Реферат за темою випускної роботи «Дослідження антен з электронним скануванням»
Зміст
2. Методи сканування діаграми спрямованості антен.
4. Характеристики використаних реверсивних матеріалів.
Мета роботи - можливість застосування реверсивних середовищ в антенній техніці, а саме розробка методу електронного сканування діаграми спрямованості (ДС) дзеркальних антен, заснованого на їхніх властивостях.
Об'єкт дослідження - метод сканування ДС дзеркальних антен для розв'язання задач управління швидкістю сканування, отримання заданої форми і ширини діаграми спрямованості антени в діапазоні надвисоких частот, а також управління діаграмою спрямованості антени в процесі сканування за заданим законом.
Новизна роботи - використання реверсивного середовища - матеріалу нового типу - у антенній техніці і виконання площин антен з нього, комбінування різних типів антен в єдину систему.
Результат роботи - запропонований спосіб отримання заданої форми і ширини діаграми спрямованості антени в діапазоні надвисоких частот, а також спосіб управління ДС антени в процесі сканування за заданим законом.
Ключові слова: реверсивне середовище, електронне сканування, дзеркальна антена, сканування діаграми спрямованості, РЛС.
Вступ
На даному етапі антени з простого засобу збільшення дальності радіозв'язку перетворилися у визначальну ланку радіосистем. Граничні можливості сучасних радіолокаційних станцій за дальністю і точностю пеленгації цілей, граничні чутливість і роздільна здатність радіотелескопів, граничні дальності радіозв'язку в космосі з віддаленими об'єктами і багато інших характеристик різноманітних радіосистем визначаються технічно досяжними параметрами антенних пристроїв, у першу чергу - шириною ДС, тобто спрямованістю дії.
У даний час антенна техніка досягла рівня своєї зрілості, і її розвиток в останні роки йде в основному не шляхом створення принципово нових типів антен, а шляхом поліпшення їх характеристик і впровадження нових методів їх використання. При цьому поява нових ідей у галузі антенної техніки стимулюється потребами створення радіосистем з тими чи іншими заданими характеристиками [5].
У роботі досліджується можливість застосування реверсивних середовищ в антенній техніці з метою поліпшення характеристик антенних систем, а саме отримання заданої форми і ширини ДС антени в діапазоні надвисоких частот, а також управління діаграмою спрямованості антени в процесі сканування за заданим законом.
1. Методи сканування діаграми спрямованості антен
Сканування, тобто переміщення головного променя ДС антени в просторі, може здійснюватися механічним, електромеханічним і чисто електричним способами.
При механічному способі сканування здійснюється поворот всієї конструкції антени, що сильно обмежує швидкість огляду простору і вимагає великих енергетичних витрат.
При електромеханічному способі сканування за допомогою електромагнітів або електродвигунів здійснюється механічне переміщення одного або кількох елементів антени, що призводить до нахилу еквіфазной поверхні поля в нерухомому розкриві. Класичним прикладом є управління положенням променя дзеркальної антени при бічному зміщенні опромінювача. Електромеханічний спосіб забезпечує кращу швидкодію, тому що рухомі елементи мають невелику масу в порівнянні з масою всієї антени.
Проте ні механічний, ні електромеханічний способи сканування не задовольняють сучасним вимогам до швидкості огляду простору і не дають можливості одночасно стежити за переміщеннями декількох об'єктів, що швидко рухаються.
Найбільшу швидкість огляду забезпечує електричний спосіб сканування. Швидкодія сканування тут обмежується інерційністю, зумовленою постійними часу електричних ланцюгів, причому ця інерція на на кілька порядків менше механічної інерції у двох перших способах.
Електричний спосіб сканування може застосовуватися для вирішення таких завдань, як сканування у просторі в широкому секторі кутів, отримання ДС заданої форми, можливість синфазного складання сигналів, більш повне вилучення інформації з вступників сигналів за рахунок застосування сучасних методів обробки сигналів, можливість управління ефективною поверхнею, що відбиває електромагнітні хвилі, об'єктів.
Як правило, електричне сканування реалізується у багатоелементних антенних решітках. Розрізняють фазове, амплітудне і частотне єлектричне сканування.
