Факультет радиотехники и специальной подготовки
Специальность: Радиоэлектронные устройства, системы и комплексы
Актуальность темы. На современном этапе развития радиотехники нельзя не отметить значительное расширение области задач, решаемых современными радиотехническими системами и, как следствие, повышение требований к качественным показателям и конструктивных параметров радиоэлектронной аппаратуры [1]. В частности, такое повышение требований характерно и для антенн, и для сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств, которые играют важную роль в организации систем и сетей радиосвязи. К основным преимуществам радиосвязи следует отнести оперативность установления прямой связи на определенное расстоянии и простоту организации связи с нестационарными объектами, однако, радиосвязи свойственны также и определенные недостатки, такие как сложность организации беспроводных каналов связи в подземных сооружениях (в тоннелях, штольнях и т.д.), различный характер замираний сигналов на трассах радиосвязи, относительно невысокая помехозащищенность. На практике, при организации каналов радиосвязи в сооружениях и зданиях, широкое распространение получили системы связи у которых есть центральная станция и несколько базовых станций, при этом передача данных между центральной и базовыми станциями организуется по волноводным (в том числе и оптоволоконным) или проводным (фидерным) линиям связи, а передача данных на устройстве сети, не являющиеся базовой или центральной станциями, осуществляется базовой станцией через радиоканал. К таким системам связи относятся, в частности, так называемые телекоммуникационные системы волоконно-эфирной структуры (системы класса Radio over Fiber (RoF)).
В современных тенденциях развития радиотехники четко прослеживаются тенденции того, что к системам связи постоянно будут выдвигаться более строгие требования в отношении многих параметров, таких как полоса пропускания, рабочая частота, массогабаритные показатели, электромагнитная совместимость и т.д. Очевидно, что соблюдение этих требований требует инновационных решений.
Существует большое количество направлений исследований с целью решения существующих проблем радиотехники, особое место среди этих направлений занимает разработка новых устройств, в частности, тех, которые выполняли бы конкретные функции (задачи), имели как можно более простую конструкцию (строение) и минимальную потребляемую мощность.
Перспективными направлениями развития радиотехники, в частности телекоммуникаций, является волоконно-оптические линии связи и радиолинии связи. Поэтому естественно стремление к созданию простых устройств для преобразования оптического сигнала в электромагнитный сигнал и наоборот, при этом сигнал, в таком случае, рассматривается как носитель информации. Использование фотонных устройств и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) открывает новые возможности и позволяет повысить производительность радиотехнических систем. Это обстоятельство способствовало появлению новой задачи в радиотехнике — задачи разработки фотонно-управляемых антенн.
Сравнительно недавно была предложена новая концепция построения устройств для преобразования оптического сигнала в электромагнитный сигнал и наоборот, это так называемые фотонные антенны [2] - [4]. Термин «фотонные антенны» [2] - [4] является сокращенным названием интегрированных фотонно-активных антенн, которые также известны под названием PhAIAs (акроним от англ. «photonic active integrated antennas») [5], [6]. Для фотонных антенн характерно то, что сигнал к антенне, в случае передающей антенны, и от антенны, в случае приемной антенны, распространяется по оптическому волокну. Состоит фотонная антенна из микрополосковой антенны и фотонного устройства (фотодиода или лазера, в соответствии с тем какая это — передающая или приемная — антенна) [5], [6]. Простота конструкции такого устройства предопределяет заинтересованность им. Его свойства и реальные возможности использования в системах связи не были тщательно исследованы, следовательно, углубленное исследование возможностей фотонных антенн является актуальной задачей.
Цель магистерской роботы заключается в исследовании реальных возможностей использования фотонных антенн (PhAIAs [2] - [6]) в системах связи и разработке новых конструктивных и технических решений интегрированных фотонно-активных антенн (PhAIAs) с улучшенными характеристиками, которые лучше удовлетворяли бы конкретным заранее предопределенным условиям применения фотонных антенн.
Объектом исследования являются электромагнитные явления, сопровождающие работу фотонных антенн (PhAIAs).
Предметом исследования являются принципы работы и свойства фотонных антенн (англ. photonic active integrated antennas).
Методы исследований. В магистерской работе предполагается использование методов теории расчета и конструирования СВЧ полосковых устройств, использование математического аппарата электродинамики, а также экспериментальные методы исследования характеристик антенн.
Практическая ценность. Предполагается, что полученные результаты могут быть использованы при построении реальных систем связи, а также при разработке аналогичных устройств (модификаций).
Личный вклад автора определен в перечне публикациях по теме магистерской работы. Перечень публикаций по теме магистерской работы можно получить у автора данного реферата.
Ключевые слова: активные антенны, микрополосковые устройства, полупроводниковый лазер, фотодиод, фотонные устройства, фотонные антенны, англ. Photonic Active Integrated Antennas, интегрированные устройства, частотные свойства, диаграмма направленности, системы связи, радиосвязь.
