically reconfigured to provide efficient beam shaping and beam steering. Such a configuration can provide a compact and cost-effective antenna in some applications, suitable for short wavelength, high frequency solutions, and can be dynamically reconfigured.

Предлагается рефлекторная антенна, содержащая облучатель для генерирования радиочастотного (РЧ) сигнала; и сверхповерхностный отражатель для отражения РЧ сигнала, исходящего от фидера. Сверхповерхностный отражатель включает в себя массив ячеек, каждая из ячеек наполнена жидким кристаллом с контролируемым значением диэлектрической проницаемости, так что фазу отражения кристаллической решетки можно выборочно настраивать для управления пучком отраженного радиочастотного сигнала.A reflector antenna is proposed, comprising an irradiator for generating a radio frequency (RF) signal; and a supersurface reflector for reflecting the RF signal emanating from a feeder. The supersurface reflector includes an array of cells, each of the cells is filled with a liquid crystal with a controlled value of permittivity, so that the reflection phase of the crystal lattice can be selectively adjusted to control the beam of the reflected RF signal.

Недостатком данного технического решения является принципиально невысокое быстродействие на уровне единиц или десятков миллисекунд, связанное с инертностью используемых жидкокристаллических сред.The disadvantage of this technical solution is the fundamentally low speed of operation at the level of units or tens of milliseconds, associated with the inertia of the liquid crystal media used.

Патент США US 20220393363 A1 (ЭБД Google patents, выдан 08.12.2022; классификационный индекс H01Q 15/148, H01Q 1/38, H01Q 21/065).US Patent US 20220393363 A1 (Google patents EDB, issued 08.12.2022; classification index H01Q 15/148, H01Q 1/38, H01Q 21/065).

Патент описывает варианты реализации интеллектуальной отражающей поверхности (англ. Intelligent Reflecting Surface, IRS), которая отражает электромагнитное (ЭМ) излучение на терагерцовых (ТГц) частотах. 1RS может состоять из гибридной металл-графеновой отражающей матрицы.The patent describes embodiments of an intelligent reflecting surface (IRS) that reflects electromagnetic (EM) radiation at terahertz (THz) frequencies. The IRS may consist of a hybrid metal-graphene reflective matrix.

Описанные решения могут содержать гибридный излучающий элемент, который принимает падающее ЭМ излучение, непрерывно манипулирует его фазой и повторно излучает ЭМ излучение с измененной фазой. Гибридный излучающий элемент представляет собой комбинацию резонансной излучающей антенны и фазовращателя на основе волновода переменной длины. Резонансная излучающая антенна может представлять собой металлическую накладную антенну, а фазовращатель на основе волновода переменной длины может представлять собой плазмонный модулятор на основе графена, который выполнен в виде шлейфа, связанного с металлической накладкой. Гибридный излучающий элемент может быть расположен поверх слоя диэлектрического материала, нанесенного на электропроводящую заземляющую пластину. Напряжение, приложенное к графеновому шлейфу и плоскости заземления, управляет фазомодуляционными характеристиками гибридного излучающего элемента.The described solutions may comprise a hybrid radiating element that receives incident EM radiation, continuously manipulates its phase, and re-radiates EM radiation with a changed phase. The hybrid radiating element is a combination of a resonant radiating antenna and a phase shifter based on a variable-length waveguide. The resonant radiating antenna may be a metal patch antenna, and the phase shifter based on a variable-length waveguide may be a graphene-based plasmonic modulator, which is implemented as a cable connected to a metal patch. The hybrid radiating element may be located on top of a layer of dielectric material deposited on an electrically conductive ground plate. The voltage applied to the graphene cable and the ground plane controls the phase modulation characteristics of the hybrid radiating element.

Гибридная отражающая решетка может иметь межцентровое расстояние между непосредственно соседними гибридными излучающими элементами равное λ₀/2, где λ₀ -рабочая длина волны гибридной отражающей решетки. В качестве альтернативы может использоваться другое межцентровое расстояние между непосредственно соседними гибридными излучающими элементами.The hybrid reflective grating may have a center-to-center distance between immediately adjacent hybrid radiating elements equal to λ ₀ /2, where λ ₀ is the operating wavelength of the hybrid reflective grating. Alternatively, a different center-to-center distance between immediately adjacent hybrid radiating elements may be used.

Электрический проводник для каждого из гибридных излучающих элементов может проходить через диэлектрическую подложку и электропроводящий слой и электрически изолирован от электропроводящего слоя. Электрические проводники от гибридных излучающих элементов могут вместе образовывать порт кодовой книги из M×N электрических проводников. Гибридная отражающая матрица может дополнительно содержать генератор кодовой книги, соединенный с портом кодовой книги. Генератор кодовой книги может генерировать сигнал напряжения смещения для каждого из M×N гибридных излучающих элементов, тем самым создавая набор кодовой книги с напряжениями смещения V_m,n для m от 1 до M и n от 1 до N.An electrical conductor for each of the hybrid radiating elements may pass through the dielectric substrate and the electrically conductive layer and is electrically isolated from the electrically conductive layer. The electrical conductors from the hybrid radiating elements may together form a codebook port of M×N electrical conductors. The hybrid reflective matrix may further comprise a codebook generator coupled to the codebook port. The codebook generator may generate a bias voltage signal for each of the M×N hybrid radiating elements, thereby creating a codebook set with bias voltages V _m,n for m from 1 to M and n from 1 to N.

Сигнал напряжения смещения для каждого из M×N гибридных излучающих элементов может представлять собой весовой коэффициент W_m,n, связанный с гибридным излучающим элементом в n-м столбце и m-й строке, и массивом гибридных излучающих элементов. Набор кодовой книги напряжений V_m,n смещения может содержать набор весовых коэффициентов формирования диаграммы направленности. Набор кодовой книги напряжений V_m,n смещения может содержать матрицу фазового преобразования. Матрица фазового преобразования может быть сконфигурирована для заданной манипуляции волнового фронта. Матрица фазового преобразования может быть сконфигурирована для создания фокусировки пучка в ближней зоне. Матрица фазового преобразования может быть сконфигурирована для создания пучков Бесселя.The bias voltage signal for each of the M×N hybrid radiating elements may be a weighting factor W _m,n associated with the hybrid radiating element in the n-th column and the m-th row, and an array of hybrid radiating elements. The set of bias voltage codebook V _m,n may comprise a set of beamforming weighting factors. The set of bias voltage codebook V _m,n may comprise a phase transform matrix. The phase transform matrix may be configured for a given wavefront manipulation. The phase transform matrix may be configured to create a near-field beam focusing. The phase transform matrix may be configured to create Bessel beams.

