ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст



Вступ

1. Актуальність теми

На сучасному етапі розвитку радіотехніки та телекомунікацій пред'являються високі вимоги до конструктивних і якісних параметрів антенних систем і радіоелектронної апаратури. Перспективним розвитком цього напряму є використання волоконно-оптичних ліній зв'язку. Волоконно-оптичний кабель (ВОК) є найбільш широкосмуговим середовищем передачі інформації. Тому виникла потреба у розвитку та створенні нових простих, недорогих і компактних пристроїв, які перетворюють оптичний сигнал в електричний, і навпаки.

Одним з можливих способів спрощення таких пристроїв є використання активних інтегрованих антен, які отримали назву PhAIAs (від англ. "photonic active integrated antennas"). Для них характерно те, що сигнал від антени (як передавача), і до антени (в якості приймача) поширюється по оптичному волокну, і з фотодіода безпосередньо збуджує антену.

В якості активної фотонної антени буде використовуватися мікрополоскова антена. Коаксіальний кабель в ній буде замінений оптоволокном, фотодіод буде використовуватися для перетворення НВЧ сигналу в амплітудно-модульований оптичний сигнал і навпаки.

2. Мета магістерської роботи

Дослідження характеристик інтегрованих мікрополоскових активних антен в захищених системах зв'язку, створення вузьконаправленої антени з високим коефіцієнтом посилення для збільшення дальності дії антени, тому що вихідний сигнал антени низького рівня.

Для досягнення поставленої мети повинні вирішуватися наступні завдання:

- застосування більш потужних фотодіодів, тому що у використовуваних діодах фотострум низького рівня;

- створення нової мікрополоскової конструкції антени.

Рисунок 1 – Мікрополосковий випромінювач з розташованими паралельно щілинами

3. Наукова новизна і практична цінність

Полягає в тому, що інтегрована мікрополоскова активна антена може застосовуватися в якості базових і передавальних станціях в бездротових системах зв'язку. Так як використання активних фотонних антен, сигнал до яких подається за допомогою оптичного волокна, дозволяє досить спростити базові радіостанції, при цьому сигнал з фотодіода безпосередньо збуджує антену без підсилення, а такі функції як модуляція, демодуляція і керування каналом виконуються центральною станцією.

Рисунок 2 – Схема передачі з використанням фотонних антен на основі високошвидкісних фотодіодів

Рисунок 3 – Схема радіозв'язку з оптичними магістралями (анімація: 16 кадрів, кількість періодів 100, затримка одного кадру - 0,1 сек, розмір 448х305, 317 Кб)

4. Огляд досліджень і розробок за темою випускної роботи

За результатами інформаційного пошуку за темою роботи, було виявлено, що дослідження з даної тематики було розпочато магістром ДонНТУ Гоголенко Є.Ю., він займався розробкою всенаправленной активної фотонної антени [1], і спираючись на його розробки можна поглибиться і далі просунути його роботу, створити синфазну вузькоспрямовану інтегровану активну фотонну антену.

Судячи з інтернет джерел, в Україні цих досліджень, які були б пов'язані з темою випускної роботи не проводилися, а в Азії, Європі та США ця тема широко досліджується вченими.

Інтегрована мікрополоскова активна антена складається з мікрополоскового випромінювача, до якого підводиться оптоволоконний кабель і фотодетектора. Перевагою цієї антени є її мініатюризація, і простота конструкції.

Мікрополоскові антени (МПА), виготовлені за технологією інтегральних схем НВЧ, найбільшою мірою, ніж антени інших типів, відповідають вимогам мініатюризації. Мікрополоскові випромінювачі та решітки, що використовуються в МПА, забезпечують їх малі габаритні розміри, масу і вартість при високій відтворюваності характеристик, що дозволяє представити МПА як перспективний клас антенних пристроїв НВЧ. Підвищення якості проектування, скорочення витрат на експериментальне відпрацювання та виробництво МПА бачиться в застосуванні суворих методів аналізу, створенні методик і алгоритмів, придатних для використання в системі машинного проектування.

Оптичне волокно – нитка з оптично прозорого матеріалу (скло, пластик), що використовується для перенесення світла усередині себе за допомогою повного внутрішнього відображення. Скляні оптичні волокна робляться з кварцового скла, але для далекого інфрачервоного діапазону можуть використовуватися інші матеріали, такі як фтороцирконат, фторалюмінат і халькогенідні скла [2]. Як і інші скла, ці мають показник заломлення близько 1,5.