Информационный поиск по теме работы по состоянию на 01.04.11 показал, что исследование по данной тематике (фотонные антенны, и их использование в системах связи) в ДонНТУ не проводились, также выявлено, что в интернет источниках отсутствует какая-либо информация о результатах исследований по данной тематике сделанных в Украине. Из интернет источников также известно, что в мире данная тематика обсуждается и исследуется в Европе (в Великобритании, Польше, Белоруссии, России), Америке (в США) и Азии (в Таиланде).
Концепция фотонных антенн (PhAIAs [2] - [6]) близка к концепции интеграции фотонных устройств с микрополосковыми антеннами [7], и — является расширением давно известной концепции активных микрополосковых антенн (англ. active integrated antennas (AIA)) [8]. В основу фотонных антенн положена идея использования фотонных устройств для управления параметрами антеннами.
Главное отличие фотонных антенн от обычных микрополосковых антенн (МПА) и активных интегрированных антенн (AIA) заключается в том, что СВЧ сигнал к и от МПА передается по коаксиальному кабелю, а в случае фотонных антенн коаксиальный кабель заменён оптическим волокном. Также важной особенностью PhAIA-антенн является их однонаправленные свойства, т.е. одна антенна может работать только на передачу или прием сигнала в зависимости от того, какое фотонное устройство (фотодиод или полупроводниковый лазер) интегрировано в МПА. Структурная схема системы передачи информации (цифровых данных) с использованием фотонных антенн имеет следующий вид, отображенный на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема системы передачи информации с использованием фотонных антенн.
(Обратите внимание на конструкцию фотонной антенны, работающей на прием радиосигнала, и на конструкцию фотонной антенны, работающей на передачу радиосигнала)
(Данный рисунок является анимацией. Объем файла: 20 Кбайт; размер: 730 × 252; количество кадров: 17; количество циклов повторения: 7)
На рисунке 1 приняты следующие обозначения: PhAIA — фотонная антенна (англ. Photonic Active Integrated Antenna), VCSEL — поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором, Photodiode — фотодиод, optical fiber — оптическое волокно, splitter — канальный переключатель (для переключения прием — передача) .
Идея использования фотонных устройств, в частности фотоэлектронных устройств, для управления параметрами антеннами не нова. В 1985 году Daryoush, Bontzos и Herczfeld [7] представили концепцию использования оптически управляемого p-i-n диода для реконфигурации патч-антенны (микрополосковой антенны). Данная концепция является одной из первых среди тех, которые содержат в себе идеи использования фотонных устройств в антенной технике. На рисунке 2 представлены концептуальные идеи этой оптически управляемой антенны. В этой структуре импеданс p-i-n диода изменяется под действием светового облучения p-i-n структуры диода, что позволяет «подключать» к основной патч-антенне дополнительный микрополосковый элемент. Световое излучение может быть подведено через оптический волновод, либо непосредственно путем прямого освещения. Такой подход устраняет необходимость в проводниковых соединениях и позволяет интегрировать управляющее устройство в конструкцию антенны, так как запертый диод почти не будет влиять на работу основной антенны. В 1988 году авторы идеи запатентовали эту концепцию [7].
Рисунок 2. Концепция оптически управляемой антенны [7].
Концепция фотонных антенн предусматривает использование фотонных устройств (в т.ч. полупроводниковых лазеров) по иному назначению, нежели это указано в предыдущем примере (см. рис. 2). В конструкции фотонных антенн фотонные устройства используются в качестве фотоприемных и фотопередающих устройств.
Рисунок 3. Концепция фотонных антенн для передачи сигнала [4].
На рисунке 3 приняты следующие обозначения: Optical signal — оптический сигнал, optical fiber — оптическое волокно, photodiode — фотодиод, radiator — СВЧ излучатель, μWave — микроволновое излучение; пунктиром обозначена фотонная антенна.
Для большинства существующих концепций фотонно-управляемых антенн, и фотонных антенн, в частности, вопросы технологии фотоэлектронных устройств является критическим. Это обусловлено потребностью в фотоэлектронных устройствах которые будут конкретным образом реагировать на изменение величины освещенности. Поэтому большая часть работ посвящена изучению и разработке фотоэлектронных устройств (преимущественно полупроводниковых фотодиодов), которые удовлетворяли бы определенным потребностям.
Для построения интегрированных фотонно-активных антенн в качестве фотонных устройств, как указано в литературе [2] - [6], используются p-i-n фотодиоды, и VCSEL лазерные диоды. А в качестве устройства для излучения и приема радиоволн — микрополосковая антенна. Рассмотрим эти приборы более подробно.
P-i-n фотодиод – это фотодиод у которого между двумя областями противоположной проводимости расположена средняя i - область собственного полупроводника. Большинство фотонов поглощаются в собственном полупроводнике (i - области), это эффективно способствует формированию фототока.