Недостатком данного технического решения является использование графеновых структур для создания элементов большой площади, что усложняет формирование управляющих линий из-за пространственного ограничения нелинейных эффектов в контактных структурах с его использованием.The disadvantage of this technical solution is the use of graphene structures to create large-area elements, which complicates the formation of control lines due to the spatial limitation of nonlinear effects in contact structures using it.

Патент США US 10509297 B2 (ЭБД Google patents, выдан 17.12.2019; классификационный индекс G02F 1/292, G02F 1/29, H01Q 3/44).US Patent US 10509297 B2 (Google patents database, issued on 12/17/2019; classification index G02F 1/292, G02F 1/29, H01Q 3/44).

В патенте описана конструкция IRS. Массив элементарных ячеек позволяет управлять пучком падающей электромагнитной волны. Каждая элементарная ячейка имеет задний отражатель, проводящий оксид между диэлектриками затвора и антенну. Смещение напряжения, прикладываемое к разным слоям, позволяет накапливать или истощать заряды на верхней и нижней поверхностях проводящего оксида. Области накопления и истощения заряда контролируют показатель преломления материала, что позволяет контролировать отраженную электромагнитную волну.The patent describes the design of the IRS. An array of elementary cells allows for the control of the incident electromagnetic wave beam. Each elementary cell has a back reflector, a conductive oxide between the gate dielectrics and an antenna. Voltage bias applied to different layers allows for the accumulation or depletion of charges on the upper and lower surfaces of the conductive oxide. The charge accumulation and depletion regions control the refractive index of the material, which allows for the control of the reflected electromagnetic wave.

В патенте описана конструкция ячейки, содержащая: задний отражатель; диэлектрик на заднем отражателе; прозрачный слой с изменением показателя преломления на первом слое диэлектрика, причем прозрачный слой с изменением показателя преломления имеет электрически настраиваемый показатель преломления; второй слой диэлектрика на прозрачном слое с изменением показателя преломления; антенну на втором слое диэлектрика, первый проводник между прозрачным слоем с изменением показателя преломления и первым диэлектриком, причем первый проводник выполнен с возможностью приложения первого смещения напряжения между прозрачным слоем с изменением показателя преломления и первым диэлектриком; и второй проводник между прозрачным слоем с изменением показателя преломления и вторым диэлектриком, причем второй проводник сконфигурирован для приложения второго смещения напряжения между прозрачным слоем с изменением показателя преломления и вторым диэлектриком, при этом: первое смещение напряжения сконфигурировано для создания первого слоя накопления или истощения заряда между прозрачным слоем с изменением показателя преломления и первым диэлектриком, а второе смещение напряжения сконфигурировано для создания второго слоя накопления или истощения заряда между прозрачным слоем с изменяемым показателем преломления и вторым диэлектриком.The patent describes a cell design comprising: a rear reflector; a dielectric on the rear reflector; a transparent layer with a change in refractive index on a first dielectric layer, wherein the transparent layer with a change in refractive index has an electrically tunable refractive index; a second dielectric layer on the transparent layer with a change in refractive index; an antenna on the second dielectric layer, a first conductor between the transparent layer with a change in refractive index and the first dielectric, wherein the first conductor is configured to apply a first voltage bias between the transparent layer with a change in refractive index and the first dielectric; and a second conductor between the transparent layer with a change in refractive index and the second dielectric, wherein the second conductor is configured to apply a second voltage bias between the transparent layer with a change in refractive index and the second dielectric, wherein: the first voltage bias is configured to create a first charge accumulation or depletion layer between the transparent layer with a change in refractive index and the first dielectric, and the second voltage bias is configured to create a second charge accumulation or depletion layer between the transparent layer with a change in refractive index and the second dielectric.

Недостатком данного технического решения является наличие большого количество слоев с изменением показателя преломления в конструкции элементарной ячейки, что существенно снижает технологичность конструкции для устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.The disadvantage of this technical solution is the presence of a large number of layers with a change in the refractive index in the design of the elementary cell, which significantly reduces the manufacturability of the design for millimeter and submillimeter range devices.

Патент США US 20200227632 A1 (ЭБД Google patents, выдан 16.07.2020; классификационный индекс H01L 45/06, G02B 1/002, G02B 26/06, G02B 5/1809, G02F 1/0147, H01L 45/1286, H01L 45/144, H01L 45/146, H10N 70/8828, H10N 70/8833, G02F 1/19, G02F 2202/30, H10N 70/231, H10N 70/8613).US Patent US 20200227632 A1 (Google patents database, issued on July 16, 2020; classification index H01L 45/06, G02B 1/002, G02B 26/06, G02B 5/1809, G02F 1/0147, H01L 45/1286, H01L 45/144, H01L 45/146, H10N 70/8828, H10N 70/8833, G02F 1/19, G02F 2202/30, H10N 70/231, H10N 70/8613).

В патенте рассмотрена динамически перестраиваемая (отражающая решетка) метаповерхность. которая непрерывно модулирует фазу отраженного света, в том числе в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн (например, от 800 нм до 2000 нм), под электрическим управлением активного слоя, состоящего из материала с фазовым переходом, который переходит из полупроводникового состояния в полуметаллическое.The patent describes a dynamically tunable (reflective grating) metasurface that continuously modulates the phase of reflected light, including in the near infrared wavelength range (e.g., from 800 nm to 2000 nm), under electrical control of an active layer consisting of a phase transition material that transitions from a semiconductor to a semi-metallic state.

Согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения активный слой, который претерпевает переход изолятор-металл при резистивном (т.е. джоулевом) нагреве, размещается в диэлектрическом зазоре (между металлическими/проводящими слоями) единичных элементов рефлекторной метаповерхности.According to an exemplary embodiment of the present invention, an active layer that undergoes an insulator-to-metal transition upon resistive (i.e. Joule) heating is located in the dielectric gap (between the metal/conductive layers) of the unit elements of the reflective metasurface.

В соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения активный слой может представлять собой слой материала из диоксида ванадия (V02). Согласно другим иллюстративным вариантам осуществления активный слой может быть изготовлен из любого ряда халькогенидных соединений, таких как, например, GeSbTes (например, тройное соединение германия, сурьмы и теллура).According to an exemplary embodiment of the present invention, the active layer may be a layer of vanadium dioxide (V02) material. According to other exemplary embodiments, the active layer may be made of any of a number of chalcogenide compounds, such as, for example, GeSbTes (e.g., a ternary compound of germanium, antimony and tellurium).