Рисунок 4 – Волоконно-оптичний кабель

В даний час розвивається застосування пластикових оптичних волокон. Сердечник в такому волокні виготовляють з поліметилметакрилату (PMMA), а оболонку з фторованих PMMA (фторполімерів). Оптичне волокно, як правило, має круглий перетин і складається з двох частин – серцевини і оболонки. Для забезпечення повного внутрішнього відображення абсолютний показник заломлення серцевини трохи вище показника заломлення оболонки. Наприклад, якщо показник заломлення оболонки дорівнює 1,474, то показник заломлення серцевини – 1,479. Промінь світла, спрямований в серцевину, буде поширюватися по ній. Можливі й більш складні конструкції: в якості серцевини і оболонки можуть застосовуватися двовимірні фотонні кристали, замість ступеневої зміни показника заломлення часто використовуються волокна з градієнтним профілем показника заломлення, форма серцевини може відрізнятися від циліндричної. Такі конструкції забезпечують волокнам спеціальні властивості: утримання поляризації світла, що поширюється, зниження втрат, зміна дисперсії волокна та ін.

Оптичні волокна, що використовуються в телекомунікаціях, як правило, мають діаметр 125 ± 1 мікрон. Діаметр серцевини може відрізнятися в залежності від типу волокна і національних стандартів.

Фотодетектори (PIN-діоди)

PIN-діод — різновид діода, в якому між областями електронної (n) і діркової (p) провідності знаходиться власний (нелегований, англ. intrinsic) напівпровідник (i-область). p і n області як правило легується сильно, так як вони часто використовуються для омічного контакту до металу.

Фотодіоди виготовлені за технологією молекулярно-пучкової епітаксії на підкладках GaAs і InP. Характерні якості pin-діода проявляються при роботі в режимі сильної інжекції, коли i-область заповнюється носіями заряду з сильнолегованих n + і p + областях, до яких прикладається пряме зміщення напруги. pin-діод функціонально можна порівняти з відром води з отвором збоку – як тільки відро наповнюється до рівня отвору – воно починає протікати. Точно так само і діод починає пропускати струм, як тільки заповниться носіями заряду i-область.

Рисунок 5 – Функціональна структура pin-діода

Рin-діод може використовуватися в мережевих картах і комутаторах для волоконно-оптичних кабелів. У цих додатках pin-діод використовується як фотодіод.

В якості фотодетектора pin-діод працює при зворотному зміщенні. При цьому він закритий і не пропускає струм (за винятком незначного струму витоку Is). фотон входить в i-область, породжуючи створення електронно-діркових пар. Носії заряду, потрапляючи в електричне поле ОПЗ, починають рухатися до високолегованих областей, створюючи електричний струм, який може бути детектований зовнішнім ланцюгом. Провідність діода залежить від довжини хвилі, інтенсивності та частоти модуляції падаючого випромінювання.

Величина зворотньої напруги може досягати великих значень, при цьому більша напруга створює більше поле, яке витягує носії з ОПЗ i-області більш швидко.

Через те, що в i-області дуже низька концентрація носіїв заряду, там практично відсутні процеси рекомбінації під час інжекції. Але в режимі прямого зміщення концентрація носіїв заряду на кілька порядків перевищує власну концентрацію.

Кристали індивідуальних вертикально-випромінюючих лазерів (VCSEL) і pin-фотодіодів (ФД) спектрального діапазону 850 нм, а також їх лінійних масивів призначені для застосування у високошвидкісних оптичних системах прийому-передачі даних, в сантиметровому діапазоні хвиль (НВЧ).

Широка нелегована i-область робить pin-діод поганим випрямлячем (звичайне застосування для діода), але з іншого боку це дозволяє використовувати його в атенюатори (ослабителя сигналу), швидких перемикачах, фотодетектора, а також у високовольтної електроніці.

4.1 Концепція фотонної антени


Традиційна мікрохвильова антена [3] має коаксіальний або мікрополосковий фідерний тракт, який закінчується НВЧ роз'ємом. НВЧ сигнал передається до і від антени за допомогою коаксіального кабелю. В фотонній антені коаксіальний кабель замінений оптичним волокном, у зв'язку з чим необхідно використовувати оптоелектронні компоненти, такі як лазери і фотодіоди, для перетворення НВЧ сигналу в амплітудно-модульований оптичний сигнал і навпаки.

Фотоная антена може бути гібридною (рис.6. а) або інтегрованою (рис. 6.б).

Рисунок 6 – Гібридна (a) і інтегрована (б) фотонні антени.

Гібридна фотонна антена складається з двох незалежних частин: волоконно-оптичного фотодіодного модуля і звичайної мікрохвильової антени, які з'єднуються разом за допомогою НВЧ роз'ємів. У інтегрованій фотонній антені фотодіод, об'єднаний з випромінювачем антеною таким чином, що фотострум який генерується фотодіодом, безпосередньо порушує антену.

