CC BY
72
УДК 537.86
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ. I
КОНОВАЛЬЦЕВ А.А., ОМАРОВ М.А., ПАЩЕНКО Д.А., ШОКАЛО В.М. * 1
Обобщается отечественный и зарубежный опыт исследований в области электродинамических структур с распределенными нелинейными элементами. Основное внимание уделяется потенциально нелинейным структурам, у которых нелинейные эффекты проявляются лишь при определенных уровнях внешнего возбуждения.
1. Введение
Использование нелинейных элементов (НЭ) в излучающих и неизлучающих электродинамических структурах является одним из перспективных путей развития современных радиоэлектронных систем (РЭС) [1]. В отечественной и зарубежной литературе имеется много публикаций, посвященных различным аспектам теории и инженерных приложений электродинамических структур с сосредоточенными нелинейными элементами. Наиболее концентрированно эти вопросы изложены в [2-4].
Современный этап развития РЭС характеризуется расширением их функциональных возможностей и улучшением показателей качества (большой коэффициент усиления и меньшие габариты антенн, увеличение информативности канала связи и др.) за счет освоения КВЧ и ГВЧ диапазонов. В РЭС миллиметрового и оптического диапазонов волн размер области, занимаемый нелинейностью, зачастую соизмерим с длиной волны или больше ее и НЭ уже нельзя считать сосредоточенными. В связи с этим появилась необходимость дальнейшего развития радиофизических методов исследования электродинамических структур с распределенными НЭ.
Попытка систематизации теоретических исследований электродинамических структур с распределенными нелинейными элементами (далее электродинамические структуры с распределенной нелинейностью (ЭСРН)) предпринята в [3]. Здесь изложен один из подходов к анализу ЭСРН, который описан в общем виде и представляет собой лишь исходный аппарат анализа.
Конкретизация задач дальнейших исследований может быть проведена только на основании изучения принципов работы уже существующих образцов ЭСРН, а также обобщения мирового опыта создания и определения перспектив развития РЭС КВЧ и ГВЧ диапазонов. Этим вопросам и посвящен данный обзор.
В настоящее время существует большое многообразие ЭСРН, отличающихся принципами работы, типами используемых нелинейных элементов и технологиями изготовления. Возможная классификация ЭСРН приведена на рис.1. В основу
Рис.1. Классификация электродинамических структур с распределенной нелинейностью классификации, с одной стороны, положены известные признаки деления электродинамических структур на открытые (антенны с нелинейными элементами) и закрытые (функциональные устройства тракта передачи с нелинейными элементами). С другой стороны, применены и новые признаки деления: на функционально нелинейные электродинамические структуры, принцип работы которых основан на использовании нелинейных эффектов, и на потенциально нелинейные ЭСРН, нелинейные эффекты в которых возникают лишь при определенных уровнях внешних воздействий.
Согласно предложенной классификации обзор разбит на две части. В первой рассмотрены потенциально, а во второй — функционально нелинейные ЭСРН.
2. Потенциально нелинейные электродинамические структуры
Все множество потенциально нелинейных электродинамических структур можно разделить на несколько групп, отличающихся назначением, а следовательно, и принципом работы (см. рис.1). Наиболее представительной является группа ЭСРН с управляемыми параметрами. К ней относятся антенны с управляемыми амплитудно-фазовыми распределениями (АФР), управляющие устройства тракта передачи и перестраиваемые частотно-избирательные устройства.
В КВЧ и ГВЧ диапазонах ЭСРН выполняются на основе совмещения идей интегральной технологии и функциональной электроники. Преимущества такого совмещения в полной мере реализуются в антеннах миллиметрового диапазона путем использования как физических явлений, наблюдаемых в оптоэлектронике и акустоэлекгронике, так и широких функциональных возможностей в полуоптическом облучателе). Это позволяет управлять материальными параметрами среды (например, кремниевой пластины), а значит, и изменять амплитуднофазовое распределение вдоль поверхности антенны.