Индуцированный фазовый переход в активном слое метаповерхности, согласно настоящему изобретению, возмущает магнитный дипольный резонанс, поддерживаемый метаповерхностью. Тщательно контролируя объемные доли сосуществующих металлических и диэлектрических областей активного слоя, обеспечивается непрерывный сдвиг фазы отраженного света с максимально достижимым фазовым сдвигом, равным или превышающим 180 градусов и достигающим 250 градусов для определенных рабочих длин волн. Кроме того, можно наблюдать модуляцию коэффициента отражения на 23,5%, а также спектральный сдвиг положения резонанса на 175 нм. Соответственно, фазовая модуляция метаповерхности является довольно широкополосной, что приводит к большим фазовым сдвигам на нескольких рабочих длинах волн, в том числе в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн (например, от 800 до 2000 нм).The induced phase transition in the active layer of the metasurface according to the present invention disturbs the magnetic dipole resonance supported by the metasurface. By carefully controlling the volume fractions of the coexisting metallic and dielectric regions of the active layer, a continuous phase shift of the reflected light is provided with a maximum achievable phase shift equal to or greater than 180 degrees and reaching 250 degrees for certain operating wavelengths. In addition, a modulation of the reflectivity by 23.5% can be observed, as well as a spectral shift of the resonance position by 175 nm. Accordingly, the phase modulation of the metasurface is quite broadband, which leads to large phase shifts at several operating wavelengths, including in the near infrared wavelength range (for example, from 800 to 2000 nm).

В соответствии с одним из вариантом осуществления настоящего изобретения представлена электрически настраиваемая метаповерхность, причем электрически настраиваемая метаповерхность содержит: матрицу единичных элементов субволновой метаповерхности, причем каждый единичный элемент содержит: нижний проводящий слой; изолирующий слой, покрывающий нижний проводящий слой; активный слой, покрывающий слой изолятора; и верхний проводящий слой, покрывающий активный слой, при этом активный слой содержит материал с изменяемой фазой, имеющий фазу, управляемую посредством резистивного нагрева, создаваемого протеканием управляющего тока через верхний проводящий слой составных элементов.According to one embodiment of the present invention, an electrically tunable metasurface is provided, wherein the electrically tunable metasurface comprises: an array of unit elements of a subwavelength metasurface, wherein each unit element comprises: a lower conductive layer; an insulating layer covering the lower conductive layer; an active layer covering the insulator layer; and an upper conductive layer covering the active layer, wherein the active layer comprises a phase-change material having a phase controlled by resistive heating created by flowing a control current through the upper conductive layer of the constituent elements.

Согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения представлена электрически настраиваемая метаповерхность. причем электрически настраиваемая метаповерхность содержит: матрицу единичных элементов субволновой метаповерхности, причем каждый единичный элемент содержит: нижний проводящий слой; изолирующий слой, покрывающий нижний проводящий слой; активный слой, покрывающий слой изолятора; и верхний проводящий слой, покрывающий активный слой, при этом активный слой содержит материал с фазовым переходом, фазу которого можно контролировать с помощью электрического поля, создаваемого перепадом напряжения между верхним проводящим слоем и нижним проводящим слоем единичных элементов.According to a second embodiment of the present invention, an electrically tunable metasurface is presented. The electrically tunable metasurface comprises: a matrix of unit elements of a subwave metasurface, each unit element comprising: a lower conductive layer; an insulating layer covering the lower conductive layer; an active layer covering the insulator layer; and an upper conductive layer covering the active layer, wherein the active layer comprises a phase-change material, the phase of which can be controlled using an electric field created by a voltage difference between the upper conductive layer and the lower conductive layer of unit elements.

Недостатком данного технического решения является невысокое в сравнении с диодной электроникой быстродействие и наличие деградации радиофизических свойств при итеративной развертке пучка, связанное с переключением фазового состояния используемого материала с фазовой памятью под действием тепловых эффектов.The disadvantage of this technical solution is its low speed in comparison with diode electronics and the presence of degradation of radiophysical properties during iterative beam scanning, associated with the switching of the phase state of the material used with phase memory under the influence of thermal effects.

Патент Франция WO 2019190635 A1 (ЭБД Google patents, выдан 03.10.2019; классификационный индекс H01Q 3/2658, H01Q 3/46. Н01Р 1/182. H01Q 15/148, H01Q 21/061. H01Q 3/22, H01Q 3/24, H01Q 3/36, Н04 В7/0617).Patent France WO 2019190635 A1 (EDD Google patents, issued 10/03/2019; classification index H01Q 3/2658, H01Q 3/46. Н01Р 1/182. H01Q 15/148, H01Q 21/061. H01Q 3/22, H01Q 3/24, H01Q 3/36, Н04 В7/0617).

В патенте описывается немеханическая управляемая антенна с высоким коэффициентом усиления, формирующая пучок, предоставляется вместе с системой, реализующей антенну. В управляемой антенне с формированием пучка используется структура отражающей решетки в сочетании с фазированной антенной решеткой.The patent describes a non-mechanical, high-gain, beam-forming steerable antenna, provided together with a system implementing the antenna. The beam-forming steerable antenna uses a reflective array structure in combination with a phased array antenna.

Антенные элементы могут включать массивы микроэлементов (МЭ), и содержать некоторое количество микроэлементов. Микроэлементы могут быть реализованы в виде графеновых элементов или в виде плазмонных элементов, имеющих достаточно высокую подвижность электронов и плотность электронных носителей, которая регулируется в зависимости от приложенного сигнала электронной настройки. Изменение плотности электронных носителей элементов МЭ. в свою очередь, вызывает изменение фазы падающих волн, обеспечиваемое облучателем источника, что облегчает управление основным пучком диаграммы направленности антенны, связанной с отраженными падающими волнами.Antenna elements may include arrays of microelements (ME) and contain a certain number of microelements. Microelements may be implemented as graphene elements or as plasmonic elements having a sufficiently high electron mobility and electron carrier density, which is regulated depending on the applied electronic tuning signal. A change in the electron carrier density of ME elements, in turn, causes a change in the phase of the incident waves provided by the source irradiator, which facilitates control of the main beam of the antenna pattern associated with the reflected incident waves.

