Антенна френеля с управляемыми параметрами на основе полупроводникового материала с оптически управляемыми электромагнитными параметрами

Антенна Френеля с перестраиваемыми частотными, пространственными и поляризационными характеристиками на основе полупроводникового материала с оптически управляемыми электромагнитными параметрами. Применение данной модели предполагается в составе различных радиотехнических устройств коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазонах волн: современных системах сбора, передачи, преобразования и обработки данных, радиолокации и систем наблюдения, контроля и управления, измерительных систем. В основе данного полезного устройства лежит принцип формирования как дискретных, так и непрерывных дифракционных излучающих систем КВЧ диапазона на основе материалов с управляемыми электромагнитными параметрами. Для управления параметрами материала применяется оптическая система. Отличающаяся от существующих аналогов тем, что в качестве управляемой среды используется полупроводник. У антенн, построенных с использование такого материала, существует потенциальная возможность динамического управления формой, расположением и электромагнитными свойствами излучающих (дифракционных) элементов, т.е. осуществлять перестройку по частоте, сканирование главного луча в пространстве, выбор поляризации.

Предполагаемое устройство можно отнести к классу приемопередающих устройств и может быть использовано в самых различных радиотехнических системах коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазонах волн (КВЧ) (например: в связи, радиолокации, различных охранных комплексах, системах безопасности, сбора информации и радиовидения).

Известны различные антенны с электронным сканированием диаграммы направленности (ДН). В основном они строятся на основе дискретных решеток (АР). Так же [Гринев, А.Ю. Опто(электронно-) управляемые антенные решетки КВЧ диапазона / А.Ю.Гринев, А.Е.Зайкин // Радиотехника. - 1995. - №7-8 - С.64-68.] обсуждается вопрос об использовании в качестве рефлекторной поверхности, формирующей ДН, поверхности тел с управляемыми электромагнитными параметрами, т.е. речь идет о дифракционных антеннах, поле рассеяния которых управляемо создается за счет распределения по

определенному закону электромагнитных параметров среды в ее объеме. Такими средами могут быть полупроводники, проводимость которых (а следовательно и комплексную диэлектрическую проницаемость е) можно изменять за счет внешних воздействий: температуры, электрического или магнитного полей, света определенной длины волны.

Построение сканирующих антенных систем в рассматриваемом диапазоне на тех же принципах, что и дискретных фазированных антенных решеток (ФАР) в более длинноволновых СВЧ и УВЧ диапазонах с отдельным питанием каждого элемента ФАР осложнено значительными технологическими трудностями как при реализации системы питания, так и изготовлении отдельных элементов ФАР. Поэтому при разработке радиоэлектронных систем (РЭС) в КВЧ диапазоне закономерный интерес вызывают антенны рефлекторного типа с параллельной системой питания (оптического типа) излучающих элементов, формируемых на рефлекторной поверхности за счет изменения ее электромагнитных свойств в области расположения излучателей под влиянием внешнего воздействия.

К одному из аналогов прототипа относится плоский зонированный отражатель Френеля. Его принцип действия основан на дифракции Френеля [Минин И.В., Минин О.В. Технология вычислительного эксперимента и математическое моделирование элементов

дифракционной оптики миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. // Материалы 19 Всес. Конф., Физика, Новосибирск, НГУ, 1981, с.54-59.]. Классическая зонированная антенна Френеля (ЗАФ) представляет собой проводящие концентрические кольцевые поверхности, расположенные в одной плоскости. Под воздействием падающей плоской волны электромагнитного поля каждое кольцо согласно принципу Гюйгенса становится источником вторичного излучения. Можно подобрать такую ширину каждого кольца приемной антенны и расстояние между ними, чтобы сигналы вторичного излучения от средних линий каждого кольца в определенной точке пространства совпадали по фазе. Для этого достаточно, чтобы расстояния между средними линиями колец и указанной точкой отличались на длину волны сигнала. Эту точку по аналогии с параболоидом можно назвать фокусом. В фокусе, как и в параболической антенне, находится облучатель. На ряду с классической конструкцией антенны Френеля так же используются асимметричные конструкции ЗАФ, у которых, как и у параболических антенн, вынос облучателя позволяет устранить затенение раскрыва [Лещук И.И. Антенны Френеля с вынесенным облучателем / И.И.Лещук, Т.А.Цалиев // Радиоэлектроника. - 1995. №9. С.37-42].

