Реферат по теме выпускной работы «Исследование антенн с электронным сканированием»
Содержание
2. Методы сканирования диаграммы направленности антенн
4. Характеристики используемых реверсивных материалов
Цель работы – возможность применения реверсивных сред в антенной технике, а именно разработка метода электронного сканирования диаграммы направленности зеркальных антенн, основанного на их свойствах.
Объект исследования - использование электронного метода сканирования диаграммы направленности зеркальных антенн для решения задач управления скоростью сканирования диаграммы направленнсоти (ДН), получения заданной формы и ширины диаграммы направленности антенны в диапазоне сверхвысоких частот, а также управления диаграммой направленности антенны в процессе сканирования по заданному закону.
Новизна работы состоит в применении реверсивного среды - нового материала с особыми свойствами - в антенной технике и выполнении на основе даннного материала антенн, а также их комбинирование в одну антенную систему.
Результат работы - предложенный способ получения заданной формы и ширины диаграммы направленности антенны в диапазоне сверхвысоких частот, а также способ управления диаграммой направленности антенны в процессе сканирования по заданному закону.
Ключевые слова: реверсивные среды, электронное сканирование, зеркальная антенна, сканирование диаграммы направленности, РЛС.
Введение
На данном этапе антенны из простого средства увеличения дальности радиосвязи превратились в определяющее звено радиосистем. Предельные возможности современных радиолокационных станций по дальности и точности пеленгации целей, предельные чувствительность и разрешающая способность радиотелескопов, предельные дальности радиосвязи в космосе с удаленными объектами и многие другие характеристики разнообразных радиосистем определяются технически достижимыми параметрами антенных устройств, в первую очередь – шириной ДН, т. е. направленностью действия [5].
В настоящее время антенная техника достигла уровня своей зрелости, и её развитие в последние годы идёт в основном не по пути создания принципиально новых типов антенн, а по пути улучшения их характеристик и внедрения новых методов их использования. При этом появление новых идей в области антенной техники стимулируется потребностями создания радиосистем с теми или иными заданными характеристиками [1].
1. Методы сканирования диаграммы направленности антенн
Сканирование, т. е. перемещение главного лепестка ДН антенны в пространстве, может осуществляться механическим, электромеханическим и чисто электрическим способами.
При механическом способе сканирования осуществляется поворот всей конструкции антенны, что сильно ограничивает скорость обзора пространства и требует больших энергетических затрат.
При электромеханическом способе сканирования с помощью электромагнитов или электродвигателей осуществляется механическое перемещение одного или нескольких элементов антенны, что приводит к наклону эквифазной поверхности поля в неподвижном раскрыве. Классическим примером является управление положением луча зеркальной антенны при боковом смещении облучателя. Электромеханический способ обеспечивает лучшее быстродействие, так как движущиеся элементы имеют небольшую массу по сравнению с массой всей антенны.
Однако ни механический, ни электромеханический способы сканирования не удовлетворяют современным требованиям к скорости обзора пространства и не дают возможности одновременно наблюдать за перемещениями нескольких быстро движущихся объектов.
Наибольшую скорость обзора обеспечивает электрический способ сканирования. Быстродействие сканирования здесь ограничивается инерционностью, обусловленной постоянными времени электрических цепей, причём эта инерция на несколько порядков меньше механической инерции в двух первых способах.
Электрический способ сканирования может применяться для решения таких задач, как сканирование в пространстве в широком секторе углов, получение ДН заданной формы, возможность синфазного сложения сигналов, более полное извлечение информации из поступающих сигналов за счёт применения современных методов обработки сигналов, возможность управления эффективной отражающей поверхностью объектов.
Как правило, электрическое сканирование реализуется в многоэлементных антенных решетках. Различают фазовое, амплитудное и частотное электрическое сканирование.
В фазовом способе сканирования регулируются только фазовые сдвиги на входах отдельных излучателей решётки при почти не меняющемся амплитудном распределении. В амплитудном способе сканирования перемещение луча осуществляется переключением входов многолучевой антенной системы, т. е. происходит коммутация парциальных диаграмм направленности.
При частотном способе электрического сканирования управление фазовыми сдвигами элементов антенной решётки происходит при изменении только одного параметра – частоты колебаний, что требует создания специальных частотно - зависимых схем возбуждения элементов решётки.