Современные конструкции управляемых антенн плохо подходят для поддержки связи на миллиметровых длинах волн и терагерцовых частотах. Чтобы исправить такие проблемы, аспекты, описанные в настоящем патенте, направлены на антенны с электронным управлением, формирующие диаграмму направленности, реализующие массивы МЭ. Эти МЭ могут быть изготовлены с использованием, например, литографии или эпитаксии, которые являются недорогими производственными процессами. Кроме того, обсуждаемые здесь антенны с электронным управлением для формирования пучка преимущественно позволяют выполнять управление и/или формирование пучка очень быстро (например, порядка микросекунд). При этом согласование между передатчиком и приемником может поддерживаться с относительно высоким коэффициентом усиления для преодоления упомянутых выше проблем с потерями при передаче. Для этого обсуждаемые здесь аспекты электронно-управляемых формирующих пучок антенн могут включать в себя архитектуру отражающей решетки, которая использует МЭ в конфигурации с фазированной решеткой. Частицы в МЭ обладают свойствами, которые изменяют фазу входящей исходной волны, тем самым регулируя направление основного лепестка диаграммы направленности отраженной падающей волны, как дополнительно обсуждается ниже.Current designs of steerable antennas are poorly suited to support communications at millimeter wavelengths and terahertz frequencies. To address such issues, aspects described in this patent are directed to electronically steered beamforming antennas that implement arrays of MEs. These MEs can be fabricated using, for example, lithography or epitaxy, which are low-cost manufacturing processes. In addition, the electronically steered beamforming antennas discussed herein advantageously allow for very fast (e.g., on the order of microseconds) beam steering and/or shaping. In this case, matching between the transmitter and receiver can be maintained with a relatively high gain to overcome the above-mentioned transmission loss issues. To this end, the aspects of the electronically steered beamforming antennas discussed herein can include a reflective array architecture that utilizes MEs in a phased array configuration. Particles in MEs have properties that change the phase of the incoming source wave, thereby adjusting the direction of the main lobe of the reflected incident wave pattern, as further discussed below.

Недостатком данного технического решения является невысокое в сравнении с диодной электроникой быстродействие.The disadvantage of this technical solution is its low response speed compared to diode electronics.

Патент Китай CN 114142242 A (ЭБД Google patents, опубликован 04.03.2022; классификационный индекс H01Q 15/0086, H01Q 15/002, H01Q 15/0026).China Patent CN 114142242 A (Google patents EDB, published 03/04/2022; classification index H01Q 15/0086, H01Q 15/002, H01Q 15/0026).

Изобретение раскрывает терагерцевую интеллектуальную кодируемую отражающую суперповерхность, которая относится к области искусственных электромагнитных устройств и содержит следующие компоненты: металлический слой, диэлектрический слой, второй металлический слой и второй диэлектрический слой уложены друг на друга последовательно; первый металлический слой состоит из двух симметричных трапециевидных структур, причем между двумя трапециевидными структурами нагружен PIN-диод; второй металлический слой представляет собой металлическую нижнюю пластину; проводящие столбики проходят через сквозные отверстия первого диэлектрического слоя, чтобы соединиться со вторым металлическим слоем, а затем соединиться со вторым диэлектрическим слоем, а изолирующее кольцо расположено между двумя проводящими столбиками нижнего пластинчатого слоя для изоляции; второй металлический слой и сквозное отверстие на первой диэлектрической подложке соединены с центром первого металлического слоя; ячейка демонстрирует два разных логических состояния при разных состояниях PIN-диода. Устройство терагерцовой связи имеет простую структуру, простоту в обработке, высокую функциональность и практичность, и имеет важные перспективы применения в терагерцовой связи.The invention discloses a terahertz intelligent coded reflective supersurface, which relates to the field of artificial electromagnetic devices and contains the following components: a metal layer, a dielectric layer, a second metal layer and a second dielectric layer are stacked on top of each other sequentially; the first metal layer consists of two symmetrical trapezoidal structures, wherein a PIN diode is loaded between the two trapezoidal structures; the second metal layer is a metal bottom plate; conductive columns pass through through holes of the first dielectric layer to connect with the second metal layer and then connect with the second dielectric layer, and an insulating ring is located between the two conductive columns of the bottom plate layer for insulation; the second metal layer and the through hole on the first dielectric substrate are connected to the center of the first metal layer; the cell demonstrates two different logical states at different states of the PIN diode. The terahertz communication device has simple structure, easy processing, high functionality and practicality, and has important application prospects in terahertz communication.

Недостатком данного технического решения является использование в качестве управляющего элемента PIN-диода, обладающего повышенными значениями времени обратного восстановления и последовательной индуктивности в сравнении с диодами Шоттки, что снижает эффективность использования на частотах выше 100 ГГц.The disadvantage of this technical solution is the use of a PIN diode as a control element, which has increased values of reverse recovery time and series inductance in comparison with Schottky diodes, which reduces the efficiency of use at frequencies above 100 GHz.

Патент США US 20220059943 A1 (ЭБД Google patents, опубликован 24.02.2022; классификационный индекс H01Q 15/148, Н04 В7/0617).US Patent US 20220059943 A1 (Google patents database, published 02/24/2022; classification index H01Q 15/148, H04 B7/0617).

В этом патенте раскрыта многослойная реконфигурируемая отражающая интеллектуальная поверхность (англ. Reconfigurable Intelligent Surface, RIS) для будущих технологий 6G. RIS включает в себя элементарную ячейку реконфигурируемой интеллектуальной поверхности. Элементарная ячейка включает в себя первый слой, состоящий из проводящего материала и структурированный в соответствии с субволновым паттерном отражения. Первый слой отражает падающую волну с заданной фазой и направляет отраженную волну к намеченному приемнику. Элементарная ячейка включает в себя второй слой, состоящий из первого диэлектрического материала подложки. Между первым и вторым слоями элементарная ячейка включает средний слой, состоящий из второго диэлектрического материала, обладающего регулируемыми диэлектрическими свойствами. Настройка диэлектрической проницаемости второго диэлектрического материала изменяет заданную фазу отражения падающей волны.This patent discloses a multilayer reconfigurable reflective intelligent surface (RIS) for future 6G technologies. The RIS includes a reconfigurable intelligent surface unit cell. The unit cell includes a first layer consisting of a conductive material and structured according to a subwavelength reflection pattern. The first layer reflects an incident wave with a given phase and directs the reflected wave to a designated receiver. The unit cell includes a second layer consisting of a first dielectric substrate material. Between the first and second layers, the unit cell includes a middle layer consisting of a second dielectric material having adjustable dielectric properties. Adjusting the permittivity of the second dielectric material changes the given phase of the reflection of the incident wave.

