Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Сложно представить жизнь современного человека без электронной техники. Любое устройство, предназначенное для организации связи, содержит в своем составе один из важнейших компонентов — антенну или антенную систему. Именно посредством антенны осуществляется преобразование электрического сигнала в радиоволны на передающем конце и из радиоволн в электрический сигнал на приемном. Со стремительным развитием техники происходят определенные преобразования, меняются требования к радиотехническим устройствам. Все это применимо и по отношению к антеннам. При определенных условиях одним из главных требований является минимизация размеров (или массогабаритных характеристик) антенны при сохранении заданных технических характеристик, например коэффициента усиления (КУ) антенны, ширины диаграммы направленности (ДН) и так далее. Вопрос массогабаритных характеристик антенн особенно остро стоит для искусственных спутников, ведь запускаемый на орбиту спутник имеет ограничения по массе.

1. Актуальность темы

На сегодняшний день возможности по уменьшению массогабаритных характеристик антенн ограничены физическими свойствами используемых материалов. Применение металлов обусловлено необходимостью высокой электрической проводимости для приема и излучения радиоволн. Эффективность тонких металлических антенн ограничена параметром, называемым глубиной скин-слоя, которая представляет собой толщину материала, где электрический ток высокой частоты протекает с наибольшей эффективностью [1]. Глубина скин-слоя является частотно-зависимым параметром, то есть чем выше частота тока, тем меньше глубина материала, на которую электрический ток проникает. Для обеспечения необходимого пространства для протекания электрического тока толщина материала, проводящего ток, должна иметь определенное значение, которое удовлетворяет глубине скин-слоя.

Таким образом, для уменьшения массогабаритных характеристик антенн необходимо внедрение альтернативных материалов с малой глубиной скин-слоя, например наноматериалов. Наноматериалы и их свойства в настоящее время широко исследуются, ведутся разработки по их применению. Существует целый ряд научных статей и монографий, касающихся отдельно взятых наноматериалов, но в них пока еще нет логически последовательного, строго аналитического представления теории. По многим вопросам, которые еще не решены ни экспериментально, ни теоретически приходится ограничиваться сводкой имеющихся данных.

2. Цель и задачи исследования

Целью исследования является выявление возможностей применения нанопленок карбида титана (Ti3C2) в антенной технике в качестве проводящего покрытия вместо металлов.

Главные задачи исследования:

3. Обзор литературы

Наноматериалы представляют собой особые вещества наномира, используемые для решения практических задач, а всем веществам присущи такие характеристики, как свойства и структура [2]. Свойства веществ характеризуют количественные и качественные признаки, отражающие особенности каждого из них либо, наоборот, сходство с другими веществами и выявляются при сопоставлении различных веществ. Структура вещества представляет собой совокупность всех входящих в него элементов, которые обладают устойчивыми взаимосвязями и обеспечивают целостность и сохранность их свойств.

Двумерными наноструктурами принято считать тонкие пленки толщиной до сотен нм и двумерные массивы объектов с размерами в нм-диапазоне [3]. Они находят свое применение в виде оптических и антиадгезионных покрытий, в технологии создания кабелей на основе сверхпроводников, при разработке оптических и химических датчиков, а также в микро- и наноэлектронике.

В исследованиях, проводимых в 2013 году, было показано, что применение графена в микрополосковой антенне значительно ухудшает ее характеристики по сравнению с медью [4]. Были сделаны выводы, что для большинства антенн, работающих в микроволновом диапазоне, графен не обеспечивает миниатюризации, что касается механической гибкости или оптической прозрачности, они становятся неактуальными, если какая-то часть изготовлена из металла или если удаление графена позволяет повысить производительность.

Среди всех рассматриваемых двумерных материалов, которые сейчас известны, MXene-пленки карбида титана имеют самую высокую удельную электрическую проводимость (до 5000...10000 См⁄см) [1], что выше, чем у других двумерных материалов, известных на данный момент. Это делает пленки карбида титана лучшим кандидатом для применения в антенной технике. Нанопленки карбида титана представляют собой тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра (моноатомного слоя) до нескольких микрон. Двумерный карбид титана с химической формулой Ti3C2 является членом семейства двумерных карбидов и нитридов переходных металлов, известных как MXenes, с формулой Mn+1Xn, где M является ранним переходным металлом (например Ti, V, Nb и Mo) и X — это углерод или азот [1]. О существовании данного материала (MXene) впервые заявили специалисты университета Дрекселя.

В исследованиях проводимых в 2016 году тонкая пленка Ti3C2 толщиной 45 мкм показала эффективность экранирования от электромагнитных помех в 92 дБ (более 50 дБ для 2,5 мкм пленки), что является самым высоким показателем среди синтетических материалов сопоставимой толщины, произведенных на сегодняшний день и сравнимым с показателями экранирования металлами [5].

