Хлуднева Ганна Володимирівна

Факультет: Комп’ютерні інформаційні технології та автоматика

Кафедра: Автоматики та телекомунікацій

Спеціальність: Телекомунікаційні системи та мережі

Тема магістерської роботи:

«Дослідження та розробка антенних конструкцій на основі реверсивних матеріалів для супутникових телекомунікаційних систем»

Керівник: професор Хорхордін Олександр Володимирович

Реферат з теми магістерської роботи

В нинішній час інформаційних технологій та високих швидкостей на арену світового телекомунікаційного ринку вийшли системи супутникового зв’язку, перед якими ставиться задача не тільки організації каналу зв’язку, а також визначення напряму на джерело випромінювання або дослідження положення багатьох джерел випромінювання в навколишньому середовищі. Основними функціональними модулями у складі вказаних систем, що вирішують поставлені вище задачі, є антенні комплекси як наземного, так і космічного сегментів. Виходячи з цього, становиться актуальною задача оперативного управління формою характеристики спрямованості антени та, зокрема, задачу швидкісного сканування діаграми спрямованості в просторі.

На сьогоднішній день антенна техніка досягла рівня зрілості, та її розвиток в останні роки йде здебільшого не шляхом створення принципово нових типів антен, а шляхом покращення їхніх характеристик та впровадження нових методів їх застосування. При цьому поява нових ідей в області антенної техніки стимулюється потребами створення радіосистем з тими або іншими заданими характеристиками.

Виходячи з вище сказаного, метою моєї магітерської роботи є розробка та дослідження антенного комплеса, що дозволяє здійснювати оперативне сканування діаграми спрямованості в просторі,  а також керувати формою та ириною діаграми спрямованості антени в процесі скануваання за заданим законом. Для дослідження поставленої мети мною будуть вирішені наступні задачі:

1. розробка нового способу оперативного електронного сканування;
2. розробка двохдзеркальної сферичної антени;
3. дослідження розробленої анетнної конструкції та перевірка її відповідності висунутим вимогам до оперативності сканування.

На даному етапі у зв’язку з розвитком радіолокаії, радіоастрономії та техніки космічного зв’язку велика увага приділяється створенню антенних конструкцій, які дозволяють проізводити оперативне сканування діаграми спрямованості в широкому секторі кутів за мінімального викривлення її форми.

На сьогонішній день існує три основних методи сканування:

1. механічний;
2. електромеханічний;
3. електричний.

Однак ані механічний, ані електромеханічний способи сканування не задовольняють сучасним вимогам до швидкості сканування діаграми спрямованості в просторі, а також не надають можливості оператиного управління формою діаграми спрямованості анетни при скануванні. Поставлені задачі частково вирішені в антенних комплексах на основі фазованих антенних решіток, однак практична реалізація керуємих антенних решіток ускладнюється рядом специфічих труднощів, таких як поява фазових помилок в розкриві через неточності дії керуючих пристроїв, дискретності фазування, взаємозв’язку елементів при скануванні; поява додаткових втрат потужності НІЧ в керуючих пристроях; відносна вузькосмужність, пов’язана з можливістю появи побічних головних максимумівх [1-3].

Виходячи з цього можна зробити виновок відносно високої актуальності розробки принципово нового способу електронного сканування, а також не мав би вказані вище недоліки.

Оцінюючи актуальність розробки сферичної дзеркальної антени слід відзначити, що антени даного класу та їх різноманітні модифікації знахоять широке застосування в якості антен сканування, оскільки їх діаграма спрямованності при скануванні залишається практично незмінною в широкому секторі кутів. Слід однак відмітити, що в існуючих антенних конструкціях є ряд істотних недоліків. На відміну від параболічних антен, в розкриві сферичного дзеркала з точеним опромінювачем в режимі передачі неможливо отримати плоский фронт хвилі: дзеркало має сферичну аберацію. Однак можна так підібрати діаграму спрямованості та положення опромінювачів, що викривлення діаграми антени не буде перевищувати допустимої величини. Ще одним недоліком є те, що в існуючих антенних конструкціях даного класу сканування в великому секторі кутів можливо тільки за рахунок механічного пересування джерела. Встановлення же складної системи опромінювачів з метою забезпечення електричного сканування неможлива, тому що опромінювач створював би зону затемнення, яка погіршувала би якість сканування.

Зазначені вище недоліки усуваються в двохдзеркальних концентричних сферичних антенах, в якіх в силу симетрії можливо зберігти постійність  ефективної апаратури при скануванні, а отже й мінімальне викривлення діаграми.