У фазовому способі сканування регулюються тільки фазові зміни на входах окремих випромінювачів решітки при майже постійному амплитудному розподілі. У амплитудном способі сканування переміщення головного променя ДС здійснюється перемиканням входів багатопроменевої антеної системи, тобто відбувається комутація парціальних діаграм спрямованості.
При частотному способі електричного сканування управління фазовими зрушеннями елементів антеної решітки відбувається при зміні лише одного параметра - частоти коливань, що вимагає створення спеціальних частотно-залежних схем збудження елементів решітки.
Практична реалізація даного методу є складною через низку специфічних труднощів, таких як:
поява фазових помилок у розкриві через неточності дії керуючих пристроїв, дискретності фазування, неузгодженості та взаємозв'язку елементів при скануванні;
появи додаткових втрат потужності НВЧ у пристроях управління;
відносна вузькосмуговість, пов'язана з можливістю появи побічних головних максимумів, висока початкова вартість і порівняно великі експлуатаційні витрати [11].
2. Спосіб електронного сканування діаграми спрямованості антен з використанням властивостей реверсивних середовищ
У роботі розглядається спосіб електронного сканування діаграм спрямованості дзеркальних антен, заснований на виконанні дзеркала антени з реверсивного середовища. Особливість реверсивного середовища полягає в тому, що у вихідному стані воно є радіопрозорим, а при впливі на нього керувального сигналу воно набуває властивостей, що відбивають єлектромагнітні хвилі.
Відомо, що будова енергетичного спектру матеріалу є головним чинником, що визначає електропровідність речовин або, в кінцевому рахунку, їх приналежність до групи металів, напівпровідників або діелектриків. У діелектриків валентна зона відділена від зони провідності широкою забороненою зоною (5 - 10 еВ). Тому перехід електронів в зону провідності внаслідок теплового збудження неможливий. У металів немає забороненої зони, тому що зона провідності і валентна зона у них перекриваються. До класу напівпровідників відносять речовини з шириною забороненої зони, що лежить в межах 0,01 - 5 еВ.
У напівпровіднику за низьких температурах і відсутності підведення енергії ззовні в зоні провідності немає жодного електрона, і кристал не проводить електричного струму, тобто є ізолятором. При підводі енергії ззовні, наприклад, при нагріванні кристала, амплітуда коливань іонів у вузлах решітки збільшується, що створює можливість переходу електрона з валентної зони в зону провідності [2].
При поданій температурі ймовірність такого переходу буде тим більше, чим менше ширина забороненої зони. У свою чергу, чим більше електронів перейде в зону провідності, тим вище електропровідність кристала. На відміну від металів, питомий опір власних напівпровідників зі зростанням температури зменшується. Електропровідність при цьому зростає за експоненціальним законом. При відсутності випромінювання поблизу абсолютного нуля температури ідеальний напівпровідник веде себе як ізолятор. З підвищенням температури він набуває енергії, кількість якої в якийсь момент стає достатнім для масового перекидання електрона з валентної зони в зону провідності. У зоні провідності виникають носії заряду - електрони, у порожньому місці, що утворилося, валентної зони тієї ж миті виникає позитивний заряд, рівний за абсолютною величиною заряду, який пішов у зону провідності електрона. Даною рекомбінацією обумовлена власна електропровідність напівпровідника. Для кожного напівпровідника вона настає при різних температурах, тим більших, чим більше ширина забороненої зони напівпровідника.
Введення в бездомішковий напівпровідник мізерної кількості домішок дуже сильно збільшує його електропровідність. При введенні в напівпровідник домішок відбувається заміщення в кристалічній решітці атомів напівпровідника атомами домішок, в результаті чого в ідеальному напівпровіднику з'являється діркова або електронна провідність. Однак характер електропровідності змінюється зі збільшенням температури. При підвищенні температури в зону провідності у кількостях, що постійно зростають, надходять електрони з домішкових рівнів і з валентної зони. Електропровідність починає набувати змішаний характер. З підвищенням температури домішкові рівні виснажуються, тому що концентрація донорів у напівпровіднику має кінцеве значення. Нарешті за деякою температурою постачальником електронів у зону провідності стане одна валентна зона.