Інтегровані фотонні антени володіють наступними перевагами:

- легка вага і невеликий розмір, оскільки не потрібно металевих коаксіальних кабелів і НВЧ з'єднувачів;

- широка смуга пропускання, яка обмежена тільки випромінювачем антени;

- несприйнятливість до електромагнітних перешкод, що важливо для антенних решіток і систем;

- можливість дистанційного керування антеною завдяки низьким втрат в оптичному волокні, які можуть бути менш 0.2 дБ / км;

- можливість використання методів оптичної обробки та генерації НВЧ сигналів.

Потрібно зазначити, що тільки передавальна фотонна антена може бути побудована на основі фотодіода через односторонню природу оптоелектронних компонентів. Головними недоліками передавальної фотонної антени є втрати на оптоелектричне перетворення, які можуть перевищувати 10 дБ, і відносно низька вихідна потужність НВЧ сигналу, обмежена максимальним фотострумом фотодіода, який зазвичай не перевищує кількох десятків міліампер.

4.2 Інтегрована фотонна антена для систем ультраширокополосного радіозв'язку


У разі інтегрованої фотонної антени [4] фотодіод навантажений безпосередньо на вхідний імпеданс мікрополоскового випромінювача (рис. 7).

Рисунок 7 – Вигляд спереду і ззаду інтегрованної фотонної антени

НВЧ сигнал підводиться до фотонної антени за допомогою одномодового оптичного волокна у вигляді амплітудно-модульованого оптичного сигналу. Випромінювачем фотонної антени є прямокутний E-подібний мікрополосковий випромінювач, який розроблений для роботи на частоті 5.6 ГГц і має смугу пропускання 750 МГц на рівні -10 дБ. Підкладка мікрополоскового випромінювача використовується для кріплення фотодіода, який припаюється до задньої сторони випромінювача таким чином, що фотострум фотодіода може текти по мікрополоску. Фотодіод, який використовується в фотонній антені, є високошвидкісним InGaAs / InP p-i-n-фотодіодом із смугою пропускання 8 ГГц і чутливістю 1 А / Вт на довжині хвилі 1310 нм (рис. 8).

Рисунок 8 – Структура InGaAs/InP p-i-n фотодіода та еквівалентний ланцюг інтегрованної фотонної антени для високих частот

Еквівалентний електричний ланцюг досліджуваної інтегрованої фотонної антени для високих частот складається з імпедансу Zi, який представляє мікрополосковий випромінювач, джерела струму Iph, ємності p–n-переходу Сpn (0.07 пФ), опору p–n-переходу Rpn и послідовного опору Rs (3 Ом), які разом представляють кристал фотодіода, індуктивності сполучного дроту Ls (0.5 нГн), ємності Cp (0.5 пФ) і індуктивності Lp (3 нГн) корпусу фотодіода. З еквівалентного електричного кола можна бачити, що ефективна потужність випромінювання фотонів антени залежить від узгодження імпедансів фотодіода і мікрополоскового випромінювача. Тому, що вхідний імпеданс випромінювача Zi залежить від положення точки збудження df , то існує оптимальна точка збудження, що забезпечує найвищу ефективність антени в межах самого широкого діапазону частот. Так як опір p–n-переходу Rpn при напрузі зворотного зсуву 5 В становить величину більше 1 кОм, то вхідний імпеданс фотодіода ZPD є реактивним і змінюється від 22 до 80 Ом в частотному діапазоні від 4.5 до 6.5 ГГц. Опір вхідного імпедансу Zi збільшується для вищих 254 частот, що призводить до поліпшення узгодження з імпедансом фотодіода. Однак уявна частина імпедансу показує небажану зміну від індуктивної до ємнісної поведінки.

Таким чином, і активний, і реактивний опір змінюеться з частотою, що призводить до залежності ефективності фотонної антени від частоти. У зв'язку з вищесказаним точка збудження була обрана в положенні df = 2.3 мм, де активний опір мікрополоскового випромінювача збільшується з частотою монотонно, в той час як реактивний опір має ємнісний характер і мінімальна зміна з частотою. Точка подачі електроживлення була обрана в положенні dDC = 7.1 мм, де активний опір випромінювача дорівнює нулю, що призводить до відбиття НВЧ сигналу. Мал. 8 показує калібровані вимірювання коефіцієнта передачі для різних типів антен. У першому випадку вимірювалася звичайна НВЧ антена, коли НВЧ сигнал до мікрополоскового випромінювача подавався за допомогою коаксіального кабелю через НВЧ роз'єм типу SMA. У другому випадку досліджувалася гібридна фотонна антена. У гібридній фотонній антені мікрополосковий випромінювач з'єднаний з фотодіодним модулем за допомогою SMA з'єднувачів. У третьому сценарії була досліджена інтегрована антена.

