Хлуднева Анна Владимировна

Факультет: Компьютерные информационные технологии и автоматика

Кафедра: Автоматики и телекоммуникаций

Специальность: Телекоммуникационные системы и сети

Тема магистерской работы:

«Исследование и разработка антенных конструкций на основе реверсивных материалов для спутниковых телекоммуникационных систем»

Руководитель: профессор Хорхордин Александр Владимирович

Реферат по теме магистерской работы

 В настоящее время информационных технологий и высоких скоростей на арену мирового телекоммуникационного рынка вышли системы спутниковой связи, перед которыми ставятся задачи не только организации канала связи, а также определения направления на источник излучения или  исследования положения многих источников излучения в окружающем пространстве. Основными функциональными модулями в составе указанных систем, решающими поставленные выше задачи, являются антенные комплексы как наземного, так и космического сегментов. Исходя из этого, становится актуальной задача оперативного управления формой характеристики направленности антенны и, в частности, задачу скоростного сканирования диаграммы направленности в пространстве.

На сегодняшний день антенная техника достигла уровня зрелости, и ее развитие в последние годы  идет в основном не путем создания принципиально новых типов антенн, а путем 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 другими заданными характеристиками.

Исходя из выше изложенного, целью моей магистерской работы является разработка и исследование антенного комплекса, позволяющего осуществлять оперативное сканирование диаграммы направленности в пространстве, а также управлять формой и шириной диаграммы направленности антенны в процессе сканирования по заданному закону. Для достижения поставленной цели мною будут решены следующие задачи:

1. разработка нового способа оперативного электронного сканирования;
2. разработка двухзеркальной сферической антенны;
3. исследование разработанной антенной конструкции и проверка ее соответствия предъявленным требованиям по оперативности осуществления сканирования.

На данном этапе в связи с развитием радиолокации, радио астрономии и техники космической связи большое внимание уделяется созданию антенных конструкций, которые позволяют производить оперативное сканирование диаграммы направленности в широком секторе углов при минимальном искривлении ее формы.

На сегодняшний день существует три основных метода сканирования:

1. механический;
2. электромеханический;
3. электрический.

Однако ни механический, ни электромеханический способы сканирования не удовлетворяют современным требованиям по скорости сканирования диаграммы направленности в пространстве, а также не предоставляют возможности оперативного управления формой диаграммы направленности антенны при сканировании. Поставленные задачи частично решены в антенных комплексах на основе фазированных антенных решеток, однако практическая реализация управляемых антенных решеток осложняется рядом специфических трудностей. К их числу относят: появление фазовых ошибок в раскрыве антенны из-за неточности действия управляющих устройств, из-за 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 [1-3].

Исходя из этого, можно сделать вывод о высокой актуальности разработки принципиально нового способа электронного сканирования, который бы позволил увеличить скорость сканирования, а также не имел отмеченные выше недостатки.

Оценивая актуальность разработки сферической зеркальной антенны следует отметить, что антенны данного класса и их различные модификации находят широкое применение в качестве антенн сканирования, поскольку их Диаграмма направленности при сканировании остается практически неизменной в широком секторе углов. Следует, однако, отметить, что в существующих антенных конструкциях имеется ряд существенных недостатков. В отличии от параболического, в раскрыве сферического зеркала с точечным облучением в режиме передачи невозможно получить плоский фронт волны: зеркало имеет сферическую аберрацию. Еще одним недостатком является то, что в существующих антенных конструкциях данного класса сканирование в широком секторе углов возможно только за счет механического перемещения облучателя. Установление же сложной системы облучателей с целью обеспечения электронного сканирования невозможно, потому что облучатели создавали бы зону затенения, которая ухудшала бы качество сканирования.

