Факультет радіотехніки та спеціальної підготовки
Спеціальність: Радіоелектронні пристрої, системи та комплекси
Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку радіотехніки не можна не відзначити значне розширення області завдань, що вирішуються сучасними радіотехнічними системами і, як наслідок, підвищення вимог до якісних показників і конструктивних параметрів радіоелектронної апаратури [1]. Зокрема, таке підвищення вимог характерне й для антен та надвисокочастотних (НВЧ) пристроїв, які відіграють важливу роль в організації систем і мереж радіозв'язку. До основних переваг радіозв'язку слід віднести оперативність установлення прямого зв'язку на певній відстані та простоту організації зв'язку з нестаціонарними об'єктами, проте, радіозв'язку властиві також і певні недоліки, такі як складність організації бездротових каналів зв'язку у підземних спорудах (у тунелях, штольнях і таке інше), різний характер завмирань сигналів на трасах радіозв'язку, відносно невисока завадозахищеність. На практиці, при організації каналів радіозв'язку у спорудах і будівлях, широкого поширення набули системи зв'язку у яких є центральна станція і кілька базових станцій, при цьому передача даних між центральною та базовими станціями організується по хвилевідним (в тому числі і оптоволоконним) або дротовим (фідерним) лініям зв'язку, а передача даних на пристрої мережі, що не є базовими або центральною станціями, здійснюється базовою станцією через радіоканал. До таких систем зв'язку належать, зокрема, так звані телекомунікаційні системи волоконно-ефірної структури (системи класу Radio over Fiber (RoF)).
У сучасних тенденціях розвитку радіотехніки чітко просліджуються тенденції того, що до систем зв’язку постійно будуть висуватися більш суворіші вимоги щодо багатьох параметрів, таких як полоса пропускання, робоча частота, масогабаритні показники, електромагнітна сумісність, тощо. Очевидно, що дотримання цих вимог потребує інноваційних рішень.
Існує велика кількість напрямків досліджень з метою розв'язання існуючих проблем радіотехніки, особливе місце серед цих напрямків займає розробка нових пристроїв, зокрема, тих, які б виконували конкретні функції (задачі), мали якнайпростішу конструкцію (будову) та мінімальну споживану потужність.
Перспективними напрямками розвитку радіотехніки, зокрема телекомунікаційних систем, є волоконно-оптичні лінії зв'язку та радіолінії зв'язку. Тому природним є прагнення до створення простих пристроїв для перетворення оптичного сигналу на електромагнітний сигнал і навпаки, при цьому сигнал, у такому випадку, розглядається як носій інформації. Використання фотонних пристроїв і волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ) відкриває нові можливості і дає змогу підвищити продуктивність радіотехнічних систем, та це у свою чергу спричинило появу нової задачі у радіотехніці — задачі розробки фотонно-керованих антен.
Порівняно недавно була запропонована нова концепція побудови пристроїв для перетворення оптичного сигналу на електромагнітний сигнал і навпаки, це так звані фотонні антени [2]–[4]. Термін «фотонні антени» [2]–[4] є скороченою назвою інтегрованих фотонно-активних антен, які також відомі під назвою PhAIAs (акронім від англ. «photonic active integrated antennas») [5], [6]. Для фотонних антен характерне те, що сигнал до антени, у випадку передавальної антени, та від антени, у випадку приймальної антени, розповсюджується по оптичному волокну. Складається фотонна антена з мікрополоскової антени та фотонного пристрою (фотодіода або лазера, відповідно до того, чи це — передавальна, чи приймальна антена) [5], [6]. Простота конструкції такого пристрою зумовлює зацікавленість ним. Його властивості та реальні можливості використання у системах зв'язку не були ретельно досліджені, отже, поглиблене дослідження можливостей фотонних антен є актуальним завданням.
Мета магістерської роботи полягає в дослідженні реальних можливостей використання фотонних антен (PhAIAs) в системах зв'язку та розробці нових конструктивних і технічних рішень інтегрованих фотонно-активних антен (PhAIAs [2]–[6]) з поліпшеними характеристиками, які б краще задовольняли конкретним заздалегідь передбачуваним умовам застосування фотонних антен.