В исследованиях 2018 года учеными университета Дрекселя были созданы первые гибкие дипольные антенны MXene с толщиной от 62 нм до 1,4 мкм, распыленные на листах полиэтилентерефталата (ПЭТ), работающие в полосах частот Wi-Fi и Bluetooth [1]. Преимущество распыления на ПЭТ заключается в том, что оно обеспечивает равномерное покрытие толщиной менее 1 мкм. Полученные антенны были широко изучены для количественного и качественного определения их основных характеристик и особенностей.

Проводилось измерение сопротивления листа с использованием четырехточечного зонда. Сопротивление листа самой толстой напыленной пленки (толщиной 1,4 мкм) составило 0,77 Ом/кв. Коэффициент пропускания света самой тонкой напыленной пленки (62 нм) составил 49% и сопротивление листа 47 Ом/кв при длине волны света равной 550 нм [1]. Сопротивление листа значительно возрастает при толщинах менее 100 нм, что, вероятно, вызвано отсутствием однородности пленки из-за шероховатости подложки из ПЭТ и ограничений метода ручного распыления.

Специалистами университета Дрекселя также были изучены обратные потери и излучающие свойства антенны. Обратные потери антенны в общем случае характеризуются параметром S11, который показывает количество энергии, отраженное в антенне, по отношении к той, которая подается на вход. Согласно исследованиям, антенны из нанопленок карбида титана демонстрируют хорошее согласование импеданса 50 Ом: для Ti3C2 антенн с толщиной от 114 нм до 8 мкм максимальные обратные потери составляют от минус 12 до минус 65 дБ соответственно. Антенны с коэффициентом обратного отражения минус 65 дБ при толщине 8 мкм превосходят все антенны из наноматериалов сопоставимой толщины. Даже при использовании MXene-антенны толщиной 1,4 мкм, коэффициент отражения составил минус 36 дБ, что превосходит графен толщиной 12 мкм или печатные серебряные чернила.

Учеными было проведено имитационное моделирование в программном продукте CST Microwave Studio (MWS), который представляет собой среду для 3D-моделирования высокочастотных компонентов, решающее уравнения Максвелла, используя специальные схемы сетки как во временной области, так и в частотной. Значения параметра обратного отражения S11, полученного по результатам моделирования с допустимой погрешностью совпали с измеренными значениями по всем толщинам антенны.

Рассчитанный коэффициент усиления антенны MXene толщиной 1,4 мкм составил 1,7 дБ [1]. Электродинамическое моделирование показало совпадение коэффициента усиления антенны при различной толщине с рассчитанными значениями с небольшим расхождением. Моделирование также показало, что при толщине 8 мкм антенна MXene имеет максимальный коэффициент усиления равный 2,11 дБ, который соответствует максимально возможному коэффициенту усиления идеальной полуволновой дипольной антенны (2,15 дБ).

Для того, чтобы антенны на основе нанопленок карбида титана можно было использовать в специфических условиях, например в космосе, они должны обладать особыми свойствами. В любом случае, они должны иметь достаточную механическую прочность и быть устойчивыми к резким перепадам параметров окружающей среды, таких как температура, влажность, давление, наличие различного рода излучений и так далее.

Механические свойства пленок MXene на данный момент не изучены до конца, однако имеются некоторые исследования, в которых приводится экспериментально полученное значение эффективного модуля Юнга. Именно модуль Юнга является своеобразной количественной характеристикой, позволяющей судить о прочности того или иного материала. Согласно данным исследования, модуль Юнга одного слоя Ti3C2 составляет 0,33 ± 0,03 ТПа [6] (для сравнения модуль Юнга стали составляет 0,21 ТПа).

Используя MXene в антенной технике, следует знать, что одиночные хлопья со слоем Ti3C2 MXene (~ 1 нм) устойчивы в инертной атмосфере (Ar), но медленно деградируют на воздухе из-за окисления. Фильтрованная пленка Ti3C2 стабильна на воздухе при хранении в течение 30 дней, что можно объяснить ее компактной сложной морфологией, которая защищает внутренние нанослои от взаимодействия с влажным воздухом. Чтобы полностью исключить окисление MXene, необходимо ламинировать конечные устройства или включить их в защитные полимерные матрицы [1].

4. Моделирование зеркальной антенны в программе CST MWS

Благодаря наличию большого количества программных продуктов электродинамического моделирования имеется возможность исследовать антенны, созданные на основе нанопленок Ti3C2 без создания физических моделей, а также значительных временных и финансовых затрат. Это позволит выявить какие именно антенны будут физически реализуемы, а какие — нет, а также все их недостатки и преимущества.