Збільшення концентрації домішок у напівпровіднику зменшує величину перехідної області між домішковою й власною провідністю. Це означає, що збудження електронів з валентної зони починається раніше, ніж вичерпалися електрони на домішкових рівнях. При подальшому підвищенні вмісту домішок енергія активних домішкових центрів починає зменшуватися. За деякою концентрації вона звертається в нуль, тобто напівпровідник перетворюється на напівметал. Такі речовини за низьких температурах ведуть себе як метали, а за високих - як діелектрики. Таким чином, як реверсивне середовище може бути використаний насичений домішками напівпровідник, керований температурою.
Подібний ефект відбувається при впливі на напівпровідникову пластину світловим або електронним променем. Під дією енергії випромінювання, що поглинається напівпровідником, у ньому виникає додаткова електропровідність. Електропровідність під дією випромінювання виникає завдяки тому, що, віддаючи свою енергію валентним електронам, фотони збільшують число носіїв заряду. При постійній температурі і відсутності випромінювання електропровідність власного або домішкового напівпровідника називається темнової електропровідністю. Після освітлення напівпровідника світлом з енергією фотонів, що перевищує ширину забороненої зони власного напівпровідника або енергію іонізації домішкового напівпровідника, у зоні провідності з'являються додаткові нерівноважні носії зарядів. У результаті електропровідність напівпровідника зростає [2].
Установлено, що рухливість фотоносіїв не відрізняється від рухливості темнових носіїв заряду, викликаються тепловим рухом.
Освітлення фотоносіїв викликає локальну зміну всіх електромагнітних параметрів матеріалу: коефіцієнтів відбиття, заломлення і проходження електромагнітної хвилі. У неосвітленому стані реверсивне середовище має мале темнове збудження, що характеризує його як радіопрозоре середовище [10]. Джерелом світла можуть бути потужні джерела приблизно сонячного спектрального складу, причому найкращі характеристики застосовуваних матеріалів досягаються при рівнях освітленості 300 000 - 500 000 лк, тому що при такому рівні освітленості не спостерігається помітного насичення як в режимі проходження електромагнітної хвилі, так і режимі відображення [3].
У запропонованому нами способі сканування поверхню реверсивного середовища висвітлють інтенсивною світловою плямою необхідної форми і розмірів, зміна розмірів світлової плями призводить до зміні ширини ДС та її форми в заданій площині. Очевидно, що ширина ДС антени залежить від величини, форми і орієнтації світлового плями: чим ширше світлове пляма, тим вужче діаграма спрямованості антени в цій площині.
Послідовно переміщуючи освітлену область по поверхні дзеркала проводиться переміщення (сканування) діаграми спрямованості у просторі. При цьому швидкість сканування обмежується тільки швидкістю переходу реверсивного середовища з непровідного стану в провідний (визначається часом життя нерівноважних носіїв струму) і швидкістю переміщення світлового впливу; закон зміни положення освітленої області, а, отже, і діаграми спрямованості антени в просторі може бути будь-яким заданим [5, 6].
Таким чином, даний спосіб дозволяє отримати задану форму і ширину діаграму спрямованості антени у НВЧ - діапазоні, а також управляти діаграмою спрямованості антени в процесі сканування за заданим законом, забезпечуючи гнучкість траєкторії і швидкість розгортки.
3. Характеристики використовуваних реверсивних матеріалів
До полупроводниковому матеріалу, що використовується при створенні дзеркала антени, пред'являється ряд вимог, зокрема, за інерційності, спектральним характеристикам, механічними властивостями і т. д. При цьому напівпровідникова пластина має мати високу амплітудну і фазову однорідність, чому приділяється особлива увага при розробці цього елемента.
Як напівпровідникові пластини можуть бути використані набірні монокристалічні панелі з кремнію n-типу і германію n-типу (питомий опір 40 - 45 Ом•см, час життя нерівноважних носіїв струму τ ~ 50 мкс).
Відомо, що темнової коефіцієнт відбиття таких монокристалічних пластин на резонансній довжині хвилі складає близько 0,1 - 1%, а полікристалічних шарів (на основі сульфіду і селену кадмію) затовшки 200 - 300 мкм у 8 мм діапазоні від 1,5 до 5%, а в 3 см діапазоні - від 0,8 до 2%. Час життя нерівноважних носіїв струму в полікристалічних шарах τ ~ 0,5 - 1 мкс.
