ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание



Введение

1. Актуальность темы

На современном этапе развития радиотехники и телекоммуникаций предъявляются высокие требования к конструктивным и качественным параметрам антенных систем и радиоэлектронной аппаратуре. Перспективным развитием этого направления является использование волоконно-оптических линия связи. Волоконно-оптический кабель (ВОК) является наиболее широкополосной средой передачи информации. Поэтому возникла потребность в развитии и создании новых простых, недорогих и компактных устройств, которые преобразуют оптический сигнал в электрический, и наоборот.

Одним из возможных способов упрощения таких устройств является использование активных интегрированных антенн, которые получили название PhAIAs (от англ. "photonic active integrated antennas"). Для них характерно то, что сигнал от антенны (в качестве передатчика), и к антенне (в качестве приемника) распространяется по оптическому волокну, и с фотодиода напрямую возбуждает антенну.

В качестве активной фотонной антенны будет использоваться микрополосковая антенна. Коаксиальный кабель в ней будет заменен оптоволокном, фотодиод будет использоваться для преобразования СВЧ сигнала в амплитудно-модулированный оптический сигнал и наоборот.

2. Цель магистерской работы

Исследование характеристик интегрированных микрополосковых активных антенн в защищенных системах связи, создание узконаправленной антенны с высоким коэффициентом усиления для увеличения дальности действия антенны, т.к. выходной сигнал антенны низкого уровня.

Для достижения поставленной цели должны решаться следующие задачи:

- применение более мощных фотодиодов, т.к. в используемых диодах фототок низкого уровня;

- создание новой микрополосковой конструкции антенны.

Рисунок 1 – Микрополосковый излучатель с расположенными параллельно щелями

3. Научная новизна и практическая ценность

Состоит в том, что интегрированная микрополосковая активная антенна может применяться в качестве базовых и передающих станциях в беспроводных системах связи. Так как использование активных фотонных антенн, сигнал к которым подается с помощью оптического волокна, позволяет существенно упростить базовые радиостанции, при этом сигнал с фотодиода напрямую возбуждает антенну без усиления, а такие функции как модуляция, демодуляция и управление каналом выполняются центральной станцией.

Рисунок 2 – Схема передачи с использованием фотонных антенн на основе высокоскоростных фотодиодов

Рисунок 3 – Схема радиосвязи с оптическими магистралями (анимация: 16 кадров, количество периодов 100, задержка одного кадра - 0,1 сек, размер 448х305, 317 Кб)

4. Обзор исследований и разработок по теме выпускной работы

По результатам информационного поиска по теме работы, было выявлено, что исследование по данной тематике было начато магистром ДонНТУ Гоголенко Е.Ю., он занимался разработкой всенаправленной активной фотонной антенной [1], и опираясь на его разработки можно углубится и дальше продвинуть его работу, создать синфазную узконаправленную интегрированную активную фотонную антенну.

Судя из интернет источников, в Украине этих исследований, которые были бы связаны с темой выпускной работы не проводились, а в Азии, Европе и США эта тема широко исследуется учеными.

Интегрированная микрополосковая активная антенна состоит из микрополоскового излучателя, к которому подводится оптоволоконный кабель и фотодетектора. Достоинством этой антенны является её миниатюризация, и простота конструкции.

Микрополосковые антенны (МПА), изготовляемые по технологии интегральных схем СВЧ, в наибольшей степени, чем антенны других типов, отвечают требованиям миниатюризации. Микрополосковые излучатели и решетки, используемые в МПА, обеспечивают их малые габаритные размеры, массу и стоимость при высокой воспроизводимости характеристик, что позволяет представить МПА как перспективный класс антенных устройств СВЧ. Повышение качества проектирования, сокращение затрат на экспериментальную отработку и производство МПА видится в применении строгих методов анализа, создании методик и алгоритмов, пригодных для использования в системе машинного проектирования.

Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как фтороцирконат, фторалюминат и халькогенидные стекла [2]. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

Рисунок 4 – Волоконно – оптический кабель

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров). Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней. Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться двумерные фотонные кристаллы, вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др.

Оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Фотодетекторы (PIN-диоды)

PIN-диод — разновидность диода, в котором между областями электронной (n) и дырочной (p) проводимости находится собственный (нелегированный, англ. intrinsic) полупроводник (i-область). p и n области как правило легируются сильно, так как они часто используются для омического контакта к металлу.