Недостатком данного технического решения является его недостаточная проработанность с точки зрения технологий микроволновых монолитных и/или радиофотонных интегральных схем.The disadvantage of this technical solution is its insufficient development in terms of microwave monolithic and/or radio-photonic integrated circuit technologies.

Патент США WO 2022204191 A2 (ЭБД Google patents, опубликован 29.09.2022; классификационный индекс Н04В 7/0617, H01Q 15/0066).US Patent WO 2022204191 A2 (Google patents database, published 09.29.2022; classification index H04B 7/0617, H01Q 15/0066).

Раскрыты управляемые реконфигурируемые интеллектуальные поверхности в соответствии с вариантами осуществления изобретения. В одном варианте осуществления реконфигурируемая интеллектуальная поверхность для беспроводной связи может включать в себя первый слой, содержащий множество элементарных ячеек, предназначенных для обеспечения локального отражения посредством одного или более настраиваемых компонентов в каждой элементарной ячейке, систему одной или более линий передачи смещения, сконфигурированных для обеспечения управления, в которой по меньшей мере одна линия передачи сконфигурирована для задания смещения одного или более настраиваемых компонентов с использованием, по меньшей мере, одной полнодоменной базисной функции.Controllable reconfigurable smart surfaces are disclosed in accordance with embodiments of the invention. In one embodiment, a reconfigurable smart surface for wireless communication may include a first layer comprising a plurality of elementary cells designed to provide local reflection by means of one or more adjustable components in each elementary cell, a system of one or more bias transmission lines configured to provide control, in which at least one transmission line is configured to set the bias of one or more adjustable components using at least one full-domain basis function.

Патент РФ RU 189725 U1 (ЭБД Яндекс. Патенты, опубликован 31.05.2019; классификационный индекс H01P 1/185).Russian Federation Patent RU 189725 U1 (Yandex. Patents EDB, published 31.05.2019; classification index H01P 1/185).

Сущность полезной модели заключается в том, что СВЧ фазовращатель отражательного типа содержит квадратурный мост на отрезке связанных линий, у которого в качестве входного и выходного портов выступают ближний и дальний концы одной из линий, а к ближнему и дальнему концам другой линии подключаются отражательные нагрузки. Построение и необходимое свойство транснаправленности квадратурного моста достигается тем, что над заземленным основанием с небольшим воздушным зазором устанавливается вертикальная плата с высокой диэлектрической проницаемостью (например, в диапазоне от 16 до 20), на левой и правой поверхностях которой расположены полосковые проводники с сильной лицевой связью (около 3 дБ) и с отношением скоростей нормальных волн, близким к 3:1. Технический результат: обеспечение возможности упрощения схемы и конструкции, улучшения повторяемости характеристик и повышения рабочих частот.The essence of the utility model is that the microwave phase shifter of the reflective type contains a quadrature bridge on a section of coupled lines, in which the near and far ends of one of the lines act as input and output ports, and reflective loads are connected to the near and far ends of the other line. The construction and the necessary trans-directional property of the quadrature bridge are achieved by installing a vertical board with a high permittivity (for example, in the range from 16 to 20) above the grounded base with a small air gap, on the left and right surfaces of which strip conductors are located with a strong facial connection (about 3 dB) and with a ratio of normal wave velocities close to 3:1. Technical result: ensuring the possibility of simplifying the circuit and design, improving the repeatability of characteristics and increasing operating frequencies.

Недостатком данного устройства является недостаточная технологичность конструкции для миллиметрового и субмиллиметрового волновых диапазонов.The disadvantage of this device is the insufficient technological design for millimeter and submillimeter wave ranges.

Патент РФ RU 2501131 C1 (ЭБД e-library. опубликован 10.12.2013; классификационный индекс H01Q 3/46, H01Q 21/00).RF patent RU 2501131 C1 (EDD e-library. published 12/10/2013; classification index H01Q 3/46, H01Q 21/00).

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к активным фазированным антенным решеткам (АФАР), которые предназначены для использования в РЛС. Техническим результатом является создание элемента АФАР отражательного типа с более высоким коэффициентом полезного действия и более низким уровнем шумов, способного работать в составе АФАР отражательного типа с двумя ортогональными круговыми поляризациями. Элемент активной фазированной антенной решетки отражательного типа, содержащий излучатель, фазовращатель проходного типа, усилитель, волноводный селектор круговых поляризаций с функцией преобразователя поляризаций, вход которого соединен с выходом фазовращателя, входом, соединенным с излучателем, при этом выходы волноводного селектора круговых поляризаций с функцией преобразователя поляризаций подключены ко входам волноводно-полосковых переходов, к выходам которых подключен усилитель.The invention relates to radio engineering, namely to active phased antenna arrays (APAA), which are intended for use in radars. The technical result is the creation of a reflective-type APAA element with a higher efficiency and a lower noise level, capable of operating as part of a reflective-type APAA with two orthogonal circular polarizations. An element of a reflective-type active phased antenna array, comprising a radiator, a pass-through phase shifter, an amplifier, a waveguide circular polarization selector with a polarization converter function, the input of which is connected to the output of the phase shifter, the input connected to the radiator, wherein the outputs of the waveguide circular polarization selector with a polarization converter function are connected to the inputs of waveguide-strip transitions, to the outputs of which the amplifier is connected.

Недостатком данного технического решения является повышенное энергопотребление в сравнении с пассивными реконфигурируемыми решетками и поверхностями отражательного типа.The disadvantage of this technical solution is the increased energy consumption in comparison with passive reconfigurable gratings and reflective surfaces.

Патент РФ RU 2520370 C2 (ЭБД Яндекс. Патенты, опубликован 27.06.2014; классификационный индекс H01Q 21/00).Russian Federation Patent RU 2520370 C2 (Yandex. Patents Electronic Database, published 06/27/2014; classification index H01Q 21/00).