РИ, 2000, № 2
17
В настоящее время широко распространены многослойные полупроводниковые управляемые структуры (панели), используемые при построении фазированных антенных решеток с оптическим или электронно-лучевым управлением (оптические антенные решетки — ОАР). Детальный обзор антенн этого типа опубликован в [5]. Принцип управления (формирования) элементами таких ОАР основан на различном, одновременном, независимом взаимодействии оптического излучения либо электронного потока, с одной стороны, и электромагнитного СВЧ поля — с другой, с веществом полупроводникового слоя управляемой панели, которая в общем случае состоит из слоев полупроводника, диэлектрика и металла.
В состав ОАР, например, отражательного типа, входит управляемая полупроводниковая панель, оптическая или электронно-лучевая система управления и высокочастотное устройство возбуждения. В соответствии с принципом формирования ОАР оптическая или электронно-лучевая система управления формирует антенное полотно, записывая на поверхности полупроводникового слоя панели дискретный набор неоднородностей в виде областей с измененной концентрацией носителей заряда, повторяющих форму излучателей в антенной решетке (АР). При этом в местах воздействия электронного или оптического облучения участки полупроводникового слоя панели переходят из диэлектрического состояния в состояние с выраженными металлическими свойствами по отношению к электромагнитному СВЧ полю, создаваемого высокочастотным устройством возбуждения. Падающая на антенное полотно электромагнитная СВЧ волна фазируется в каждом излучателе (элементе АР) и переотражается в заданном направлении. Достоинство ОАР состоит в возможности управления пространственными характеристиками рассеяния за счет изменения рабочей длины волны, поляризации, смены типа используемых излучающих элементов в процессе работы, а также в возможности натурного моделирования как отдельных излучающих элементов, так и ОАР в целом.
Примеры базовых излучающих элементов ОАР приведены на рис. 2. В одном из вариантов (рис .2 ,а) управляемый элемент представляет собой линейный вибратор со шлейфом, который выполнен в виде отрезка двухпроводной линии, закороченной в некотором сечении. Очевидно, что в зависимости от длины шлейфа фаза отраженной волны будет различной.
На рис.2,б представлен управляемый переизлуча-емый элемент в виде линейного отражателя для поля эллиптической поляризации. Одна линейно-
Рис. 2. Базовые излучающие элементы ОАР
поляризованная составляющая поля падающей волны отражается от самого излучателя, а ортогональная ей — от экрана. В результате суммарная волна приобретает фазовый сдвиг, равный удвоенному углу поворота излучателя.
Проведенные исследования показали [6], что наиболее простым способом технической реализации поляризационно-голографических антенн (разновидность ОАР) является использование сетчатых структур, расположенных над проводящим экраном. Такие структуры позволяют изменять поляризационную и фазовую структуру отраженной волны в зависимости от густоты, ориентации сетки проводов и их высоты над проводящим экраном. Достоинством их является простота конструкции и технологичность изготовления. Конфигурация сетки, выполняющей функции параболического зеркала, представлена на рис. 3. Возможность создания таких антенн проверена в [6] экспериментально.
Недостатком оптоуправляемых антенн является сложность реализации осветителя, которая ограничивает круг их применения. Один из способов частичного устранения этого недостатка предложен в [7]. Здесь по результатам эксперимента и проведенных расчетов предложен вариант многослойной структуры с жидким диэлектриком в качестве антенного полотна, позволяющего применить пьезоэлементы для управления фазой в миллиметровом диапазоне длин волн. Пьезоэлементы используются для перемещения отражающей поверхности. В [7] показано, что такая антенна представляет собой структуру, состоящую из согласующего слоя твердого диэлектрика (например, фторопласта) и слоя ацетона, как жидкости с малыми потерями и высокой диэлектрической проницаемостью є, что позволяет уменьшить величину перемещения отражающей поверхности в Те раз.
Альтернативным способом управления материальными параметрами полупроводниковой среды является применение воздействия постоянного электрического поля для модулирования поверхности по заданному закону изменения удельной проводимости ст или є. Исследованию этого способа управления посвящены работы [8, 9].