У разі вимірювання гібридної та інтегрованої фотонних антен використовувався той же самий лазерний модуль. При всіх вимірах потужність вимірювального НВЧ сигналу була однакова. З рисунка видно, що коефіцієнт передачі інтегрованої фотонної антени збільшується для більш високих частот. Це пояснюється монотонним збільшенням активного вхідного опору випромінювача з частотою, що призводить до поліпшення узгодження з імпедансом фотодіода. Таким чином, рис. 8 показує, що ефективність інтегрованої фотонної антени може бути збільшена за допомогою оптимального вибору точки збудження мікрополоскового випромінювача.

Висновок

Конструкція і характеристики широкосмугового активної інтегрованої фотонної антени представлені і з порівняння коефіцієнта передачі гібридної та інтегрованої фотонної антени показано, що ефективність фотонної антени може бути збільшена шляхом оптимального вибору точки збудження мыкрополоскового випромінювача, де досягається найкраще узгодження вхідних імпедансів фотодіода і випромінювача (без НВЧ узгоджуючих ланцюгів і підсилювачів).

У магістерській роботі вирішується актуальна науково-технічна задача, яка присвячена дослідженню і проектуванню вузьконаправленої мікрополоскової інтегрованої активної антени в захищених системах зв'язку. Розглянуто різні методи проектування антени для збільшення коефіцієнту посилення і вихідної потужності.

Библиографический список

  1. Гоголенко Е. Ю., Паслён В. В. / Всенаправленная активная фотонная антенна // Матеріали 7-ої міжнар. молодіжної наук.-техн. конф., Севастополь 11 — 15 квітня 2011 р. / М-во освіти і науки, молоді та спорту Укр.,; наук. ред. Ю.Б. Гімпілевич. — Севастополь: СевНТУ, 2011. — С. 221. – ISBN: 978-966-2960-93-8.
  2. Электронная энциклопедия Википедия — Оптическое волокно
  3. Малышев С. А. Активная интегрированная фотонная антенна для беспроводной локальной сети / С. А. Малышев, А. Л.Чиж, Е. М. Ящишин // Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики : программа, аннотации докладов 3-ей Всероссийской молодежной школы-семинара с международным участием, 25–30 октября 2009, Москва. – М.: ФИАН, 2009. – С. 68..
  4. Чиж А. Л. Интегрированная фотонная антенна на основе высокоскоростного фотодиода для систем радиосвязи с оптическими магистралями / А. Л. Чиж, С. А. Малышев, Е. Ящишин // Полупроводниковые лазеры и системы на их основе : сб. статей 7-го Белорусско-Российского семинара, 1–5 июня 2009 г., Минск. – Мн.: НАН Беларуси, Институт физики им. Б. И. Степанова, 2009. – С. 251–254. – ISSN 2074-207X..
  5. Sittakul Vitawat. A fully bidirectional 2.4-GHz wireless-over-fiber system using photonic active integrated antennas (PhAIAs) / V. Sittakul, M. J. Cryan // IEEE Journal of Lightwave Technology. – Nov. 2007. – No. 11. – vol. 25. – pp. 3358–3365. – ISSN 0733-8724.
  6. Sittakul Vitawat. A 2.4-GHz Wireless-Over-Fibre System Using Photonic Active Integrated Antennas (PhAIAs) and Lossless Matching Circuits / V. Sittakul, M. J. Cryan // IEEE Journal of Lightwave Technology. – Jul. 2009. – No. 14. – vol. 27. – pp. 2724–2731. – ISSN 0733-8724.
  7. Панченко Б. А. Микрополосковые антенны / Б. А. Панченко, Е. И. Нефёдов. – М. : Радио и Связь, 1986. – 144 с.
  8. Белкин М.Е. Принципы построения и функционирования локальных телекоммуникационных систем волоконно – эфирной структуры, - М.: Радио и связь, 1995. - 224 с.3
  9. Claude Mahdjoubi; Kouroch., // Active photonic forbidden band antenna // "A brief history of photonic antenna reconfiguration" Microwave Photonics, 2000, Int'l Topical Meeting on Sep. 11-13, 2000, pp. 9-12. cited by other.
  10. Akkermans, J.A.G., van Beurden, M.C., Doodeman, G.J.N., Visser, H.J. Analytical Models for Low-Power Rectenna Design // IEEE A.P.S., vol. 4, pp. 187-190, 2005. – ISSN: 1536-1225.
  11. Гоголенко Е. Ю., В.В. Паслен. / Всенаправленная антенна, в одной конструкции с фотодетектором // 15-й Юбилейный Международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке»: Сб. материалов форума. Т.3. – Харьков: ХНУРЭ, 2011. – С. 107–108.
  12. Гоголенко Е.Ю. / Устройство для преобразования лучистой энергии в энергию оптического излучения // 15-й Юбилейный Международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке»: Сб. материалов форума. Т.3. – Харьков: ХНУРЭ, 2011. – С. 109–110.


При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року.

Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.