Практическая реализация данного метода является сложной из-за ряда специфических трудностей, таких как:
появление фазовых ошибок в раскрыве из-за неточности действия управляющих устройств, дискретности фазирования, рассогласования и взаимосвязи элементов при сканировании;
появление дополнительных потерь мощности СВЧ в управляющих устройствах;
относительная узкополосность, связанная с возможностью появления побочных главных максимумов, высокая начальная стоимость и сравнительно большие эксплуатационные расходы [11].
2. Способ электронного сканирования диаграммы направленности антенн с использованием свойств реверсивных сред
В работе рассматривается способ электронного сканирования диаграмм направленности зеркальных антенн, основанный на выполнении зеркала антенны из реверсивной среды. Особенность реверсивной среды заключается в том, что в исходном состоянии она является радиопрозрачной, а при воздействии на неё управляющего сигнала она приобретает свойства отражающей поверхности [3].
Известно, что строение энергетического спектра является главным фактором, определяющим электропроводность веществ или, в конечном счете, их принадлежность к группе металлов, полупроводников или диэлектриков. У диэлектриков валентная зона отделена от зоны проводимости широкой запрещённой зоной (5 – 10 эВ). Поэтому переход электронов в зону проводимости вследствие теплового возбуждения невозможен. У металлов нет запрещённой зоны, так как зона проводимости и валентная зона у них перекрываются. К классу полупроводников относят вещества с шириной запрещённой зоны, лежащей в пределах 0,01 – 5 эВ.
В полупроводнике при низких температурах и отсутствии подвода энергии извне в зоне проводимости нет ни одного электрона, и кристалл не проводит электрического тока, т. е. является изолятором. При подводе энергии извне, например, при нагреве кристалла, амплитуда колебаний ионов в узлах решётки увеличивается, что создаёт возможность перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.
При данной температуре вероятность такого перехода будет тем больше, чем меньше ширина запрещённой зоны. В свою очередь, чем больше электронов перейдет в зону проводимости, тем выше электропроводность кристалла. В отличие от металлов, удельное сопротивление собственных полупроводников с ростом температуры уменьшается. Электропроводность при этом возрастает по экспоненциальному закону. При отсутствии излучения вблизи абсолютного нуля температуры идеальный полупроводник ведет себя как изолятор. С повышением температуры он приобретает энергию, количество которой в какой - то момент становится достаточным для массового переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости. В зоне проводимости возникают носители заряда – электроны, в образовавшемся пустом месте валентной зоны тот час же возникает положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду, ушедшего в зону проводимости электрона. Данной рекомбинацией обусловлена собственная электропроводность полупроводника. Для каждого полупроводника она наступает при разных температурах, тем больших, чем больше ширина запрещённой зоны полупроводника.
Введение в беспримесный полупроводник ничтожного количества примесей очень сильно увеличивает его электропроводность. При введении в полупроводник примесей происходит замещение в кристаллической решётке атомов полупроводника атомами примесей, в результате чего в идеальном полупроводнике появляется дырочная или электронная проводимость. Однако характер электропроводности изменяется с увеличением температуры. При повышении температуры в зону проводимости во всё возрастающих количествах поступают электроны из примесных уровней и из валентной зоны. Электропроводность начинает приобретать смешанный характер. По мере повышения температуры примесные уровни истощаются, так как концентрация доноров в полупроводнике имеет конечное значение. Наконец при некоторой температуре поставщиком электронов в зону проводимости станет одна валентная зона [2].
Увеличение концентрации примесей в полупроводнике уменьшает величину переходной области между примесной и собственной проводимостью. Это означает, что возбуждение электронов из валентной зоны начинается раньше, чем исчерпались электроны на примесных уровнях. При дальнейшем повышении содержания примесей энергия активных примесных центров начинает уменьшаться. С некоторой концентрации она обращается в нуль, т. е. полупроводник превращается в полуметалл. Такие вещества при низких температурах ведут себя как металлы, а при высоких как диэлектрики. Таким образом, в качестве реверсивной среды может быть использован насыщенный примесями полупроводник, управляемый температурой.