Якщо монокристалічні панелі мають низьку інерційність, то полікристали значно більш технологічні, що дозволяє при вже існуючій технології отримати пластини необхідних для створення дзеркала антени розмірів. Такі пластини характеризуються кращими показниками амплітудної та фазової однорідності (середній квадратичний розкид по всій робочій поверхні не перевершує 1 - 5% по амплітуді і 1,5 - 2˚ по фазі в режимі проходження електромагнітної хвилі) при великих розмірах пластин (до 50λ) [3, 4].
На малюнку зображено один із результатів роботи - багатопроменева дзеркальна скануюча антена. Дана антена виконана з радіопрозорого речовини і покрита тонким шаром реверсивного середовища. При впливі на неї джерелами сигналів управління вона формує послідовно два типи діаграм спрямованості: віялову та спеціального типу (косекансну), що дає можливість використовувати дану антену в РЛС для огляду простору і стеження за рухомими об'єктами.
Тип рисунка - анімація.
Формат: gif;
розмір: 400х292 пікселей, 50,7 Кб;
затримка одного слайда - 1 сек.;
кількість кадрів - 3;
зроблено за домогою он-лайн створювача анімацій "Gif Аnimation Мaker"
www.gifup.com.
Бібліографічний спиcок
1. 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 – 685 с.
2. 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 – 371 с.
3. Волькенштейн Ф.Ф. Электроны и кристаллы. – М.: Наука, 1983. – 128 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. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975. – 528 с.
6. Нашельский А. Я. Технология полупроводниковых материалов, – М.: Наука, 1973.
7. Патент № 49709, Украина, МПК (2009) H01Q19/10. Многолучевая зеркальная сканирующая антенна. Донецкий национальный технический университет. Паслён В.В, Федотова (Доронина) М.В., Михайлов М.В., Михайлова А.В., Иваницин В.Е., Вахнова Е.Е. Публ. – 11.05.2010. Бюл. №9 – 8 стр.
8. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ, - М.: Высшая школа, 1988. – 432 с.
9. Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов. - К.: Технiка, 1969. – 300 с.
10. Федотова (Доронина) М.В., Барабаш Ю.С., Паслён В.В. Формирование диаграммы направленности специальной формы в зеркальных антеннах // Материалы XIII Международного молодёжного форума «Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке». – Харьков: ХНУРЭ, 2009 - с. 35.
11. Федотова (Доронина) М.В., Барабаш Ю.С., Паслён В.В. Формирование диаграммы направленности специальной формы в зеркальных антеннах // Материалы XI Международной молодёжной научно-практической конференции «Человек и космос». – Днепропетровск: НЦАОМ, 2009.
12. Федотова (Доронина) М.В., Паслён В.В. Антенны специального назначения // Материалы XIV Международного молодёжного форума «Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке». Сборник тезисов. – Харьков: ХНУРЭ, 2010 - с. 25.
13. Федотова (Доронина) М.В., Паслён В.В. Диаграммы направленности специальной формы // Материалы XII Международной молодёжной научно-практической конференции «Человек и космос». Сборник тезисов. – Днепропетровск: НЦАОМ, 2010 - с. 418.
14. Федотова (Доронина) М.В. Многолучевая зеркальная сканирующая антенна // Материалы 6-ой Международной молодёжной научно-практической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ - 2010». Сборник тезисов. - Севастополь: СевНТУ, 2010 - с. 196.
15. Доронина М.В. Зеркальная сканирующая антенна // Материалы 7-ой Международной молодёжной научно-практической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ - 2011». Сборник тезисов. - Севастополь: СевНТУ, 2011.
16. Филькенштейн М.И. Основы радиолокации. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1983. – 536 с.
17. Хорхордин А.А., Носко Ю.В., Паслен В.В. О возможности использования реверсивных сред в антенной технике / Международная научно-практическая конференция «Человек и космос»: Сборник тезисов. – Днепропетровск: НЦАОМУ, 2004. – с. 296.
18. Стаття «Зеркальные антенны» на сайті "gardenweb.ru".
Автореферат знаходиться в стадії розробки. Приведений вище варіант її не є кінцевим. Кінцевий варіант роботи буде віддруковано у грудні 2011 року.