Фотодиоды изготовлены по технологии молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs и InP. Характерные качества pin-диода проявляются при работе в режиме сильной инжекции, когда i-область заполняется носителями заряда из сильнолегированных n+ и p+ областей, к которым прикладывается прямое смещение напряжения. pin-диод функционально можно сравнить с ведром воды с отверстием сбоку — как только ведро наполняется до уровня отверстия — оно начинает протекать. Точно так же и диод начинает пропускать ток, как только заполнится носителями заряда i-область.

Рисунок 5 – Функциональная структура pin-диода

Рin-диод может использоваться в сетевых картах и коммутаторах для волоконно-оптических кабелей. В этих приложениях pin-диод используется как фотодиод.

В качестве фотодетектора pin-диод работает при обратном смещении. При этом он закрыт и не пропускает ток (за исключением незначительного тока утечки Is). Фотон входит в i-область, порождая образование электронно-дырочных пар. Носители заряда, попадая в электрическое поле ОПЗ, начинают двигаться к высоколегированным областям, создавая электрический ток, который может быть детектирован внешней цепью. Проводимость диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения.

Величина обратного напряжения может достигать больших значений, при этом большее напряжение создает большее поле, которое вытягивает носители из ОПЗ i-области более быстро.

Из-за того, что в i-области очень низкая концентрация носителей заряда, там практически отсутствуют процессы рекомбинации во время инжекции. Но в режиме прямого смещения концентрация носителей заряда на несколько порядков превышает собственную концентрацию.

Кристаллы индивидуальных вертикально-излучающих лазеров (VCSEL) и p-i-n фотодиодов (ФД) спектрального диапазона 850 нм, а также их линейных массивов предназначены для применения в высокоскоростных оптических системах приема-передачи данных, в сантиметровом диапазоне волн (СВЧ).

Широкая нелегированная i-область делает pin-диод плохим выпрямителем (обычное применение для диода), но с другой стороны это позволяет использовать его в аттенюаторах (ослабителях сигнала), быстрых переключателях, фотодетекторах, а также в высоковольтной электронике.

4.1 Концепция фотонной антенны


Традиционная микроволновая антенна [3] имеет коаксиальный или микрополосковой фидерный тракт, который заканчивается СВЧ разъемом. СВЧ сигнал передается к и от антенны с помощью коаксиального кабеля. В фотонной антенне коаксиальный кабель заменен оптическим волокном, в связи с чем необходимо использовать оптоэлектронные компоненты, такие как лазеры и фотодиоды, для преобразования СВЧ сигнала в амплитудно-модулированный оптический сигнал и наоборот.

Фотонная антенна может быть гибридной (рис.6. а) или интегрированной (рис. 6.б).

Рисунок 6 – Гибридная (a) и интегрированная (б) фотонные антенны.

Гибридная фотонная антенна состоит из двух независимых частей: волоконно-оптического фотодиодного модуля и обычной микроволновой антенны, которые соединяются вместе с помощью СВЧ разъемов. В интегрированной фотонной антенне фотодиод объединен с излучателем антенной таким образом, что генерируемый фотодиодом фототок непосредственно возбуждает антенну.

Интегрированные фотонные антенны обладают следующими преимуществами:

- легкий вес и небольшой размер, так как не требуется металлических коаксиальных кабелей и СВЧ соединителей;

- широкая полоса пропускания, которая ограничена только излучателем антенны;

- невосприимчивость к электромагнитным помехам, что важно для антенных решеток и систем;

- возможность дистанционного управления антенной благодаря низким потерям в оптическом волокне, которые могут быть менее 0.2 дБ/км;

- возможность использования методов оптической обработки и генерации СВЧ сигналов.

Нужно отметить, что только передающая фотонная антенна может быть построена на основе фотодиода из-за односторонней природы оптоэлектронных компонентов. Главными недостатками передающей фотонной антенны являются потери на оптоэлектронное преобразование, которые могут превышать 10 дБ, и относительно низкая выходная мощность СВЧ сигнала, ограниченная максимальным фототоком фотодиода, который обычно не превышает нескольких десятков миллиампер.