Подобный эффект происходит при воздействии на полупроводниковую пластину светового или электронного луча. Под действием энергии излучения, поглощаемой полупроводником, в нём возникает дополнительная электропроводность. Электропроводность под действием излучения возникает благодаря тому, что, отдавая свою энергию валентным электронам, фотоны увеличивают число носителей заряда. При постоянной температуре и отсутствии излучения электропроводность собственного или примесного полупроводника называется темновой электропроводностью. После освещения полупроводника светом с энергией фотонов, превышающей ширину запрещённой зоны собственного полупроводника или энергию ионизации примесного полупроводника, в зоне проводимости появляются дополнительные неравновесные носители зарядов. В результате электропроводность полупроводника возрастает.
Установлено, что подвижность фотоносителей не отличается от подвижности темновых носителей заряда, вызываемых тепловым движением.
Образование фотоносителей вызывает локальное изменение всех электромагнитных параметров материала: коэффициентов отражения, преломления и прохождения электромагнитной волны. В неосвещенном состоянии реверсивная среда обладает малым темновым возбуждением, что характеризует её как радиопрозрачную среду [10]. Источником света могут являться мощные источники примерно солнечного спектрального состава, причём наилучшие характеристики применяемых материалов достигаются при уровнях освещённости 300 000 - 500 000 лк, так как при таком уровне освещённости не наблюдается заметного насыщения как в режиме прохождения электромагнитной волны, так и режиме отражения.
В предлагаемом нами способе сканирования поверхность реверсивной среды освещается интенсивным световым пятном необходимой формы и размеров, изменение размеров светового пятна приводит к изменению ширины диаграммы направленности и её формы в заданной плоскости. Очевидно, что ширина диаграммы направленности антенны зависит от величины, формы и ориентации светового пятна: чем шире световое пятно, тем уже диаграмма направленности антенны в этой плоскости.
Последовательно перемещая освещённую (возбуждаемую) область по поверхности зеркала производится перемещение (сканирование) диаграммы направленности в пространстве. При этом скорость сканирования ограничивается только скоростью перехода реверсивной среды из непроводящего состояния в проводящее (определяется временем жизни неравновесных носителей тока) и скоростью перемещения светового воздействия. Закон изменения положения освещенной области, а, следовательно, и диаграммы направленности антенны в пространстве может быть любым заданным [5, 6].
Таким образом, данный способ позволяет получить заданную форму и ширину диаграмму направленности антенны в СВЧ - диапазоне, а также управлять диаграммой направленности антенны в процессе сканирования по заданному закону, обеспечивая гибкость траектории и скорость развёртки.
3. Характеристики используемых реверсивных материалов
К полупроводниковому материалу, используемому при создании зеркала антенны, предъявляется ряд требований, в частности, по инерционности, спектральным характеристикам, механическим свойствам и т. д. При этом полупроводниковая пластина должна иметь высокую амплитудную и фазовую однородность, чему уделяется особое внимание при разработке этого элемента.
В качестве полупроводниковых пластин могут быть использованы наборные монокристаллические панели из кремния n-типа и германия n-типа (удельное сопротивление 40 – 45 Ом•см, время жизни неравновесных носителей тока τ ~ 50 мкс).
Известно, что темновой коэффициент отражения таких монокристаллических пластин на резонансной длине волны составляет около 0,1 – 1%, а поликристаллических слоев (на основе сульфида и селена кадмия) толщиной 200 – 300 мкм в 8 мм диапазоне от 1,5 до 5%, а в 3 см диапазоне – от 0,8 до 2%. Время жизни неравновесных носителей тока в поликристаллических слоях τ ~ 0,5 – 1 мкс.
Если монокристаллические панели обладают низкой инерционностью, то поликристаллы значительно более технологичны, что позволяет при уже существующей технологии получить пластины требуемых для создания зеркала антенны размеров. Такие пластины характеризуются лучшими показателями амплитудной и фазовой однородности (средний квадратичный разброс по всей рабочей поверхности не превосходит 1 – 5% по амплитуде и 1,5 – 2˚ по фазе в режиме прохождения электромагнитной волны) при больших размерах пластин (до 50λ) [3, 4].