Основным недостатком аналога является невозможность перестройки электромагнитных параметров антенны, т.е. она

изготавливается по ряду конкретных параметров, а управление лучом ДН может осуществляться только механическим способом, помимо этого у данной конструкции маленький коэффициент усиления, так как не вся энергия сигнала, попадающая на полотно антенны, направляется к облучателю.

Еще одним известным аналогом предлагаемой полезной модели, является фазированная антенная решетка с центральным возбуждением, содержащая линейные излучатели, соединенные с управляемыми фазовращателями, СВЧ-сумматор и волноводный распределитель, выполненный из направленных ответвителей и магистральных волноводов. В этой фазированной антенной решетке система распределения энергии по раскрыву ФАР состоит из волноводного суммарно-разностного моста и многоканального волноводного распределителя мощности, выходы которого соединены с выходами управляемых фазовращателей через направленные ответвители, каждый из которых выполнен из двух волноводов, имеющих общий участок широкой и узкой стенок с элементами связи в виде двух щелей (отверстий связи) ["Фазированная антенная решетка с центральным возбуждением", авт. Белошапкин Е.И., Кожухов Ю.А. RU 02070759]

Недостатками данного технического решения являются:

- небольшой диапазон перестройки ДН;

- малая рабочая полоса частот, обусловленная большим переходным ослаблением и большой частотной зависимостью характеристик волноводных направленных ответвителей с областью связи в виде двух щелей в общем участке волноводных стенок.

Недостатки приведенных аналогов устраняются в заявляемой полезной модели управляемой полупроводниковой антенны, пример обобщенной структурной схемы которой, согласно [Карпенко В.И., Фещенко А.Б. Способы фокусирования СВЧ-излучения и принципы построения голографических устройств оптической обработки радиосигналов в оптоуправляемых антеннах / В.И.Карпенко, А.Б.Фещенко // Радиотехника. - 2001. - №6 - С.38-40.], представлен на фиг.1. Схема представляет собой полупроводниковую пластину (1), которая облучается возбуждающим оптическим излучением со специально подобранной длиной волны _с, формируемым устройством управления (2). А как известно, в полупроводнике под воздействием света (или потока электронов) увеличивается количество носителей заряда и, следовательно, повышается проводимость. В этом случае поверхность полупроводника при достижении высокого уровня проводимости можно считать металлизированной. Таким образом, получаются зоны с разной проводимостью, обладающие (в зависимости от степени воздействия) разным коэффициентом отражения для волн КВЧ

диапазона. Совокупность этих зон образует дифракционную структуру, с которой взаимодействует электромагнитное радиочастотное поле излучателя (3) Е_п с заданной длиной волны _п. Поле рассеяния данной структуры (4) Е_р зависит от формы и взаимного расположения и их коэффициентов отражения.

В основе данной полезной модели лежит принцип формирования как дискретных, так и непрерывных дифракционных излучающих систем в КВЧ диапазоне на основе материалов с управляемыми электромагнитными параметрами.

Таким образом, предлагаемая модель выгодно отличается от существующих аналогов тем, что в качестве управляемой среды используется полупроводник, проводимость которого может изменяться под действием узкополосного оптического излучения, энергия фотонов которого достаточна для генерации свободных носителей заряда в зоне проводимости. При этом в примесных полупроводниках с одним типом проводимости границы зоны с повышенной проводимостью, на поверхности и в объеме полупроводника являются достаточно резкими из-за возникающих на них диффузионно-дрейфовых процессов. На поверхности эти границы по форме повторяют контур освещенной зоны.