Об'єктом дослідження є електромагнітні явища, що супроводжують роботу фотонних антен (PhAIAs).
Предметом дослідження є принципи роботи та властивості фотонних антен (англ. photonic active integrated antennas).
Методи досліджень. У магістерській роботі передбачається використання методів теорії розрахунку і конструювання НВЧ полоскових пристроїв та використання математичного апарату електродинаміки, а також експериментальні методи дослідження характеристик антен.
Практична цінність. Передбачається, що отримані результати можуть бути використані при побудові реальних систем зв'язку, а також при розробці аналогічних пристроїв.
Особистий внесок автора визначений в переліку публікацій за темою магістерської роботи. Перелік публікацій за темою магістерської роботи можна отримати у автора даного реферату.
Ключові слова: активні антени, мікрополоскові пристрої, напівпровідниковий лазер, фотодіод, фотонні пристрої, фотонні антени, англ. photonic active integrated antennas, інтегровані пристрої, частотні властивості, діаграма спрямованості, системи зв'язку, радіозв'язок.
Інформаційний пошук з теми роботи станом на 01.04.11 показав, що дослідження за даною тематикою (фотонні антени, та їх використання в системах зв'язку) у ДонНТУ не проводилися, також виявлено, що в інтернет джерелах відсутня будь-яка інформація про результати досліджень за даною тематикою зроблених в Україні. З інтернет джерел також відомо, що в світі дана тематика обговорюється та досліджується в Європі (у Великобританії, Польщі, Білорусії, Росії), Америці (в Сполучених Штатах Америки) та Азії (у Таїланді).
Концепція фотонних антен (PhAIAs [2]–[6]) є близькою до концепції інтеграції фотонних пристроїв з мікрополосковими антенами [7], і – є розширенням давно відомої концепції активних мікрополоскових антен (англ. active integrated antennas (AIA)) [8]. В основу фотонних антен покладено ідею використання фотонних пристроїв для керування параметрами антенами.
Головна відмінність фотонних антен від звичайних мікрополоскових антен (МПА) і активних патч-антен полягає в тому, що НВЧ сигнал до і від МПА передається по коаксіальному кабелю, а у випадку фотонних антен коаксіальний кабель замінено оптичним волокном. Також важливою особливістю PhAIA-антен є їхні односпрямовані властивості, тобто одна антена може працювати лише для передачі або прийому сигналу в залежності від того, який фотонний пристрій (фотодіод або напівпровідниковий лазер) інтегровано в МПА. Структурна схема системи передачі інформації (цифрових даних) з використанням фотонних антен має наступний вигляд, що зображено на рисунку 1.
Рисунок 1. Структурна схема системи передачі інформації з використанням фотонних антен.
(Зверніть увагу на конструкцію фотонної антени, яка працює на прийом радіосигналу, та на конструкцію фотонної антени, яка працює на передавання радіосигналу)
(Даний рисунок є анімацією. Обсяг файлу: 20 Кбайт; розміри: 730 × 252; кількість кадрів: 17; кількість циклів повторення: 7)
На рисунку 1 прийняті наступні позначення: PhAIA – фотонна антена (англ. photonic active integrated antenna), VCSEL – поверхнево випромінюючий лазер з вертикальним резонатором, Photodiode – фотодіод, optical fiber – оптичне волокно, splitter – канальний перемикач (для перемикання прийом - передача).
Ідея використання фотонних пристроїв, зокрема фотоелектронних пристроїв, для керування параметрами антенами не є новою. У 1985 році Daryoush, Bontzos і Herczfeld [7] презентували концепцію використання оптично керованого p-i-n діода для реконфігурації патч-антени (мікрополоскової антени). Дана концепція є однією з перших серед тих, що містять в собі ідеї використання фотонних пристроїв в антенній техніці. На рисунку 2 представлені концептуальні ідеї цієї оптично керованої антени. У цій структурі імпеданс p-i-n діода змінюється під впливом світлового опромінення безпосередньо на p-i-n структуру діода, за рахунок цього, можна «підключати» до основної патч-антени додатковий мікрополосковий елемент. До того ж світлове опромінення може бути підведене через оптичний хвилевід, або безпосередньо шляхом прямого освітлення. Такий підхід усуває необхідність у провідниковому з’єднанні і дозволяє інтегрувати керуючий пристрій у конструкцію антени, через те що замкнений діод майже не буде впливати на роботу антени. У 1988 році автори ідеї запатентували цю концепцію [7].