Указанные выше недостатки устраняются в двухзеркальных концентрических сферических антеннах, в которых в силу симметрии возможно сохранить постоянность эффективной апертуры при сканировании, а следовательно и минимальное искривление диаграммы направленности. Однако в большинстве существующих двухзеркальных антенн при сканировании вместе с облучателями перемещается и вспомогательное зеркало. Необходимость перемещения облучателей является недостатком существующих сферических антенн, потому что облучатель, механизм крепления и поворотный механизм находятся в раскрыве антенны на пути лучей и затеняют раскрыв.

При этом следует учитывать, что в связи с ростом скоростей летательных аппаратов и необходимостью расширения сектора обзора, требования к увеличению скорости сканирования возрастают. В некоторых случаях вместе с высокой скоростью сканирования необходим и обзор пространства по определенному закону.

В ближайшем аналоге антенной конструкции, которая является целью нашей разработки, для того, чтобы управлять положением луча диаграммы направленности используется коммутационный метод электрического сканирования. Однако конструктивные особенности указанной антенны позволяют ей работать только на определенной частоте с волнами плоской поляризации, что приводит к большим потерям радиосигнала, которые связаны с рассогласованием угла поляризации антенны. Кроме того, не представляется возможным расширение угла обзора в следствие того, что главное зеркало выполнено из радиоотражающего материала без возможности изменениня проводимости. Следует также отметить, что при таком виде сканирования возможно возникновение фазовых ошибок, величина которых зависит от размеров апертуры и соотношений между радиусами зеркал.

Проанализировав существующие антенные системы класса сферических концентрических двухзеркальных антенн, можно сделать вывод, что они в большинстве своем не удовлетворяют современным требованиям по скорости сканирования и возможности оперативного управления формой и шириной диаграммы направленности антенны. Поэтому одной из задач нашей научной работы является разработка антенной системы, в которой бы устранялись указанные выше недостатки и которая бы соответствовала современным требованиям к скорости сканирования и управления формой и шириной диаграммы направленности по заданному закону [4-6].

Мы предлагаем способ электронного сканирования диаграмм направленности зеркальных антенн основанный на выполнении зеркала антенны из реверсивных материалов. Особенность реверсивной среды заключается в том, что в исходном состоянии она является радиопрозрачной, а при воздействии на нее управляющего сигнала она приобретает свойства отражающей поверхности. В качестве реверсивного материала можно использовать поликристаллические полупроводниковые пленки на основе селенида кадмия.

При воздействии на полупроводниковую пластину светового или электронного луча. Под действием энергии излучения, поглощаемой полупроводником, в нем 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 запрещенной зоны собственного полупроводника или энергию ионизации примесного полупроводника, в зоне проводимости появляются дополнительные неравновесные носители зарядов. В результате электропроводность полупроводника возрастает.

Образование фотоносителей вызывает локальное изменение всех электромагнитных параметров материала: коэффициентов отражения, преломления и прохождения электромагнитной  волны, наделяя реверсивный материал радиоотражающими своствами. В неосвещенном состоянии реверсивная среда обладает малым темновым возбуждением, что характеризует ее как радиопрозрачную среду.

Источником света могут являться мощные источники примерно солнечного спектрального состава, причем наилучшие характеристики применяемых материалов достигаются при высоких уровнях освещенности, так как при таком уровне освещенности не наблюдается заметного насыщения как в режиме прохождения электромагнитной волны, так и режиме отражения [7-9].

Подобными исследованиями на основе свойств полупроводниковых материалов занимается проректор по учебной и методической работе ЮРГУЭС Окорочков Александр Иванович. Направление его научных исследований: электродинамика дифракционных импедансных структур, поверхностный импеданс неоднородных и нестационарных сред, рассеяние электромагнитных волн на структурах с управляемым поверхностным импедансом. Однако данные исследования не распространяются на область зеркальных антенн, являющихся сферой моей научно-исследовательской деятельности. В пределах Украины и ДонНТУ данными исследованиями занимается наш научный коллектив во главе с моим научным руководителем деканом факультета КИТА проф. Хорхординым Александром Владимировичем и моим научным консультантом доцентом кафедры РТЗИ Пасленом Владимиром Владимировичем.