Временем нарастания и спада фотопроводимости в

полупроводнике под действием короткого светового импульса (т.е. длительностью переходных процессов) можно в определенных пределах управлять подбором подходящего полупроводникового материала и введением в него соответствующих примесей.

Таким образом, под воздействием светового потока, промодулированного по интенсивности в плоскости дифракционной поверхности и во времени, можно создать на этой поверхности необходимый закон распределения фотопроводимости как по пространственным координатам так и во времени. С распределением проводимости через комплексную диэлектрическую проницаемость связано распределение поверхностного импеданса, который, как известно из теории дифракционных импедансных поверхностей [Терешин, О.Н. Синтез антенн на замедляющих структурах / О.Н.Терешин, В.М.Седов, А.Ф.Чаплин. - М.: Связь, 1980. - 136 с., ил.], и определяет основные характеристики рассеянного поля. Следовательно, у антенн построенных с использованием полупроводникового (или подобного) материала существует потенциальная возможность динамического управления формой, расположением и электромагнитными свойствами излучающих (дифракционных) элементов, т.е. осуществлять перестройку по частоте, сканирование главного луча в пространстве (в широком диапазоне), выбор поляризации.

Характеристики рассеянного поля определяются размерами и формой дифракционной поверхности, а также законом амплитудно-фазового распределения на ней излучающих токов, формируемых полным электромагнитным полем. Амплитудно-фазовому распределению токов соответствует распределение поверхностного импеданса или в оптическом приближении - распределение комплексного коэффициента отражения.

На плоской полупроводниковой поверхности дифракционного элемента, входящего в состав предлагаемой полезной модели, распределение комплексного коэффициента отражения в оптическом приближении формируется в виде системы зон Френеля. Разбиение дифракционной поверхности на зоны Френеля осуществляется из условия обеспечения заданной разности фаз между полями рассеяния соседних френелевских зон. Чаще всего эта разность фаз берется равной =, в противном случае вводят понятие обобщенных зон Френеля [Волошин, О.И. Исследование частотных свойств антенн Френеля / О.И.Волошин, Т.А.Цалиев // Радиоэлектроника. - 1995. №9. С.43-47]. Форма границ френелевских зон определяется свойствами падающего и рассеянного радиочастотных полей и в общем случае представляет собой замкнутые или незамкнутые линии, расположение и форма которых может изменяться в соответствии с законом

модуляции оптического излучения. Вся система зон при = условно разбивается на четные и нечетные зоны, которые чередуются на поверхности. Поле рассеяния формируется либо четной, либо нечетной системой зон Френеля, т.к. эти системы создают в общем противофазные поля. Поле рассеяния в дальней зоне будет максимальным, если поле от одной из систем зон Френеля (например, нечетной) подавить (например, покрыть эти зоны хорошим поглотителем энергии падающего радиочастотного поля). В тоже время коэффициент отражения радиочастотного поля в четных зонах за счет повышения проводимости полупроводника следует довести до максимально возможного значения (близкого к металлическому).

Однако, при таком подходе КПД антенны будет невысок (<50%). Этот показатель существенно повышается, если разность фаз полей соседних зон уменьшить до значения =/2 (желательно 0). В этом случае нечетные зоны будут давать положительный вклад в общее поле рассеяния, который будет максимальным при =0 (амплитуда поля в дальней зоне почти удвоится). В предлагаемой модели антенны этого можно достичь подбором необходимой фазы комплексного коэффициента отражения в нечетных зонах за счет изменения проводимости полупроводника в области этих зон.

Уравнения границ френелевских зон для различных сочетаний

типов падающей и рассеянной волн с длиной в приближении геометрической оптики определяются из выражения для допустимой разности хода лучей в падающей и рассеянной волнах для точек одной зоны (при постоянном поверхностном импедансе в пределах зоны):

где n - номер зоны Френеля; М - число, постоянное для всех зон и определяющее максимальную допустимую разность хода лучей для точек одной зоны (физический смысл остальных параметров понятен из фиг.2).