Рисунок 2. Концепція оптично-керованої антени [7].
Концепція фотонних антен передбачає використання фотонних пристроїв (в т.ч. напівпровідникових лазерів) за іншим призначенням, ніж зазначене у попередньому прикладі (див. рис.2). В конструкції фотонних антен фотонні пристрої використовуються у якості фотоприймальних та фотопередавальних пристроїв.
Рисунок 3. Концепція фотонних антен для передавання сигналу [4].
На рисунку 3 прийняті наступні позначення: Optical signal – оптичний сигнал, optical fiber – оптичне волокно, photodiode – фотодіод, radiator – НВЧ випромінювач, μWave – мікрохвильове випромінювання; пунктиром позначена фотонна антена.
Для більшості існуючих концепцій фотонно-керованих антен, й фотонних антен, зокрема, питання технології фотоелектронних пристроїв є критичним. Це зумовлено потребою у фотоелектронних пристроях які будуть конкретним чином реагувати на зміну величини освітленості. Тому велика частка робіт зосереджена на виборі потрібних фотоелектронних пристроїв (переважно напівпровідникових фотодіодів), які б задовольняли визначеним потребам.
Для побудови інтегрованих фотонно-активних антен у якості фотонних пристроїв, як зазначено в літературі [2]–[6], використовуються p-i-n фотодіоди, та VCSEL лазерні діоди. А у якості пристрою для випромінювання та приймання радіохвиль – мікрополоскова антена. Розглянемо ці прилади більш детально.
P-i-n фотодіод – це фотодіод у якого між двома областями протилежної провідності розташована середня i - область з власного напівпровідника.
Більшість фотонів поглинаються у власному напівпровіднику (i - області), це ефективно сприяє генеруванню фотоструму.
У порівнянні зі звичайним p-n фотодіод p-i-n фотодіод має товшу збіднену область, що зумовлює більшу квантову ефективність, а також призводить до зниження ємності і тим самим забезпечує більш високий рівень пропускної здатності [10, с. 499].
При прикладанні досить великої напруги, вона пронизує i - область, вільні носії, що з'явилося за рахунок фотонів при опроміненні, прискорюються електричним полем p-n переходів. Це зумовлює виграш у швидкодії і чутливості пристрою. Підвищення швидкодії в p-i-n фотодіоді обумовлено зміною процесу дифузії на дрейф електричних зарядів в сильному електричному полі.
Переваги:
1) є можливість забезпечення чутливості в довгохвильовій частині спектру за рахунок зміни ширини i - області;
2) висока чутливість і швидкодія;
3) мала робоча напруга.
Недоліки: технологічна складність отримання високої чистоти i - області.
Беручи до уваги вищезазначене зрозуміло, що використання p-i-n фотодіодів значною мірою пов'язане з їхньою швидкодією, високою чутливістю.
VCSEL лазерний діод – «Поверхнево випромінюючий лазер з вертикальним резонатором» – є одним з видів напівпровідникових лазерів, такий лазерний діод випромінює пучок світла в напрямі, перпендикулярному поверхні кристала, на відміну від звичайних лазерних діодів, випромінюючих в площині, паралельній поверхні [10].
VECSEL лазери, через малу кругову затримку резонатора, можуть модулюватися високими частотами, в т.ч. гігагерцового діапазону, це робить їх корисними, наприклад, для ВОЛЗ. Для VECSEL лазерів характерна низька щільність струму збурення в активному елементі лазера, тобто характерний низький пороговий струм (кілька мікроампер).
Переваги:
1) висока стабільність довжини хвилі;
2) мала температурна чутливості;
3) підвищена потужність на одиницю площі;
4) висока якість світлового пучка.