Однак в більшості існуючих двохдзеркальних антен при скануванні разом з опромінювачем крутиться й допоміжне дзеркало. Необхідність переміщення опромінювача є недоліком існуючих сферичних антен, тому що опромінювач, механізм кріплення та кручення знаходиться в розкриві антени на шляху променів та затіняють розкрив.

При цьому слід враховувати, що в зв’язку з ростом швидкостей літаючих об’єктів та необхідністю розширення сектора огляду, вимоги до збільшення швидкості сканування зростають. В деяких випадках разом з високою швидкістю сканування необхідним є огляд простору за певним законом.

В найближчому аналогу антенної конструкції, що проектується, для того щоб керувати положенням променя використовується комутаційний метод електричного сканування. Однак ця антенна конструкція має ряд певних недоліків. Конструктивні особливості зазначеної антенної конструкції дозволяють їй працювати тільки на визначеній частоті з хвилями пласкої поляризації, що призводить до великих втрат радіосигналу, які пов’язані з розузгодженням  кута поляризації антени. Крім того, в аналогу не надається можливість розширення кута огляду в наслідок того, що головне дзеркало виконано з радіовідбиваючого матеріалу, який не має реверсивних властивостей зміни провідності. Крім того, при такому виді сканування можливе виникнення фазових помилок, величина яких залежить від розмірів апертури та співвідношення між радіусами дзеркал.

Проаналізувавши існуючи аналоги антенних систем класу сферичних концентричних двохдзеркальних антен, можна зробити висновок, що вони здебільшого не задовольняють сучасним вимогам по швидкості сканування та можливості оперативного управління формою та шириною діаграми спрямованості антени. Тому однією з задач проектування є розробка антенної системи, в якій би усувалися вказані вище недоліки та яка б задовольняла сучасним вимогам до швидкості сканування та керування формою та шириною діаграми спрямованості за заданим законом [4-6].

Ми пропонуємо спосіб електронного сканування діаграм спрямованості дзеркальних антен, що ґрунтується на виконанні дзеркала антени з реверсивного матеріалу. Особливість реверсивного середовища полягає в тому, що в початковому стані вона є радіо прозорою, а при впливі на неї керуючого сигналу вона набуває властивостей відбиваючої поверхні.  В якості реверсивного матеріалу можна використовувати полікристалічні напівпровідникові плівки на основі селеніду кадмія.

При впливі на напівпровідникову пластину свілового або електроннго променя, під впливом енергії опромінювання, яка поглинається напівпровідником, у ньому виникає додаткова електропровідність. Електропровідність під впливом опромінювання виникає завдяки тому, що, віддаючи свою енергію валентним електронам, фотони збільшують кількість носіїв заряду.

При постійній температурі та відсутності опромінювання електропровідність власного або домішкового напівпровідника називається  темновою електропровідністю. Після опромінювання напівпровідника світлом з енергією фотонів, яка перевищує ширину забороненої зони власного напівпровідника або енергією іонізації домішкового напівпровідника, в зоні провідності з’являються додаткові нерівноважні носії зарядів. В результаті електропровідність напівпровідника зростає.

Встановлено, що рухливість фотоносіїв не відрізняється від рухливості темнових носіїв заряду, які викликаються тепловим рухом.

Утворення фотоносіїв викликає локальні зміни усіх електромагнітних параметрів матеріалу: коефіцієнтів відбиття, заломлення та проходження електромагнітної хвилі. В неопроміненому стані реверсивне середовище має мале темнове збудження, що характеризує йог як радіопрозоре середовище.

В якості джерела освітлення можуть бути використані потужні джерела приблизно сонячного спектрального складу, причому найкращі характеристики реверсивних матеріалів досягаються при високих рівнях опромінювання, тому що при такому рівні освітленості не спостерігається помітного насичення як в режимі проходження електромагнітної хвилі, так і режимі відбиття [7-9].

Подібними дослідженнями на основі властивостей напівпровідникових матеріалів займається проректор з учбової та методичної роботи ЮРДУЕС Окорочков Олександр Іванович. Напрям його наукових досліджень: елктродинаміка дифракційних імпедансних структур, поверхневий імпеданс неоднорідних та нестаціонарних середовищ, розсіяння електромагнітних хвиль на структурах з керованим поверхневим імпедансом. Однак дані дослідження не поширюються на область дзеркальних антен, які є сферою моєї науково-дослідницької діяльності. В межах України та ДонНТУ даними дослідженнями займається наш науковий колектив на чолі з моїм науковим керівником деканом факультета КІТА проф. Хорхордіним Олександром Володимировичем та моїм науковим консультантом Пасльоном Володимиром Володимировичем.