На основании (1) и геометрических моделей хода лучей (примеры некоторых из них представлены на фиг.2, 4) получены уравнения границ обобщенных зон Френеля для шести сочетаний "падающаярассеянная волна", получающихся из парных сочетаний на основе трех типов волн: плоской, сферической и цилиндрической (знак "" означает обратимость, т.е. рассматриваемые модели аналогично работают для прямого и обратного хода лучей электромагнитных волн). Ниже рассмотрены два примера таких случаев.

Комбинация «сферическаяплоская волны»

Для получения уравнения границ обобщенных зон Френеля в данном случае обратимся к геометрической модели на фиг.2. Здесь

точкой А отображается источник сферической волны (облучатель), находящийся на расстоянии R от дифракционной плоскости D. Для отображения в данной геометрической модели пространственного хода лучей, как и в последующих моделях, используется сферическая система координат с центром в т. О на дифракционной плоскости и углами ₀ и ₀, определяющими направление в пространстве лучей рассеянной волны. Угол ₀ отсчитывается от нормали к плоскости D, а угол ₀ - от прямой ВО, где т.В является проекцией т.А (облучателя) на плоскость D. Положение т.О на прямой ВО относительно т.А задается углом ₀. Если ₀0, то говорят, что реализуется схема ЗАФ с вынесенным облучателем. В противном случае при дополнительном условии ₀=0 облучатель считается невынесенным.

На плоской дифракционной поверхности D границы зон Френеля являются плоскими кривыми. Их уравнения в этой плоскости удобно задавать в полярной системе координат с центром в т.О и полярной осью ВО. Точка С, принадлежащая границе n-й зоны Френеля, задается в этой системе полярными координатами и _n.

Точка О является центром, относительно которого строится вся система обобщенных зон Френеля. Поэтому при изменении положения этой точки на дифракционной плоскости D при неизменном положении источника будет, изменяться и форма зон Френеля.

Проецируя уравнение (1) на геометрическую модель, изображенную на фиг 2, получим в неявном виде уравнение границ обобщенных зон Френеля:

,

или после преобразований:

Полученное уравнение является уравнением второго порядка по переменной _n. Его параметрами являются величины: ₀, ₀, ₀, R, , М, n. Для конкретных расчетов здесь и далее принято: =10 мм; R=100 мм; М=2 (при этом максимальная разность фаз между двумя любыми точками одной зоны не превышает ). На фиг.3 приведены формы границ зон Френеля для разных значений углов ₀, ₀, ₀ и n>1.

Фиг.3а соответствует частному случаю невынесенного облучателя. Границы зон Френеля здесь представляют собой концентрические окружности и являются классическим вариантом зон Френеля, рассматриваемым традиционно в учебниках по оптике и распространению радиоволн.

Фиг.3б и 3в соответствуют более общему случаю - вынесенному облучателю. При этом для фиг.3б лучи отраженной плоской волны на фиг.2 параллельны плоскости АВО, в которой лежат облучатель и полярная ось ВО. Границы зон Френеля в данном случае имеют форму вложенных подобных эллипсов, большие оси которых лежат на полярной оси, а центры смещены вдоль этой оси в одну сторону так, что эллипсы не касаются друг друга. Все эллипсы имею одинаковую эллиптичность и расположены симметрично относительно полярной оси.

Эллипсы на фиг.3в по своим свойствам и взаимному расположению соответствую эллипсам на фиг.3б, однако их большие оси повернуты на один и тот же угол ₀, который определяет азимутальное направление отраженной плоской волны. Кроме того, линия больших осей эллипсов при повороте смещается и уже не проходит через центр полярной системы координат.

Следует отметить, что в уравнение (2) в качестве параметра входит угол ₀, определяющий взаимное положение облучателя и т.О - центра полярной системы координат. Поэтому при изменении положения т.О на плоскости D будет изменяться, как уже отмечалось, и форма зон Френеля.