4.2 Интегрированная фотонная антенна для систем ультраширокополосной радиосвязи


В случае интегрированной фотонной антенны [4] фотодиод нагружен непосредственно на входной импеданс микрополоскового излучателя антенны (рис. 7).

Рисунок 7 – Вид спереди и сзади интегрированной фотонной антенны

СВЧ сигнал подводится к фотонной антенне с помощью одномодового оптического волокна в виде амплитудно-модулированного оптического сигнала. Излучателем фотонной антенны является прямоугольный E-образный микрополосковой излучатель, который разработан для работы на частоте 5.6 ГГц и имеет полосу пропускания 750 МГц на уровне -10 дБ. Подложка микрополоскового излучателя используется для крепления фотодиода, который припаивается к задней стороне излучателя таким образом, что фототок фотодиода может течь по микрополоску. Фотодиод, используемый в фотонной антенне, является высокоскоростным InGaAs/InP p–i–n-фотодиодом с полосой пропускания 8 ГГц и чувствительностью 1 А/Вт на длине волны 1310 нм (рис. 8).

Рисунок 8 – Структура InGaAs/InP p-i-n фотодиода и эквивалентная электрическая цепь интегрированной фотонной антенны для высоких частот

Эквивалентная электрическая цепь исследуемой интегрированной фотонной антенны для высоких частот состоит из импеданса Zi, представляющего микрополосковой излучатель, источника тока Iph, емкости p–n-перехода Сpn (0.07 пФ), сопротивления p–n-перехода Rpn и последовательного сопротивления Rs (3 Ом), вместе представляющими кристалл фотодиода, индуктивности соединительной проволоки Ls (0.5 нГн), емкости Cp (0.5 пФ) и индуктивности Lp (3 нГн) корпуса фотодиода. Из эквивалентной электрической цепи можно видеть, что эффективная мощность излучения фотонной антенны зависит от согласования импедансов фотодиода и микрополоскового излучателя. Так как входной импеданса излучателя Zi зависит от положения точки возбуждения df, то существует оптимальная точка возбуждения, обеспечивающая самую высокую эффективность антенны в пределах самого широкого диапазона частот. Так как сопротивление p–n-перехода Rpn при напряжении обратного смещения 5 В составляет величину более 1 кОм, то входной импеданс фотодиода ZPD является реактивным и изменяется от 22 до 80 Ом в частотном диапазоне от 4.5 до 6.5 ГГц. Сопротивление входного импеданса Zi увеличивается для более высоких 254 частот, что приводит к улучшению согласования с импедансом фотодиода. Однако мнимая часть импеданса показывает нежелательное изменение от индуктивного до емкостного поведения.

Таким образом, и активное, и реактивные сопротивления изменяются с частотой, что приводит к зависимости эффективности фотонной антенны от частоты. В связи с вышесказанным точка возбуждения была выбрана в положении df = 2.3 мм, где активное сопротивление микрополоскового излучателя увеличивается с частотой монотонно, в то время как реактивное сопротивление имеет емкостной характер и минимальное изменение с частотой. Точка подачи электропитания была выбрана в положении dDC = 7.1 мм, где активное сопротивление излучателя равняется нулю, что приводит к отражению СВЧ сигнала. Рис. 8 показывает калиброванные измерения коэффициента передачи для различных типов антенн. В первом случае измерялась обычная СВЧ антенна, когда СВЧ сигнал к микрополосковому излучателю подавался с помощью коаксиального кабеля через СВЧ разъем типа SMA. Во втором случае исследовалась гибридная фотонная антенна. В гибридной фотонной антенне микрополосковой излучатель соединен с фотодиодным модулем с помощью SMA соединителей. В третьем сценарии была исследована интегрированная антенна.

В случае измерения гибридной и интегрированной фотонных антенн использовался тот же самый лазерный модуль. При всех измерениях мощность измерительного СВЧ сигнала была одинакова. Из рисунка видно, что коэффициент передачи интегрированной фотонной антенны увеличивается для более высоких частот. Это объясняется монотонным увеличением активного входного сопротивления излучателя с частотой, что приводит к улучшению согласования с импедансом фотодиода. Таким образом, рис. 8 показывает, что эффективность интегрированной фотонной антенны может быть увеличена посредством оптимального выбора точки возбуждения микрополоскового излучателя.