В запропанованому нами способі сканування поверхня реверсивного середовища опромінюється інтенсивною світловою плямою необхідної форми та розмірів. Зміна розмірів світлової плями призводить до зміни ширини діаграми спрямованості та її форми у заданій площині. Очевидно, що ширина діаграми спрямованості антени залежить від величини, форми та орієнтації світлової плями: чим ширше світлова пляма, тим вужче діаграма спрямованості та її форма у заданій площині. Послідовно переміщуючи освітлену (збуджену) область по поверхні дзеркала здійснюється переміщення (сканування) діаграми спрямованості у просторі. При цьому швидкість сканування обмежується тільки швидкістю переходу реверсивного середовища із непровідного стану в провідний (визначається часом життя нерівноважних носіїв струму) та швидкістю переміщення світлової дії; закон зміни положення освітленої області, а, в наслідок цього, і діаграми спрямованості антени у просторі може бути любим заданим.

Таким чином, даний спосіб дозволяє отримати задану форму та ширину діаграми спрямованості антени в НВЧ-діапазоні, а також керувати діаграмой спрямованості антени в процесі сканування за заданим законом, що забезпечує гнучкість траєкторії та швидкість розгортки.

Описаний вище спосіб електронного сканування полягає  основі функціонування розробленої та запатентованої нами двохдзеркальної сферичної антени.

Запропонована антенна конструкція має головне та допоміжне дзеркала, що мають форму концентричної сферичної поверхні та опромінювачі, що розташовані біля поверхні головного дзеркала. Головне та допоміжне дзеркала виконані з радіопрозорого матеріалу та вкриті плівкою з реверсивного матеріалу. Крім того, вони також вкриті захисною плівкою з радіопрозорого матеріалу для забезпечення можливості роботи у відкритому космосі. Опромінювачі можуть мати довільну поляризацію.  Конструкція додатково має два джерела сигналів управління реверсивними властивостями напівпровідникових плівок.

Сутність структури антенного пристрою зображена на рисунку 1.

Рисунок 1 – Анімація принципу дії двохдзеркальної сферичної антени (кількість кадрів 5, кількість циклів 5, об'єм 2,68 кБ)

На рисунку головне дзеркало 1 та допоміжне дзеркало 2 зображені у вигляді сферичних концентричних поверхонь, опромінювачі 3 розташовані за сферою голоаного дзеркала. Один пристрій сигналів управління розташован за сферою головного дзеркала, а інший – в середні сфери допоміжного дзеркала. Збуджені області зображені на рисунку під номером 5.

Пристрій працює у такий спосіб. Джерело керуючих сигналів 4 впливає на поверхню реверсивного матеріалу в областях 5 на дзеркалах 1, 2 сигналами керування. У незбудженому стані реверсивне середовище має мале темнове збурення поля, що характеризує його як радіопрозоре середовище. В областях падіння світла на реверсивний матеріал 5 відбувається різка зміна параметрів матеріалу за рахунок генерації нерівновагих носіїв струму, що змінюють електромагнітні характеристики матеріалу, матеріал здобуває металеві властивості, що дозволяє відбивати електромагнітні хвилі. Це приводить до формування декількох променів діаграми спрямованості 7.

Переміщення області керуючого впливу 5 дозволяє по черзі змінювати провідності різних ділянок реверсивної поверхні. Це дає можливість сканування променів діаграми спрямованості у просторі. Ширина променів  діаграми спрямованості залежить від розміру й форми  збуджених областей [10].

Отже, на даному етепі нами був розроблен новий спосіб оперативного сканування діаграми спрямованості  просторі з можливістю керування формою та шириною діаграми спрямованості за заданим законом в процесі сканування. Була розроблена конструкція двохдзеркальної сферичної антени, що базується на даному способі сканування, на яку було отримано патент а корисну модель та позитивне рішення на отримання патента на винахід. Крім того, було проведено моделювання реверсивних властивостей напівпровідникових матеріалів та на сьогоднішній день ведеться підбір та оцінка необхідних параметрів реверсивного матеріала, необхідних для створення функціонуючого прототипу двохдзеркальної антени.

Перелік посилань

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