В [8] данный подход рассматривается как один из путей создания интегральных схем миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Здесь исследовалась излучающая структура, приведенная на рис. 4. Конструкция антенны состоит из полупроводникового слоя, имеющего соответствующее распределе-
18
РИ, 2000, № 2
Рис.4. Полупроводниковая антенна с модулированной удельной проводимостью
ние концентрации доноров (n - Si или n - GaAs структуры). Полупроводниковый слой выращивается на изолирующей подложке (например, сапфир). Изменяя смещение, прикладываемое к управляющим электродам, можно изменять концентрацию доноров N, т.е. и активную G, и реактивную B проводимости вдоль длины вибратора, а следовательно, варьировать распределением тока и, как итог, диаграммой направленности. Результаты проведенных в [8] исследований возможности управления величинами N и G приведены на рис. 5, 6 (к0 = 2п/Х0 , a — эквивалентный радиус вибратора, Q — сопротивление потерь, ц — КПД вибратора).
Для варьирования величиной диэлектрической проницаемости в технике антенн используются сегнетоэлектрики. Теоретическое исследование управляемой отражающей поверхности на основе сегнетокерамики типа {BaSr^TiO^ проведено в [9]. Исследовалась структура, состоящая из металлической подложки, нанесенной на ней пленки сег-нетоэлектрика и размещенных на пленке управляющих электродов. При приложении к электродам управляющего напряжения с чередующейся полярностью между ними в слое сегнетоэлектрика возникает электрическое поле, которое, в свою очередь, приводит к изменению диэлектрической проницаемости пленки. В [9] показано, что используя этот механизм управления, можно добиться изменения коэффициента отражения в динамическом диапазоне не менее 10 дБ.
Описанные способы управления материальными параметрами сплошных сред применяются для создания не только антенн, но и неизлучающих электродинамических структур: фазовращателей, модуляторов, аттенюаторов, переключателей и отрезков линий передачи. Оптически управляемые полупроводниковые устройства детально рассмотрены в [ 10], который характеризует развитие этой техники до 1987 г. Позднее были опубликованы многочисленные работы, где описаны разнообразные элементы тракта, функционирование которых основано на принципе управления материальными параметрами среды. Приведем некоторые примеры.
На рис. 7 показан оптически возбуждаемый микроволновой кольцевой резонатор на подложке из GaAs [11]. Оптический сигнал, модулированный колебанием СВЧ фокусировался на согласующий зазор. Для возникновения эффекта фотопроводимости к последнему приложено напряжение смещения. Измеренные резонансные частоты резонатора — 3,48, 6,94 и 10,3 ГГц при значениях добротности 53,5; 75,4; 803,0 соответственно. Экспериментальные зависимости выходной мощности резонатора от напряжения смещения области фотопроводимости для трех резонансных частот приведены на рис.
8. Другие исследования, в том числе изучение возможности возникновения нелинейных эффектов в оптически возбуждаемом резонаторе, авторы публикации [11] не проводили.
Рис. 7. Управляемый лазерным лучом резонатор
В отличие от этого, в работе [12] исследовались нелинейные эффекты в высокотемпературной сверхпроводящей линии передачи и микрополосковом резонаторе. Для изучения нелинейных эффектов использовалась простейшая модель, основанная на применении телеграфных уравнений. Предполагалось, что нелинейные эффекты в линии обусловлены нелинейной зависимостью удельного сопротивления сверхпроводящей тонкой пленки от амплитуды про-
РИ, 2000, № 2
19
резонатора от напряжения смещения области проводимости
текающего гармонического тока. В работе [12] получены расчетные и экспериментальные зависимости от уровня мощности падающей волны коэффициента передачи сверхпроводящих отрезка микропо -лосковой линии и высокодобротного микрополос -кового резонатора.