По сравнению с обычным p-n фотодиод p-i-n фотодиод имеет утолщенную обедненную область, что обусловливает большую квантовую эффективность, а также приводит к снижению емкости и тем самым обеспечивает более высокий уровень пропускной способности [10, с. 499]. При приложении достаточно большого напряжения, оно пронизывает i - область и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это обусловливает выигрыш в быстродействии и чувствительности устройства. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде вызвано изменением процесса диффузии на дрейф электрических зарядов в сильном электрическом поле.
Преимущества:
1) существует возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i - области;
2) высокая чувствительность и быстродействие;
3) малое рабочее напряжение.
Недостатки: технологическая сложность получения высокой чистоты i - области.
Принимая во внимание вышесказанное понятно, что использование p-i-n фотодиодов в значительной мере связано с их быстродействием и высокой чувствительностью.
VCSEL лазерный диод — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — одна из разновидностей полупроводниковых лазеров, такой лазерный диод излучает пучок света в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности [10].
VECSEL лазеры, из-за малой круговой задержки резонатора, могут модулироваться высокими частотами, в т.ч. гигагерцевого диапазона, это делает их полезными, например, для ВОЛС. Для VECSEL лазеров характерна низкая плотность тока возбуждения в активном элементе лазера, т.е. характерен низкий пороговый ток (порядка нескольких микроампер).
Преимущества:
1) высокая стабильность длины волны;
2) малая температурная чувствительности;
3) повышенная мощность на единицу площади;
4) высокое качество светового пучка.
Микрополосковые антенны (МПА) имеют относительно простое строение, однако их анализ достаточно сложен. Первичным усложняющим фактором является плоская конструкция и наличие диэлектрической подложки, на горизонтальной плоскости которой располагается проводящий слой. Именно исследование распределения токов на поверхности проводящего слоя привело к появлению огромного количества подходов к анализу и моделированию. Первые модели микрополосковых антенн были относительно просты, из соображений геометрического дизайна, однако до сих пор трудно учесть все физические свойства которые им присущи. Современные микрополосковые антенны имеют множество форм и конфигураций, которые могут быть проанализированы, но не дают четких представлений о том, как именно следует делать выбор формы элементарного излучателя микрополосковой антенны (патча).
Точные подходы к математическому и электрическому моделированию микрополосковых антенн, включая те подходы, которые используют дифференциальные уравнения, позволяют получить высокую точность и адекватность, но требуют очень сложных числовых расчетов. Как следствие, для инженерных работ удобнее использовать упрощенные подходы.
Элементарные излучатели МПА характеризуются различными режимами работы: резонансным и нерезонансным, их комбинации [9]. МПА имеют большое количество возможных схем питания: коаксиальным кабелем, прямоугольным волноводом, полосковой линии передачи.
Микрополосковые антенны не включены ни в раздел посвященный элементам с распределенными параметрами, ни к разделу апертурных элементов, поскольку излучение МПА, и все её свойства, могут быть сформулированы с любой точки зрения. Поэтому микрополосковый патч может быть использован и как элемент микрополосковых линий, и как микрополосковая антенна.
Резонаторные патчи прямоугольной формы конструктивно являются простейшими и достаточно удобными для рассмотрения физики процессов в МПА.
Рисунок 4. Прямоугольный элементарный излучатель МПА и распределение электрического поля.
(На рисунке W и L — геометрические размеры резонансной МПА; L — определяет резонансную частоту антенны)
Рассмотрим прямоугольную микрополосковую антенну которая, питается от микрополосковой линии (рис. 4). Когда волна в микрополосковой линии встречает резкое изменение ширины линии на входе патч антенны, волна излучается. На границе перехода микрополосковая линия — микрополосковая антенна образуется поле рассеяния, как показано на рисунке 4. После перехода, патч рассматривается как другая микрополосковая линия. Поле распространяется по этой линии, пока не достигнет другого края. Здесь резкий обрыв линии вновь создает поле рассеяния. Края МПА ведут себя как конденсаторы, замкнутые на землю, а изменения в распределении электрического поля более значительны, чем изменения магнитного поля. Эквивалентная схема для прямоугольного микрополоскового элементарного излучателя имеет вид двух параллельно соединенных проводимостей: YS1 = G + jωC1 та YS2 = G + jωC2.
В магистерской работе решается актуальная научно-техническая задача, которая посвящена исследованию и модификации интегрированных антенных систем с фотонными устройствами — фотонных антенн — с целью их возможного использования в системах связи. Углубленное исследование свойств фотонных антенн позволяет подтвердить или опровергнуть эффективность использования таких устройства в системах связи при различных эксплуатационных условиях.
Использование таких антенных систем в системах радиосвязи с оптическими магистралями позволяет существенно упростить оконечное оборудование линии связи телекоммуникационных систем волоконно-эфирной структуры (систем класса RoF).
Замечание. При написании данного автореферата магистерская работа была не завершена. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора. Связаться с автором можно через его научного руководителя или администратора Портала магистров ДонНТУ. Автор оставляет за собой право отказать в предоставлении каких-либо материалов без обоснования причины.
© ДонНТУ, 2011
© Гоголенко Е. Ю., 2011