Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Складно уявити життя сучасної людини без електронної техніки. Будь-який пристрій, призначений для організації звʼязку, містить в своєму складі один з найважливіших компонентів — антену або антенну систему. Саме за допомогою антени здійснюється перетворення електричного сигналу в радіохвилі на передавальному кінці і з радіохвиль в електричний сигнал на приймальному. Зі стрімким розвитком техніки відбуваються певні перетворення, змінюються вимоги до радіотехнічних пристроїв. Все це можна застосувати і по відношенню до антен. При певних умовах однією з головних вимог є мінімізація розмірів (або масогабаритних характеристик) антени при збереженні заданих технічних характеристик, наприклад коефіцієнта посилення (КП) антени, ширини діаграми спрямованості (ДС) і так далі. Питання масогабаритних характеристик антен особливо гостро стоїть для штучних супутників, адже супутник, що запускається на орбіту, має обмеження по масі.

1. Актуальність теми

На сьогоднішній день можливості по зменшенню масогабаритних характеристик антен обмежені фізичними властивостями використовуваних матеріалів. Застосування металів обумовлено необхідністю високої електричної провідності для прийому і випромінювання радіохвиль. Ефективність тонких металевих антен обмежена параметром, званим глибиною скін-шару, яка являє собою товщину матеріалу, де електричний струм високої частоти протікає з найбільшою ефективністю [1]. Глибина скін-шару є частотно-залежним параметром, тобто чим вище частота струму, тим менше глибина матеріалу, на яку електричний струм проникає. Для забезпечення необхідного простору для протікання електричного струму товщина матеріалу, що проводить струм, повинна мати певне значення, яке задовольняє глибині скін-шару.

Таким чином, для зменшення масогабаритних характеристик антен необхідно впровадження альтернативних матеріалів з малою глибиною скін-шару, наприклад наноматеріалів. Наноматеріали і їх властивості в даний час широко досліджуються, ведуться розробки по їх застосуванню. Існує цілий ряд наукових статей і монографій, що стосуються окремо взятих наноматеріалів, але в них поки ще немає логічно послідовного, строго аналітичного уявлення теорії. З багатьох питань, які ще не вирішені ні експериментально, ні теоретично доводиться обмежуватися зведенням наявних даних.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою дослідження є виявлення можливостей застосування наноплівок карбіду титану (Ti3C2) в антенній техніці в якості провідного покриття замість металів.

Головні задачі дослідження:

3. Огляд літератури

Наноматеріали являють собою особливі речовини наносвіту, що використовуються для вирішення практичних завдань, а всім речовинам притаманні такі характеристики, як властивості і структура [2]. Властивості речовин характеризують кількісні й якісні ознаки, що відображають особливості кожного з них або, навпаки, схожість з іншими речовинами і виявляються при зіставленні різних речовин. Структура речовини являє собою сукупність всіх вхідних в нього елементів, які володіють стійкими взаємозвʼязками і забезпечують цілісність і збереження їх властивостей.

Двовимірними наноструктурами прийнято вважати тонкі плівки товщиною до сотень нм і двовимірні масиви обʼєктів з розмірами в нм-діапазоні [3]. Вони знаходять своє застосування у вигляді оптичних і антиадгезійних покриттів, технології створення кабелів на основі надпровідників, при розробці оптичних і хімічних датчиків, а також у мікро- і наноелектроніці.

У дослідженнях проведених у 2013 році, було показано, що застосування графена в мікросмужковій антені значно погіршує її характеристики в порівнянні з міддю [4]. Були зроблені висновки, що для більшості антен, що працюють в мікрохвильовому діапазоні, графен не забезпечує мініатюризації, що стосується механічної гнучкості або оптичної прозорості, вони стають неактуальними, якщо якась частина виготовлена з металу або якщо видалення графена дозволяє підвищити продуктивність.