На рисунке изображен один из результатов работы - многолучевая зеркальная сканирующая антенна. Данная антенна выполнена из радиопрозрачного вещества и покрыта тонким слоем реверсивной среды. При воздействии на неё источниками управляющих сигналов она формирует последовательно два типа диаграмм напрвленности: веерную и специального типа (косекансную), что даёт возможность использовать данную антенну в РЛС для обзора пространства и слежения за движущимися объектами.
Тип рисунка - анимация.
Формат анимации - gif;
размер: 400х292 пикселей, 50,7 Кб;
количество кадров - 3;
задержка одного кадра - 1 сек.;
создана с помощью он-лайн создателя анимаций "Gif Animation Maker"
www.gifup.com.
Библиографический спиcок
1. Вайнберг И.А., Павельев В.А. Исследование амплитудно-фазовой структуры ближнего поля антенны СВЧ при помощи фотоуправляемых полупроводниковых панелей. Радиотехника и электроника, - М.: Наука, 1971. №9 – 685 с.
2. Вайнберг И.А., Вайнберг Э.И., Павельев В.А. Индикация структуры электромагнитного поля при помощи неравновесных носителей тока в полупроводниках. Радиотехника и электроника, - М.: Наука, 1971. №3 – 371 с.
3. Волькенштейн Ф.Ф. Электроны и кристаллы. – М.: Наука, 1983. – 128 с.
4. Зуев В.А., Саченко А.В., Толпыго К.Б. Неравновесные приповерхностные процессы в полупроводниках и полупроводниковых приборах. - М.: Советское радио, 1977. – 256 с.
5. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975. – 528 с.
6. Нашельский А. Я. Технология полупроводниковых материалов, – М.: Наука, 1973.
7. Патент № 49709, Украина, МПК (2009) H01Q19/10. Многолучевая зеркальная сканирующая антенна. Донецкий национальный технический университет. Паслён В.В, Федотова (Доронина) М.В., Михайлов М.В., Михайлова А.В., Иваницин В.Е., Вахнова Е.Е. Публ. – 11.05.2010. Бюл. №9 – 8 стр.
8. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ, - М.: Высшая школа, 1988. – 432 с.
9. Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов. - К.: Технiка, 1969. – 300 с.
10. Федотова (Доронина) М.В., Барабаш Ю.С., Паслён В.В. Формирование диаграммы направленности специальной формы в зеркальных антеннах // Материалы XIII Международного молодёжного форума «Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке». – Харьков: ХНУРЭ, 2009 - с. 35.
11. Федотова (Доронина) М.В., Барабаш Ю.С., Паслён В.В. Формирование диаграммы направленности специальной формы в зеркальных антеннах // Материалы XI Международной молодёжной научно-практической конференции «Человек и космос». – Днепропетровск: НЦАОМ, 2009.
12. Федотова (Доронина) М.В., Паслён В.В. Антенны специального назначения // Материалы XIV Международного молодёжного форума «Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке». Сборник тезисов. – Харьков: ХНУРЭ, 2010 - с. 25.
13. Федотова (Доронина) М.В., Паслён В.В. Диаграммы направленности специальной формы // Материалы XII Международной молодёжной научно-практической конференции «Человек и космос». Сборник тезисов. – Днепропетровск: НЦАОМ, 2010 - с. 418.
14. Федотова (Доронина) М.В. Многолучевая зеркальная сканирующая антенна // Материалы 6-ой Международной молодёжной научно-практической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ - 2010». Сборник тезисов. - Севастополь: СевНТУ, 2010 - с. 196.
15. Доронина М.В. Зеркальная сканирующая антенна // Материалы 7-ой Международной молодёжной научно-практической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ - 2011». Сборник тезисов. - Севастополь: СевНТУ, 2011.
16. Филькенштейн М.И. Основы радиолокации. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1983. – 536 с.
17. Хорхордин А.А., Носко Ю.В., Паслен В.В. О возможности использования реверсивных сред в антенной технике / Международная научно-практическая конференция «Человек и космос»: Сборник тезисов. – Днепропетровск: НЦАОМУ, 2004. – с. 296.
18. Статья «Зеркальные антенны» на сайте "gardenweb.ru".
Автореферат находится в стадии разработки. Приведенный выше вариант не является окончательным. Окончатльный вариант работы будет готов в декабре 2011 года.