Описанные выше антенны и устройства СВЧ тракта могут быть классифицированы как электродинамические системы (отражательные и проходные) с пространственным возбуждением, построенные на базе сплошных управляемых импедансных сред. Управление импедансом этих сред может быть организовано электрическими, магнитными, акустическими и оптическими сигналами. Все антенны и устройства СВЧ, принадлежащие к данному классу, являются в общем случае электродинамическими структурами с распределенной нелинейностью (см. рис. 1). Это связано с тем, что импеданс многослойной полупроводниковой, сверхпроводящей и сегне-тоэлектрической среды является нелинейной функцией от уровня высокочастотного сигнала возбуждения. Таким образом, управляемые импедансные среды потенциально способны изменять спектр излучаемого или проходящего по тракту сигнала, что может сопровождаться появлением целого ряда “вредных” нелинейных эффектов.
Кроме электродинамических структур с “чисто” распределенной нелинейностью, в диапазонах КВЧ и ГВЧ используются потенциально нелинейные интегральные микросхемы с сосредоточенными НЭ (варакторами и p - i - n диодами).
На рис. 9 приведен пример направленной отражательной антенной решетки — фазовращателя, у которой сканирование осуществляется путем изменения величины управляющего напряжения, подаваемого на варакторные диоды [13].
Конструктивно-отражательная решетка-фазовращатель представляет собой арсенид-галлиевую квадратную подложку со стороной 2 см, содержащую 1600 варакторных диодов с барьером Шоттки (рис. 9,б). Проводились как теоретические, так и экспериментальные исследования решетки. Использовалась наиболее простая теоретическая модель, основанная на модели нагруженной линии передачи (рис. 9,в). Измерения проводились по схеме, приведенной на рис. 10,а, а результаты расчетов и экспериментов представлены на рис. 10, б.
а
Е
а=500 мкм
-Л
б
вращатель: а — общий вид; б — топология; в — эквивалентная схема ячейки
Другой пример антенны-фазовращателя, выполненной на p - i - n диодах, приведен на рис. 11 [14]. Спецификарассмотренных структур состоит в том, что их конструкции являются многослойными и содержат полупроводниковые подложки, контактирующие с металлическим основанием, что можетрассматривать-ся как слоистая нелинейная импедансная среда. При таком подходе нетрудно предположить, что в рассмотренных электродинамических структурах с сосредоточенными НЭ существует две возможные причины возникновения нелинейных эффектов. Одна из них предопределена наличием сосредоточенных НЭ, а другая обусловлена возможным образованием на границе металл — полупроводник нежелательных распределенных барьеров Шоттки.
Таким образом, современные электродинамические структуры, интегрированные с сосредоточенными НЭ, в силу указанных причин могут быть отнесены к классу ЭСРН.
В заключение отметим следующее. Как показал проведенный анализ, в опубликованных работах основное внимание уделено изучению лишь тех характеристик, которые связаны с прямым функ-
20
РИ, 2000, № 2
\ 1 1 1 ж
1 \
—
• •••• Эксперимент 1 | —
Теория \ 1 1 1 J
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0
Положение зеркала, мм------>
б
Рис. 10. Схема (а) и результаты измерений модуля(б) и фазы (в) коэффициента отражения циональным назначением управляемых импеданс-ных сред. Это либо характеристики направленности излучающих, либо коэффициенты передачи неизлучающих ЭСРН. “Вредные” нелинейные эффекты, которые могут возникать в таких структурах при определенных значениях сигналов и возбуждения, не исследовались.
На наш взгляд, создавшееся положение обусловлено тем, что пока не разработаны модели, адекватно описывающие нелинейные эффекты в тех или иных управляемых средах. Для создания таких моделей необходимы современные методы анализа нелинейных эффектов в управляемых импедансных средах.
Литература: 1. Проблемы антенной техники / Под ред. Л.Д.Бахраха. М., 1989. 368с. 2. Шифрин Я.С., Лучанинов АИ Современное состояние теории и техники антенн с нелинейными элементами // Радиоэлектроника. 1996. Т. 39. № 9-10. С.4-16. 3. Лучанинов АИ, Шифрин Я.С. Антенны с нелинейными элементами // Глава X в кн: Справочник по антенной технике. Т. 1. / Под ред. Л.Д.