Серед усіх розглянутих двовимірних матеріалів, які зараз відомі, MXene-плівки карбіду титану мають найвищу питому електричну провідність (до 5000...10000 См⁄см) [1], що вище, ніж у інших двовимірних матеріалів, відомих на даний момент. Це робить плівки карбіду титану кращим кандидатом для застосування в антенній техніці. Наноплівки карбіду титану являють собою тонкі шари матеріалу, товщина яких знаходиться в діапазоні від часток нанометра (моноатомного шару) до декількох мікрон. Двовимірний карбід титану з хімічною формулою Ti3C2 є членом сімейства двовимірних карбідів і нітридів перехідних металів, відомих як MXenes, з формулою Mn+1Xn, де M є раннім перехідним металом (наприклад Ti, V, Nb і Mo) і X — це вуглець або азот [1]. Про існування даного матеріалу (MXene) вперше заявили фахівці університету Дрекселя.

У дослідженнях проведених у 2016 році тонка плівка Ti3C2 завтовшки 45 мкм показала ефективність екранування від електромагнітних перешкод у 92 дБ (більше 50 дБ для 2,5 мкм плівки), що є найвищим показником серед синтетичних матеріалів порівнянної товщини, вироблених на сьогоднішній день і порівнянним з показниками екранування металами [5].

У дослідженнях 2018 року вченими університету Дрекселя були створені перші гнучкі дипольні антени MXene з товщиною від 62 нм до 1,4 мкм, розпорошені на аркушах поліетилентерефталату (ПЕТ), що працюють у смугах частот Wi-Fi і Bluetooth [1]. Перевага розпилення на ПЕТ полягає в тому, що воно забезпечує рівномірне покриття товщиною менше 1 мкм. Отримані антени були широко вивчені для кількісного і якісного визначення їх основних характеристик і особливостей.

Проводилося вимірювання опору листа з використанням чотирьохточкового зонда. Опір листа самої товстої напиленої плівки (товщиною 1,4 мкм) склало 0,77 Ом/кв. коефіцієнт пропускання світла найтоншої напиленої плівки (62 нм) склав 49% і опір листа 47 Ом/кв при довжині хвилі світла рівною 550 нм [1]. Опір листа значно зростає при товщині менше 100 нм, що, ймовірно, викликано відсутністю однорідності плівки із-за шорсткості підкладки з ПЕТ і обмежень методу ручного розпилювання.

Фахівцями університету Дрекселя також були вивчені зворотні втрати і випромінюючі властивості антени. Зворотні втрати антени в загальному випадку характеризуються параметром S11, який показує кількість енергії, відбите в антені, по відношенню до тієї, яка подається на вхід. Згідно з дослідженнями, антени з наноплівок карбіду титану демонструють добре узгодження імпедансу 50 Ом: для Ti3C2 антен з товщиною від 114 нм до 8 мкм максимальні зворотні втрати становлять від мінус 12 до мінус 65 дБ відповідно. Антени з коефіцієнтом зворотного відображення мінус 65 дБ при товщині 8 мкм перевершують всі антени з наноматеріалів порівнянної товщини. Навіть при використанні MXene-антени товщиною 1,4 мкм, коефіцієнт відбиття склав мінус 36 дБ, що перевершує графен товщиною 12 мкм або друковані срібні чорнила.

Вченими було проведено імітаційне моделювання в програмному продукті CST Microwave Studio (MWS), який являє собою середовище для 3D-моделювання високочастотних компонентів, яке вирішує рівняння Максвелла, використовуючи спеціальні схеми сітки як у часовій області, так і в частотній. Значення параметра зворотного відображення S11, отриманого за результатами моделювання з допустимою похибкою збіглись з виміряними значеннями по всіх товщинах антени.

Розрахований коефіцієнт посилення антени MXene товщиною 1,4 мкм склав 1,7 дБ [1]. Електродинамічне моделювання показало збіг коефіцієнта посилення антени при різній товщині з розрахованими значеннями з невеликим розходженням. Моделювання показало, що при товщині 8 мкм антена MXene має максимальний коефіцієнт підсилення рівний 2,11 дБ, який відповідає максимально можливому коефіцієнту підсилення ідеальної півхвильовій дипольної антени (2,15 дБ).

Для того, щоб антени на основі наноплівок карбіду титану можна було використовувати в специфічних умовах, наприклад в космосі, вони повинні мати особливі властивості. У будь-якому разі вони повинні мати достатню механічну міцність і бути стійкими до різких перепадів параметрів навколишнього середовища, таких як температура, вологість, тиск, наявність різного роду випромінювань тощо.