Изобретение относится к отражающей решетке для отражающей решеточной антенны. Технический результат состоит в устранении явления дифракции. Для этого отражающая решетка содержит множество элементарных излучающих элементов, образующих отражающую поверхность без резкого перехода, и характеризуется тем, что каждый излучающий элемент отражающей поверхности выбран из совокупности заранее определенных последовательных излучающих элементов, называемой рисунком, при этом первый элемент и последний элемент рисунка соответствуют одной фазе по модулю 360° и являются идентичными, а излучающие элементы (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) рисунка имеют излучающую структуру типа металлического пятна и/или типа излучающего отверстия, постепенно меняющуюся от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу, при этом изменение излучающей структуры содержит последовательность постепенных увеличений, по меньшей мере, одного металлического пятна и/или, по меньшей мере, одного отверстия и появлений, по меньшей мере, одного металлического пятна в отверстии и/или, по меньшей мере, одного отверстия в металлическом пятне.The invention relates to a reflective grating for a reflective grating antenna. The technical result consists in eliminating the diffraction phenomenon. For this purpose, the reflective grating comprises a plurality of elementary radiating elements forming a reflective surface without a sharp transition, and is characterized in that each radiating element of the reflective surface is selected from a set of predetermined sequential radiating elements called a pattern, wherein the first element and the last element of the pattern correspond to one phase modulo 360° and are identical, and the radiating elements (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) of the pattern have a radiating structure of the metal spot type and/or the radiating hole type, gradually changing from one radiating element to another adjacent radiating element, wherein the change in the radiating structure comprises a sequence of gradual increases of at least one metal spot and/or at least one hole and the appearance of at least one metal spot in the hole and/or at least one hole in the metal spot.

Недостатком данного технического решения является его технологическая сложность и недостаточная проработанность с точки зрения создания интегральных устройств миллиметрового и субмиллиметрового волновых диапазонов.The disadvantage of this technical solution is its technological complexity and insufficient development from the point of view of creating integrated devices for millimeter and submillimeter wave ranges.

Патент РФ RU 121962 U1 (ЭБД ФГУ ФИПС, опубликован 10.11.2012; классификационный индекс H01Q 1/38).Russian Federation Patent RU 121962 U1 (EDB FGU FIPS, published 10.11.2012; classification index H01Q 1/38).

Антенна отражательного типа на многослойной печатной плате относится к антенной технике и может быть использована в системах радиосвязи, радиолокации, а также в системах приема передач спутникового телевизионного и радиовещания диапазонов сверхвысоких и крайне высоких частот.A reflective antenna on a multilayer printed circuit board is related to antenna technology and can be used in radio communication systems, radar systems, as well as in systems for receiving transmissions of satellite television and radio broadcasting in the ultra-high and extremely high frequency ranges.

Антенна отражательного типа, состоящая из рупорного облучателя, рефлектора, выполненного в виде антенной решетки различной формы с отражательными элементами, каждый из которых представляет собой конический рупор с отрезком круглого волновода, закороченного на конце и устройства подстройки фазы отраженного сигнала, при этом рефлектор антенной решетки выполнен на плоской многослойной печатной плате с чередованием диэлектрических и проводящих слоев, а каждый проводящий слой, за исключением последнего, содержит свободные от металлизации участки круглой формы с диаметрами равными диаметрам соответствующих поперечных сечений конического рупора или круглого волновода с диэлектрическим заполнением, причем соседние проводящие слои соединены между собой металлизированными отверстиями, расположенными по окружности у края участка свободного от металлизации.A reflective antenna consisting of a horn feed, a reflector made in the form of an antenna array of various shapes with reflective elements, each of which is a conical horn with a section of a circular waveguide shorted at the end and a device for adjusting the phase of the reflected signal, wherein the reflector of the antenna array is made on a flat multilayer printed circuit board with alternating dielectric and conductive layers, and each conductive layer, with the exception of the last, contains sections of a circular shape free of metallization with diameters equal to the diameters of the corresponding cross-sections of the conical horn or circular waveguide with dielectric filling, wherein adjacent conductive layers are connected to each other by metallized holes located along the circumference at the edge of the section free of metallization.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции антенны и снижение ее массогабаритных параметров.The technical result of the invention is to simplify the antenna design and reduce its weight and dimensions.

Патент США US 20220337240 A1 (ЭБД Google patents, опубликован 20.10.2022; классификационный индекс H03K 19/18, H03H 1/00, H01Q 15/002, H01Q 15/148, Н03Н 11/02, Н03К 17/687, G11C 19/28, Н03Н 2001/0064, H03K 3/037).US Patent US 20220337240 A1 (Google patents database, published 10/20/2022; classification index H03K 19/18, H03H 1/00, H01Q 15/002, H01Q 15/148, H03H 11/02, H03K 17/687, G11C 19/28, H03H 2001/0064, H03K 3/037).

Наиболее близкий аналог рассматриваемого технического решения описан в данном патенте. Настоящий патент обеспечивает систему и способ для модульного подхода к созданию программируемых герагерцовых метаповерхностей с полностью интегрированными ячейками кремниевых чипов. Структуры активных метаэлементов создаются путем включения в каждый субволновой пассивный метаэлемент нескольких активных устройств, тесно связанных с более глубокими субволновыми индуктивными петлями. Используя локальные резонансы внутри метаэлемента, устройства могут работать как эффективные переключатели даже на герагерцовых частотах. Цифровые коды для различных конфигураций позволяют реконфигурировать структуру, чтобы она принимала различные формы, создавая множество амплитудных и фазовых преобразований.The closest analogue of the considered technical solution is described in this patent. This patent provides a system and method for a modular approach to creating programmable hertz metasurfaces with fully integrated silicon chip cells. The active metaelement structures are created by including several active devices tightly coupled to deeper subwavelength inductive loops in each subwavelength passive metaelement. Using local resonances within the metaelement, the devices can operate as effective switches even at hertz frequencies. Digital codes for different configurations allow the structure to be reconfigured to take on different shapes, creating a variety of amplitude and phase transformations.

Метаповерхности, состоящие из массивов субволновых рассеивателей, можно использовать для точного контроля падающих электромагнитных полей, но после изготовления они обычно статичны. Динамически программируемый массив метаэлементов терагерцового диапазона, в котором каждый элемент может быть индивидуально реконфигурирован для обеспечения контролируемого формирования волнового фронта, может быть полезен в терагерцовых приложениях, таких как беспроводная связь, датчики и изображения. Здесь показано, что крупномасштабные программируемые метаповерхности могут быть созданы с использованием массивов комплементарных плиток на основе металл-оксид-полупроводник (КМОП). Была разработана апертура с массивом мозаичных чипов 2×2, состоящим из 576 метаэлементов, каждый из которых имеет индивидуальную адресацию и программируется в цифровом виде с 8-битным управлением с субнаносекундным быстродействием, и изготовлена по стандартному для отрасли КМОП-процессу с технологической нормой 65 нм. Структура терагерцового метаэлемента с активной цепью может быть реконфигурирована, обеспечивая программируемые в цифровом виде метаповерхности с управлением амплитудой и фазой, глубиной амплитудной модуляции около 25 дБ, динамическим формированием пучка в пределах ±30°, многолучевым формированием и программируемыми голографическими проекциями на частоте 0,3 ТГц.Metasurfaces composed of arrays of subwavelength scatterers can be used to precisely control incident electromagnetic fields, but are typically static once fabricated. A dynamically programmable array of terahertz metaelements, in which each element can be individually reconfigured to provide controlled wavefront shaping, could be useful in terahertz applications such as wireless communications, sensors, and imaging. Here, we show that large-scale programmable metasurfaces can be fabricated using complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) tile arrays. An aperture with a 2×2 tile chip array of 576 metaelements, each individually addressable and digitally programmable with 8-bit control at subnanosecond speeds, was developed and fabricated in an industry-standard 65 nm CMOS process. The active circuit terahertz metaelement structure can be reconfigured to provide digitally programmable metasurfaces with amplitude and phase control, amplitude modulation depth of approximately 25 dB, dynamic beam shaping over ±30°, multi-beam shaping, and programmable holographic projections at 0.3 THz.