Комбинация «плоскаяплоская волны»

Геометрическая модель для падающей и отраженной плоских волн в рассматриваемом случае изображена на фиг.4.

Применяя уравнение (1) к геометрической модели, изображенной на фиг.4, получим уравнение для границ обобщенных зон Френеля в данном случае:

Данное уравнение является уравнением первого порядка по _n. Решив его, получим выражения для границ зон Френеля при различных углах падения и рассеяния волн. Рассчитанные по ним границы зон Френеля, для рассматриваемого случая приведено на фиг.5.

Анализ формы границ зон показывает, что в случае одинаковых углов ₀ и ₀ падающей и отраженной волн (при ₀=0) все лучи от каждой точки поверхности в рассеянной волне синфазны, т.е. рассеянная волна формируется всей дифракционной поверхностью, которая представляет собой одну зону Френеля. И только когда углы падающей и рассеянной волн не равны ₀₀, условие фазировки лучей в рассеянной волне выполняется не для всех точек поверхности, а только для ее отдельных участков, которыми и являются зоны Френеля, представляющие в данном конкретном случае параллельные полосы, проходящие перпендикулярно плоскости падения (фиг.5а, 5б).

Если рассеянная волна отклоняется от плоскости падения на угол ₀, то границы зон поворачиваются на тот же угол (фиг.5в).

Анализ полезной модели показывает, что во всех рассмотренных случаях форма границ зон зависит как от сочетаемых типов волн, так и от их направления в пространстве. Кроме того, формы зон зависят от длины волны , что видно из основного уравнения (1). Все это подтверждает предположение о том, что управление рабочей длиной волны (частотой) и пространственной ориентацией главного лепестка диаграммы направленности дифракционной антенны может быть достигнуто за счет управления формой зон Френеля, формируемых на поверхности дифракционной среды с управляемыми электромагнитными параметрами (комплексными и ). Использование анизотропных управляемых рассеивающих сред дает дополнительную возможность управления поляризацией рассеиваемой волны.

Технический результат - предлагаемое устройство обладает следующими характеристиками:

- возможность перестройки рабочей частоты;

- возможность существенного повышения КПД антенны;

- возможность управления главным лучом поля рассеяния;

- возможность управления поляризацией рассеянного поля.

Из недостатков следует отметить, что для получения узкой ДН

дифракционной антенны необходимо выбирать М>2 и учитывать только наиболее синфазные зоны, число которых существенно меньше общего количества зон и, следовательно, их площадь существенно меньше общей площади дифракционной поверхности. Это резко снижает КИП такой поверхности.

Формы границ френелевских зон и значения комплексного коэффициента отражения в зонах для каждой конкретной комбинации "падающаярассеянная волна" могут служить исходной информацией для определения параметров пространственной модуляции светового потока, возбуждающего фотопроводимость в полупроводниковой среде дифракционного элемента предлагаемой модели.

Антенна Френеля с управляемыми параметрами на основе полупроводникового материала с оптически управляемыми электромагнитными параметрами, состоящая из оптоуправляемой полупроводниковой панели (1), которая, находясь под воздействием света устройства управления (2), взаимодействует с падающим СВЧ полем облучателя (3), в результате чего в полупроводнике увеличивается количество свободных носителей заряда, а следовательно повышается проводимость (т.е. в зависимости от степени воздействия будет иметь различный комплексный коэффициент отражения для СВЧ излучения), отличающаяся тем, что в качестве рефлектора антенны используется управляемое покрытие (1) (полупроводниковая пластина), создавая на котором требуемое распределение управляющего воздействия, модулируется комплексный коэффициент отражения управляемого покрытия, а следовательно и контролируется амплитудно-фазовое распределение токов по поверхности полупроводника, осуществляется перестройка по частоте, сканирование главного луча в пространстве, выбор поляризации.