Механічні властивості плівок MXene на даний момент не вивчені до кінця, проте є деякі дослідження, в яких наводиться експериментально отримане значення ефективного модуля Юнга. Саме модуль Юнга є своєрідною кількісною характеристикою, що дозволяє судити про міцність того чи іншого матеріалу. Згідно з даними дослідження, модуль Юнга одного шару Ti3C2 становить 0,33 ± 0,03 ТПа [6] (для порівняння модуль Юнга сталі складає 0,21 ТПа).

Використовуючи MXene в антенній техніці, слід знати, що поодинокі пластівці з шаром Ti3C2 MXene (~ 1 нм) стійкі в інертній атмосфері (Ar), але повільно деградують на повітрі із-за окислення. Фільтрована плівка Ti3C2 стабільна на повітрі при зберіганні протягом 30 днів, що можна пояснити її компактної складною морфологією, яка захищає внутрішні наношари від взаємодії з вологим повітрям. Щоб повністю виключити окислення MXene, необхідно ламінувати кінцеві пристрої або включити їх в захисні полімерні матриці [1].

4. Моделювання дзеркальної антени в програмі CST MWS

Завдяки наявності великої кількості програмних продуктів електродинамічного моделювання є можливість досліджувати антени, створені на основі наноплівок Ti3C2 без створення фізичних моделей, а також значних витрат часу і фінансів. Це дозволить виявити які саме антени будуть фізично реалізовані, а які — ні, а також всі їх недоліки та переваги.

CST MWS, що входить у програмний комплекс CST Studio, — це спеціалізований програмний інструмент для швидкого і точного тривимірного моделювання задач в області високих частот. Поряд із широким діапазоном застосування, він пропонує значні переваги порівняно з іншими програмними продуктами: більш короткі цикли розробки; віртуальне прототипування перед фізичними випробуваннями; оптимізація замість експериментів. Для обчислення цільової задачі в програму закладені різні методи [7]:

Завдяки наявності даних методів програма CST MWS дозволяє:

Програма CST Microwave Studio, не вимагає від користувача глибоких знань про закладені в неї методи розрахунку. Параметри для розрахунку встановлюються автоматично після вибору методу рішення. Це забезпечує досить високу точність в заданому частотному діапазоні.

На кафедрі радіотехніки та захисту інформації була створена модель дзеркальної антени на основі наноплівки Ti3C2 в програмі CST Microwave Studio. Наноплівки карбіду титану моделюються як матеріал з поверхневим імпедансом, рівним опору листа [1] та відповідною товщиною. Параболічний рефлектор дзеркальної антени був заданий як наноматеріал Ti3C2, а рупорний опромінювач був заданий як ідеальний електричний провідник (PEC) для спрощення і прискорення обчислень. Моделювання проводилося на частоті 3,6 ГГц. Товщина листа Ti3C2 становила 1,4 мкм. В якості підкладки використовувався лист поліетилентерефталату. Модель дзеркальної антени представлена на рис. 1.

Рисунок 1 — Модель дзеркальної антени на основі наноматеріалу Ti3C2 в програмі CST Microwave Studio
(анімація: 7 кадрів, 8 циклів повторення, 108 кілобайт)

Діаграми спрямованості дзеркальної антени в 3D і прямокутної системі координат представлені на рис. 2–3, відповідно.

Рисунок 2 — ДС дзеркальної антени на основі наноматеріалу Ti3C2 в 3D

Рисунок 3 — ДС дзеркальної антени на основі наноматеріалу Ti3C2 в прямокутній системі координат

Висновки

Таким чином, за допомогою моделювання було встановлено, що дзеркальна антена, спроектована на основі наноплівки Ti3C2 показала ефективність порівнянну з традиційними антенами з металу, ширина діаграми спрямованості модельованої антени збіглася з розрахунковою. Можна зробити висновок, що застосування наноплівок карбіду титану для зменшення масогабаритних характеристик антен можливо і технічно реалізуємо. Більш того такі антени можуть бути гнучкими і оптично прозорими, в залежності від товщини і матеріалу підкладки.

Роботи з вивчення властивостей наноплівок карбіду титану і побудови моделей антен на їх основі тривають. З повними висновками по даній роботі можна буде ознайомитися по закінченню написання магістерської дисертації у автора або наукового керівника.

Перелік посилань

  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.