Недостатком ближайшего аналога является то, что в качестве активных элементов используются кремниевые КМОП-транзисторы, которые имеют ограничение по времени перестройки не менее 10 пикосекунд в составе такой метаповерхности, при этом в техническом решении продемонстрировано только субнаносекундное быстродействие. Основным отличием заявляемой полезной модели от ближайшего аналога является то, что в качестве активных элементов в составе элементарной ячейки интеллектуальной отражающей поверхности используются планарные диоды с барьером Шоттки, которые потенциально обладают более высоким быстродействием, на субпикосекундном уровне, чем устройства на основе кремниевых КМОП-транзисторов. представленных в ближайшем аналоге, а также жидких кристаллов, PIN-диодов, двумерных материалов, графена и прочих. Также важным фактором является то, что транзисторные переключатели требуют трех линий смещения в составе элементарной ячейки, по которым задаются состояния активного элемента влияющие на динамическое формирование пучка интеллектуальной отражающей поверхности. В свою очередь, для диодных микроключей требуется только две такие линии смещения в составе одиночной ячейки, что при прочих равных позволяет упростить конструкцию интеллектуальной отражающей поверхности.The disadvantage of the closest analogue is that silicon CMOS transistors are used as active elements, which have a tuning time limit of at least 10 picoseconds as part of such a metasurface, while the technical solution demonstrates only subnanosecond performance. The main difference between the claimed utility model and the closest analogue is that planar Schottky barrier diodes are used as active elements in the elementary cell of the intelligent reflective surface, which potentially have a higher performance, at the subpicosecond level, than devices based on silicon CMOS transistors. presented in the closest analogue, as well as liquid crystals, PIN diodes, two-dimensional materials, graphene, etc. Another important factor is that transistor switches require three bias lines as part of the elementary cell, along which the states of the active element are set, affecting the dynamic formation of the beam of the intelligent reflective surface. In turn, diode microswitches require only two such bias lines in a single cell, which, all other things being equal, allows for the simplification of the design of an intelligent reflective surface.

Полезная модель призвана устранить вышеуказанные недостатки известных технических решений и обеспечить возможность изготовления интеллектуальных отражающих поверхностей для маршрутизации сигнала в каналах беспроводной связи терагерцового диапазона в составе конечного устройства.The utility model is designed to eliminate the above-mentioned shortcomings of known technical solutions and to ensure the possibility of manufacturing intelligent reflective surfaces for signal routing in terahertz range wireless communication channels as part of an end device.

Раскрытие полезной моделиDisclosure of a utility model

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в расширении класса устройств интеллектуальных отражающих поверхностей, интегрированных с диодными микроключами, предназначенных для маршрутизации сигналов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.The task, which the utility model is aimed at solving, consists of expanding the class of devices of intelligent reflective surfaces integrated with diode microswitches, intended for routing signals of millimeter and submillimeter wavelength ranges.

Данная задача может быть достигнута путем реализации конструкции интеллектуальной отражающей поверхности на основе фотонного кристалла арсенида галлия и диодных микроключей, включающей в себя: пластину из полуизолирующего арсенида галлия с прямоугольным массивом сквозных круговых цилиндрических отверстий, массив щелевых линий переменного импеданса с встроенными быстродействующими диодными микроключами в местах максимального сужения, представляющие собой планарные диоды Шоттки, между их анодных и катодных металлизаций, линии смещения постоянным током, массивом вертикальных электрических контактов и тонкой развязывающей диэлектрической пленки, при этом прямоугольная решетка отверстий имеет идентичные по двум взаимно перпендикулярным направлениям постоянные решетки, равные четверти длины волны не зеркально отражаемого излучения в свободном пространстве и сформирована в местах максимального расширения щелевых линий переменного импеданса. Линии смещения постоянным током представлены 8 плоскими металлическими проводами с переходом на контактные площадки, 4 для управления по строкам и 4 для управления по столбцам, соответственно. Массив вертикальных электрических контактов соединяет 4 плоских провода управляющих строками с элементами массива щелевых линий переменного импеданса. Для электрической развязки между линиями смещения управляющие строками и столбцами используется тонкая диэлектрическая пленка.This task can be achieved by implementing the design of an intelligent reflective surface based on a gallium arsenide photonic crystal and diode microswitches, including: a plate of semi-insulating gallium arsenide with a rectangular array of through circular cylindrical holes, an array of slot lines of variable impedance with built-in high-speed diode microswitches in places of maximum narrowing, which are planar Schottky diodes, between their anode and cathode metallizations, direct current bias lines, an array of vertical electrical contacts and a thin decoupling dielectric film, wherein the rectangular lattice of holes has identical lattice constants in two mutually perpendicular directions, equal to a quarter of the wavelength of non-specularly reflected radiation in free space and is formed in places of maximum expansion of the slot lines of variable impedance. The DC bias lines are represented by 8 flat metal wires with transitions to contact pads, 4 for row control and 4 for column control, respectively. An array of vertical electrical contacts connects 4 flat wires controlling rows with elements of the array of slotted variable impedance lines. A thin dielectric film is used for electrical isolation between the bias lines controlling rows and columns.