Заключение

Конструкция и характеристики широкополосной активной интегрированной фотонной антенны представлены и из сравнения коэффициента передачи гибридной и интегрированной фотонной антенны показано, что эффективность фотонной антенны может быть увеличена путем оптимального выбора точки возбуждения микрополоскового излучателя, где достигается наилучшее согласование входных импедансов фотодиода и излучателя (без СВЧ согласующих цепей и усилителей).

Выводы

В магистерской работе решается актуальная научно-техническая задача, которая посвящена исследованию и проектированию узконаправленной микрополосковой интегрированной активной антенне в защищенных системах связи. Рассмотрены разные методы проектирования антенны для увеличения коэффициента усиления и выходной мощности.

Библиографический список

  1. Гоголенко Е. Ю., Паслён В. В. / Всенаправленная активная фотонная антенна // Матеріали 7-ої міжнар. молодіжної наук.-техн. конф., Севастополь 11 — 15 квітня 2011 р. / М-во освіти і науки, молоді та спорту Укр.,; наук. ред. Ю.Б. Гімпілевич. — Севастополь: СевНТУ, 2011. — С. 221. – ISBN: 978-966-2960-93-8.
  2. Электронная энциклопедия Википедия — Оптическое волокно
  3. Малышев С. А. Активная интегрированная фотонная антенна для беспроводной локальной сети / С. А. Малышев, А. Л.Чиж, Е. М. Ящишин // Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики : программа, аннотации докладов 3-ей Всероссийской молодежной школы-семинара с международным участием, 25–30 октября 2009, Москва. – М.: ФИАН, 2009. – С. 68..
  4. Чиж А. Л. Интегрированная фотонная антенна на основе высокоскоростного фотодиода для систем радиосвязи с оптическими магистралями / А. Л. Чиж, С. А. Малышев, Е. Ящишин // Полупроводниковые лазеры и системы на их основе : сб. статей 7-го Белорусско-Российского семинара, 1–5 июня 2009 г., Минск. – Мн.: НАН Беларуси, Институт физики им. Б. И. Степанова, 2009. – С. 251–254. – ISSN 2074-207X..
  5. Sittakul Vitawat. A fully bidirectional 2.4-GHz wireless-over-fiber system using photonic active integrated antennas (PhAIAs) / V. Sittakul, M. J. Cryan // IEEE Journal of Lightwave Technology. – Nov. 2007. – No. 11. – vol. 25. – pp. 3358–3365. – ISSN 0733-8724.
  6. Sittakul Vitawat. A 2.4-GHz Wireless-Over-Fibre System Using Photonic Active Integrated Antennas (PhAIAs) and Lossless Matching Circuits / V. Sittakul, M. J. Cryan // IEEE Journal of Lightwave Technology. – Jul. 2009. – No. 14. – vol. 27. – pp. 2724–2731. – ISSN 0733-8724.
  7. Панченко Б. А. Микрополосковые антенны / Б. А. Панченко, Е. И. Нефёдов. – М. : Радио и Связь, 1986. – 144 с.
  8. Белкин М.Е. Принципы построения и функционирования локальных телекоммуникационных систем волоконно – эфирной структуры, - М.: Радио и связь, 1995. - 224 с.3
  9. Claude Mahdjoubi; Kouroch., // Active photonic forbidden band antenna // "A brief history of photonic antenna reconfiguration" Microwave Photonics, 2000, Int'l Topical Meeting on Sep. 11-13, 2000, pp. 9-12. cited by other.
  10. Akkermans, J.A.G., van Beurden, M.C., Doodeman, G.J.N., Visser, H.J. Analytical Models for Low-Power Rectenna Design // IEEE A.P.S., vol. 4, pp. 187-190, 2005. – ISSN: 1536-1225.
  11. Гоголенко Е. Ю., В.В. Паслен. / Всенаправленная антенна, в одной конструкции с фотодетектором // 15-й Юбилейный Международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке»: Сб. материалов форума. Т.3. – Харьков: ХНУРЭ, 2011. – С. 107–108.
  12. Гоголенко Е.Ю. / Устройство для преобразования лучистой энергии в энергию оптического излучения // 15-й Юбилейный Международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке»: Сб. материалов форума. Т.3. – Харьков: ХНУРЭ, 2011. – С. 109–110.


При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года.

Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.