Подложка антенны
Рис. 11. Антенна-фазовращатель на p - i - п диодах
Бахраха и Е.Г. Зелкина. М.: Изд-во ИПРЖР, 1997. С. 207235. 4. Шифрин Я. С., Лучанинов АИ, Щербина АА. Нелинейные антенные эффекты // Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. 1990. Т. 33, № 2. С. 4-13. 5. ГриневАЮ., Зайкин А.Е. Фазированные антенные решетки КВЧ диапазона с оптическим и электронно-лучевым управлением (обзор) // Радиоэлектроника. 1993. Т. 36, №5. С. 3-16. 6. Замятин В.И, Гусак Ю.А Поляризационноголографические антенны: методы расчета и возможные конструкции // Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1996. Т. 39, №10. С. 19-26. 7.ГолубЮ.В., Карпенко В.И., Франков А.В. Применение жидкостей с высокой диэлектрической проницаемостью для построения антенн в миллиметровом диапазоне длин волн // Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1996. Т.39, №9. С. 75-80. 8. JailF.C., Bansal В., Valerio C.V. Semiconductor Antenna: A New Device in Millimeter- and Submillimeter-Wave Integrated Circuit // IEEE Trans. 1984. Vol. MTT-32. N 2. P. 204-207. 9. Гонтарь ИА, Гримальский В.В., Кононов М.В., Кошевая С.В. Управляемая отражающая поверхность на основе сегнето-электрика// Радиоэлектроника. 1993. Т. 36, №6. С.44-48. 10.ВендикИ.Б, Геворкян С.Ш., Хижа Г. С. Оптически управляемые полупроводниковые СВЧ устройства// Зарубежная радиоэлектроника. 1987. №9. С. 10-22. 11.McGregor D.S., Park C.S., Weichold, Taylor H.F. An Optically Excited Microwave Ring Resonator on a Gallium Arsenide Substrate/ / IEEE MTT-S Digest. 1989. P. 225-228. 12. Vendik OH., Vendik I.B., Samoilova T.B. Nonlinearity of Superconducting Transmission Line and Microstrip Resonator // IEEE Trans. 1997. Vol. MTT-45, N2. P. 173-178. 13. Lam W. W, Jou C.F., ChenH.Z., StoltK.S,LuhmannN.C.,RutledgeD.B. Millimeter-Wave Diode-Grid Phase Shifters // IEEE Trans. 1988. Vol. MTT-36, N. 5. P. 902-907. 14. Navaro J.A, Chang K. Integrated Active Antennas and Spatial Power Combining. New York: John Wiley & Sons, 1996. 368 p.
Поступила в редколлегию 10.04.2000
Рецензент: д-р. физ.-мат. наук, проф. Гордиенко Ю.Е.
Коновальцев Андрей Алексеевич, канд. техн. наук, докторант кафедры основ радиотехники ХТУРЭ. Научные интересы: антенны и устройства микроволновой техники, беспроводная передача энергии СВЧ лучом. Адрес: Украина, 61166, Харьков, проси. Ленина, 14, тел. 40-94-30.
Омаров Мурад Анверович, канд. техн. наук, докторант кафедры основ радиотехники ХТУРЭ. Научные интересы: нелинейные эффекты в электродинамических структурах. Адрес: Украина, 61166, Харьков, проси. Ленина, 14, тел. 40-94-30.
Пащенко Дмитрий Александрович, аспирант кафедры основ радиотехники ХТУРЭ. Научные интересы: антенны, интегрированные с нелинейными элементами. Адрес: Украина, 61166, Харьков, проси. Ленина, 14, тел. 40-94-30.
Шокало Владимир Михайлович, д-р. техн. наук, профессор, декан радиотехнического факультета ХТУРЭ. Научные интересы: информационные и энергетические радиоэлектронные системы КВЧ и ГВЧ диапазонов. Адрес: Украина, 61166, Харьков, проси. Ленина, 14,тел.40-94-78.
РИ, 2000, № 2
21