Техническим результатом является технологичная конструкция интеллектуальной отражающей поверхности на основе фотонного кристалла арсенида галлия и диодных микроключей миллиметрового и субмиллиметрового волновых диапазонов, совместимая с унифицированными способами производства микроволновых монолитных и радиофотонных интегральных схем.The technical result is a technological design of an intelligent reflective surface based on a photonic crystal of gallium arsenide and diode microswitches of millimeter and submillimeter wave ranges, compatible with unified methods of producing microwave monolithic and radio-photonic integrated circuits.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 - Схематичная 3D-модель конструкции интеллектуальной отражающей поверхности на основе фотонного кристалла арсенида галлия и диодных микроключей, где:Fig. 1 - Schematic 3D model of the design of an intelligent reflective surface based on a gallium arsenide photonic crystal and diode microswitches, where:

1 - пластина из полуизолирующего арсенида галлия;1 - a plate of semi-insulating gallium arsenide;

2 - массив сквозных круговых цилиндрических отверстий;2 - array of through circular cylindrical holes;

3 - массив щелевых линий переменного импеданса;3 - array of slotted variable impedance lines;

4 - массив быстрых диодных микроключей;4 - array of fast diode microswitches;

5 - двухуровневая система управляющих плоских металлических проводов;5 - two-level system of control flat metal wires;

6 - массив вертикальных электрических контактов между 3 и 5;6 - array of vertical electrical contacts between 3 and 5;

7 - развязывающая диэлектрическая пленка.7 - decoupling dielectric film.

Фиг. 2 - Вид сверху схематичной 3D-модели конструкции интеллектуальной отражающей поверхности на основе фотонного кристалла арсенида галлия и диодных микроключей.Fig. 2 - Top view of a schematic 3D model of the design of an intelligent reflective surface based on a gallium arsenide photonic crystal and diode microswitches.

Фиг. 3 - Сечение схематичной 3D-модели конструкции интеллектуальной отражающей поверхности на основе фотонного кристалла арсенида галлия и диодных микроключей.Fig. 3 - Section of a schematic 3D model of the design of an intelligent reflective surface based on a gallium arsenide photonic crystal and diode microswitches.

На фиг. 2 в местном виде А быстрый диодный микроключ 4 показан схематично белым прямоугольником. На фиг. 3 толщина пластины из полуизолирующего арсенида галлия 1 и высота цилиндроидов массива сквозных круговых цилиндрических отверстий 2 представлены не в масштабе.In Fig. 2 in local view A fast diode microswitch 4 is shown schematically by a white rectangle. In Fig. 3 the thickness of the plate of semi-insulating gallium arsenide 1 and the height of the cylindroids of the array of through circular cylindrical holes 2 are not shown to scale.

Осуществление полезной моделиImplementation of a utility model

Конструкция интеллектуальной отражающей поверхности на основе фотонного кристалла арсенида галлия и диодных микроключей может быть изготовлена на пластине арсенида галлия, состоящей по крайней мере из трех слоев - полуизолирующей подложки арсенида галлия, токонесущего и эпитаксиального слоев. При структурировании массивов быстрых диодных микроключей и щелевых линий переменного импеданса могут быть использованы методы фото- и электронной литографий, быстрого термического отжига в инертных газах, селективного жидкостного и плазмохимического травления. Формирование массива сквозных круговых цилиндрических отверстий может быть осуществлено с помощью прямой лазерной обработки пластины арсенида галлия. Для подстройки необходимой толщины полуизолирующей подложки арсенида галлия может использоваться метод механического утонения.The design of the intelligent reflective surface based on the gallium arsenide photonic crystal and diode microswitches can be manufactured on a gallium arsenide plate consisting of at least three layers - a semi-insulating gallium arsenide substrate, a current-carrying layer and an epitaxial layer. When structuring arrays of fast diode microswitches and slotted variable impedance lines, photo- and electron lithography, rapid thermal annealing in inert gases, selective liquid and plasma-chemical etching can be used. The formation of an array of through circular cylindrical holes can be carried out using direct laser processing of the gallium arsenide plate. The mechanical thinning method can be used to adjust the required thickness of the semi-insulating gallium arsenide substrate.

Устройство может использоваться как маршрутизатор сигналов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов в отраженном свете. Пучок сигнала миллиметрового или субмиллиметрового диапазона попадая на поверхность конструкции интеллектуальной отражающей поверхности на основе фотонного кристалла арсенида галлия и диодных микроключей, отражается от нее, в общем случае, под незеркальным углом. Угол отражения пучка миллиметрового или субмиллиметрового диапазона от интеллектуальной отражающей поверхности зависит от градиента импеданса массива щелевых линий переменного импеданса, который в свою очередь задается конфигурацией состояний массива быстрых диодных микроключей. Изменение конфигурации состояний массива быстрых диодных микроключей зависит от напряжения смещения постоянным током каждого элемента массива. Для этого используется двухуровневая система управляющих плоских металлических проводов, через которую возможно осуществлять построчное и поколоночное манипулирование напряжением смещения элементов диодного массива.The device can be used as a router of millimeter and submillimeter range signals in reflected light. A millimeter or submillimeter range signal beam, hitting the surface of the structure of an intelligent reflective surface based on a gallium arsenide photonic crystal and diode microswitches, is reflected from it, in the general case, at a non-specular angle. The angle of reflection of a millimeter or submillimeter range beam from an intelligent reflective surface depends on the impedance gradient of the array of slot lines of variable impedance, which in turn is specified by the configuration of the states of the array of fast diode microswitches. A change in the configuration of the states of the array of fast diode microswitches depends on the bias voltage of each element of the array with direct current. For this purpose, a two-level system of control flat metal wires is used, through which it is possible to perform row-by-row and column-by-column manipulation of the bias voltage of the elements of the diode array.

Claims

1. An intelligent reflective surface based on a gallium arsenide photonic crystal and diode microswitches, comprising a plate of semi-insulating gallium arsenide with a rectangular array of through circular cylindrical holes, an array of slotted variable impedance lines, an array of fast diode microswitches, a two-level system of control flat wires, an array of vertical electrical contacts and a decoupling dielectric film, wherein the rectangular array of holes has identical lattice constants in two mutually perpendicular directions, equal to a quarter of the wavelength of non-specularly reflected radiation in free space.

2. An intelligent reflective surface based on a gallium arsenide photonic crystal and diode microswitches according to paragraph 1, characterized in that the rectangular lattice of holes is formed in places of maximum expansion of the variable impedance slot lines.

3. An intelligent reflective surface based on a gallium arsenide photonic crystal and diode microswitches according to item 1, characterized in that the variable impedance slot lines are integrated with fast diode microswitches in places of maximum narrowing.

4. An intelligent reflective surface based on a gallium arsenide photonic crystal and diode microswitches according to paragraph 1, characterized in that the two-level system of control flat wires is connected to an array of slotted variable impedance lines using an array of vertical electrical contacts through a decoupling dielectric film.