В предлагаемом способе сканирования поверхность реверсивной среды освещается интенсивным световым пятном необходимой формы и размеров, изменение размеров светового пятна приводит к изменению ширины диаграммы направленности и ее 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 освещенную (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.

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.

Описанный выше способ электронного сканирования заложен в основу функционирования разработанной и запатентованной нами двухзеркальной сферической антенны.

Предлагаемая антенная конструкция состоит из главного и вспомогательного зеркал, которые имеют форму концентрической сферической поверхности и облучатели, расположенные возле поверхности главного зеркала. Главное и вспомогательное зеркала выполнены из радиопрозрачного материала и покрыты пленкой из реверсивного материала. Кроме того, они также покрыты защитной пленкой из радиопрозрачного материала для обеспечения возможности работы в открытом космосе. Облучатели могут иметь произвольную поляризацию. Конструкция дополнительно имеет два источника сигналов управления реверсивными свойствами полупроводниковых пленок.

Сущность структуры антенной конструкции изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Анимация принципа действия двухзеркальной сферической антенны (количество кадров 5, количество циклов 5, размер 2,68кБ)

На рисунке главное зеркало 1 и вспомогательное зеркало 2 изображены в виде сферических концентрических поверхностей, облучатели 3 расположены за сферой главного зеркала. Один источник управляющих сигналов расположен за сферой главного зеркала, а другой в середине сферы вспомогательного зеркала. Возбужденные области отражены на рисунке под номером 5.

Устройство работает следующим образом. Источник управляющих сигналов 4 воздействует на поверхность реверсивного материала в областях 5 на зеркалах 1, 2 сигналами управления. В невозбужденном состоянии реверсивная среда имеет малое темновое  возмущение, что харктеризует ее как радиопрозрачную среду. В областях воздействия интенсивного светового сигнала на реверсивный материал 5 происходит резкое изменение параметров материала за счет генерации неравновесных носителей заряда, которые изменяют электромагнитные характеристики полупроводниковой пленки, материал приобретает металлические свойства, что позволяет отражать электромагнитные волны. Это приводит к формированию нескольких лучей диаграммы направленности.

Перемещение областей управляющего воздействия 5 по поверхности зеркал по заданному закону позволяет по очереди изменять проводимости различных участков реверсивной поверхности. Это дает возможность оперативного сканирования лучей диаграммы направленности в пространстве. Ширина лучей диаграммы направленности зависит от размеров и формы возбужденных областей [10].

Итак, на данном этапе нами был разработан новый способ оперативного сканирования диаграммы направленности в пространстве с возможностью управления формой и шириной диаграммы направленности в по заданному закону в процессе сканирования. Была разработана конструкция двухзеркальной сферической антенны, базирующейся на данном способе сканирования, на которую был получен патент на полезную модель и положительное решение на выдачу патента на изобретение. Кроме того, было проведено моделирование реверсивных свойств полупроводниковых материалов и на сегодняшний день ведется подбор и оценка необходимых параметров реверсивного материла, необходимых для создания функционирующего прототипа двухзеркальной антенны.

Перечень ссылок

1. Марков Г.Т.,  Сазонов Д.М. Антенны. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975. – 528 с.
2. Филькенштейн М.И. Основы радиолокации. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1983. – 536 с.
3. Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов. - К.: Технiка, 1969. – 300 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. Волькенштейн Ф.Ф. Электроны и кристаллы. – М.: Наука, 1983. – 128 с.
6. 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 – 1685 с.   
7. 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 – 1971
8.  Нашельский А. Я. Технология полупроводниковых материалов, - М.: Наука, 1973.
9. Хлуднева Г. В., Михайлов М. В., Пасльон В. В. «Нові антенні системи електронного сканування»\ «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2007, г. Таганрог, Россия, 25-30 июня 2007 г.  
10.  Деклараційний патент № 25901 Двохдзеркальна сферична антена\ Хлуднева Г. В., Михайлов М. В., Ольшевський А. Л., Пасльон В. В