CST MWS, входящая в программный комплекс CST Studio, — это специализированный программный инструмент для быстрого и точного трехмерного моделирования задач в области высоких частот. Наряду с широким диапазоном применения, он предлагает значительные преимущества по сравнению с другими программными продуктами: более короткие циклы разработки; виртуальное прототипирование перед физическими испытаниями; оптимизация вместо экспериментов. Для вычисления целевой задачи в программу заложены различные методы [7]:

Благодаря наличию данных методов программа CST MWS позволяет:

Программа CST Microwave Studio, не требует от пользователя глубоких знаний о заложенных в нее методах расчета. Параметры для расчета устанавливаются автоматически после выбора метода решения. Это обеспечивает достаточно высокую точность в заданном частотном диапазоне.

На кафедре радиотехники и защиты информации была создана модель зеркальной антенны на основе нанопленки Ti3C2 в программе CST Microwave Studio. Нанопленки карбида титана моделируются как материал с поверхностным импедансом, равным сопротивлению листа [1] и соответствующей толщиной. Параболический рефлектор зеркальной антенны был задан как наноматериал Ti3C2, а рупорный облучатель был задан как идеальный электрический проводник (PEC) для упрощения и ускорения вычислений. Моделирование проводилось на частоте 3,6 ГГц. Толщина листа Ti3C2 составляла 1,4 мкм. В качестве подложки использовался лист полиэтилентерефталата. Модель зеркальной антенны представлена на рис. 1.

Рисунок 1 — Модель зеркальной антенны на основе наноматериала Ti3C2 в программе CST Microwave Studio
(анимация: 7 кадров, 8 циклов повторения, 108 килобайт)

Диаграммы направленности зеркальной антенны в 3D и прямоугольной системе координат представлены на рис. 2–3, соответственно.

Рисунок 2 — ДН зеркальной антенны на основе наноматериала Ti3C2 в 3D

Рисунок 3 — ДН зеркальной антенны на основе наноматериала Ti3C2 в прямоугольной системе координат

Выводы

Таким образом, с помощью моделирования было установлено, что зеркальная антенна, спроектированная на основе нанопленки Ti3C2 показала эффективность сопоставимую с традиционными антеннами из металла, ширина диаграммы направленности моделируемой антенны совпала с расчетной. Можно сделать вывод, что применение нанопленок карбида титана для уменьшения массогабаритных характеристик антенн возможно и технически реализуемо. Более того такие антенны могут быть гибкими и оптически прозрачными, в зависимости от толщины и материала подложки.

Работы по изучению свойств нанопленок карбида титана и построению моделей антенн на их основе продолжаются. С полными выводами по данной работе можно будет ознакомиться по окончанию написания магистерской диссертации у автора работы или научного руководителя.

Список источников

  1. Asia Sarycheva, Alessia Polemi, Yuqiao Liu, Kapil Dandekar, Babak Anasori, Yury Gogotsi. 2D titanium carbide (MXene) for wireless communication // Science Advances. — 2018. — Vol. 4, No. 9.
  2. Калинина, Н. Е. Наноматериалы и нанотехнологии: получение, строение, применение: монография коллектива авторов / Н. Е. Калинина, В. Т. Калинин, З. В. Вилищук, А. В. Калинин, О. А. Кавац. — Днепропетровск: Маковецкий Ю. В., 2012. — 192 с.
  3. Витязь, П. А. Наноматериаловедение: учеб. пособие / П. А. Витязь, Н. А. Свидунович, Д. В. Куис. — Минск: Вышэйшая школа, 2015. — 511 с.
  4. J. Perruisseau-Carrier, M. Tamagnone, J. S. Gomez-Diaz, E. Carrasco / Graphene Antennas: Can Integration and Reconfigurability Compensate for the Loss? [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.researchgate.net...
  5. Faisal Shahzad, Mohamed Alhabeb, Christine B. Hatter, Babak Anasori, Soon Man Hong, Chong Min Koo, Yury Gogotsi. Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes) // Science. — 2016. — Vol. 353, No. 6304, P. 1137–1140.
  6. Alexey Lipatov, Haidong Lu, Mohamed Alhabeb, Babak Anasori, Alexei Gruverman, Yuri Gogotsi, Alexander Sinitskii. Elastic properties of 2D Ti3C2Tx MXene monolayers and bilayers // Science Advances. — 2018. — Vol. 4, No. 6.
  7. Курушин, А. А. Школа проектирования СВЧ устройств в CST STUDIO SUITE / А. А. Курушин. — М.: One-Book, 2014. — 433 с.