Мікрополоскові антени (МПА) мають відносно просту будову, проте їх аналіз досить складний. Первинним ускладнюючим фактором є пласка конструкція та наявність діелектричної підкладки, на горизонтальній площині якої розташовується провідний шар. Саме дослідження розподілу струмів на поверхні провідного шару призвело до появи величезної кількості підходів аналізу і моделювання. Ранні моделі мікрополоскових антен були відносно прості, з міркувань геометричного дизайну, проте й досі важко врахувати всі фізичні властивості які їм притаманні. Сучасні мікрополоскові антени мають безліч форм і конфігурацій, які можуть бути проаналізовані, але які не дають чітких уявлень про те, як саме слід робити вибір форми елементарного випромінювача мікрополоскової антени (патчу).
Точні підходи до математичного та електричного моделювання мікрополоскових антен, зокрема й ті, що використовують диференціальні рівняння, дозволяють отримати високу точність та адекватність, але потребують дуже складних чисельних розрахунків. Як наслідок, для інженерних робіт зручніше використовувати спрощені підходи.
Елементарні випромінювачі МПА характеризуються різними режимами роботи: резонансним і нерезонансним, можливі їх комбінації [9]. МПА мають велику кількість можливих схем живлення: коаксіальним кабелем, прямокутним хвилеводом, полосковими лініями передачі.
Мікрополоскові антени не включені ні до розділу присвяченого загальним дротовим елементам, ні до розділу апертурних елементів, оскільки їх випромінювання, і всі їхні властивості, можуть бути сформульовані з будь-якої точки зору. Тож мікрополосковий патч може бути використаний і як елемент мікрополоскової лінії, і як мікрополоскова антена.
Резонаторні патчі прямокутної форми є конструктивно найпростішими і є досить зручними для розгляду фізики процесів у МПА.
Рисунок 4. Прямокутний елементарний випромінювач МПА і розподіл електричного поля.
(На рисунку W та L – геометричні розміри резонансної МПА; L – визначає резонансну частоту антени)
Розглянемо прямокутну мікрополоскову антену яка живиться від мікрополоскової лінії (див. рис. 4). Коли хвиля у мікрополосковій лінії зустрічає різку зміну в ширині на вході до патч антени, хвиля випромінюється. На краю переходу мікрополоскова лінія - МПА утворюється поле розсіювання, як показано на рисунку 4. Після переходу, патч виглядає як інша мікрополоскова лінія. Поле поширюється по цій лінії, поки не досягне іншого краю. Тут різкий обрив лінії знову створює поле розсіювання. Краї МПА ведуть себе як конденсатори увімкнені на землю, а зміни у розподілі електричного поля більш значні ніж змінами магнітного поля. Еквівалентна схема для прямокутного мікрополоскового елементарного випромінювача має вигляд двох паралельно з'єднані провідностей: YS1 = G + jωC1 та YS2 = G + jωC2.
У магістерській роботі вирішується актуальне науково-технічне завдання, яке присвячене дослідженню та модифікації інтегрованих антенних систем з фотонними пристроями – фотонних антен - з метою їхнього можливого використання в системах зв'язку. Поглиблене дослідження властивостей фотонних антен дозволяє підтвердити або спростувати ефективність використання таких пристроїв в системах зв'язку за різних експлуатаційних умов.
Використання таких антенних системи в системах радіозв'язку з оптичними магістралями дозволяє істотно спростити кінцеве устаткування лінії зв'язку телекомунікаційних систем волоконно-ефірної структури (систем класу RoF).
Зауваження.
При написанні даного автореферату магістерська робота була не завершена. Повний текст роботи і матеріали з теми можуть бути отримані у автора. Зв'язатися з автором можна через його наукового керівника або адміністратора Портала магистрів ДонНТУ. Автор залишає за собою право відмовити в отриманні будь-яких матеріалів без обґрунтування причини.
// При використанні будь-якої частини даного реферата посилання на автора обовязкове!
© ДонНТУ, 2011
© Гоголенко Є. Ю., 2011