Научная статья на тему 'Электродинамические структуры с распределенными нелинейными элементами. II'

Электродинамические структуры с распределенными нелинейными элементами. II Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
203
56
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Коновальцев Андрей Алексеевич, Омаров Мурад Анверович, Пащенко Дмитрий Александрович, Шокало Владимир Михайлович

Обобщается отечественный и зарубежный опыт исследований в области электродинамических структур с распределенными нелинейными элементами. Основное внимание уделяется функционально-нелинейным структурам, принцип работы которых базируется на использовании нелинейных эффектов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Коновальцев Андрей Алексеевич, Омаров Мурад Анверович, Пащенко Дмитрий Александрович, Шокало Владимир Михайлович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Electrodynamic structures with distributed nonlinear elements. II

The paper is an attempt to generalize the existing experience of designing electodynamic structures with distributed nonlinear elements for microwave and sub-optical radioelectronic systems. The classification of such structures is proposed. In the second part of the paper according to the proposed classification the functionally nonlinear electodynamic structures which operation is based on use of nonlinear effects are considered.

Текст научной работы на тему «Электродинамические структуры с распределенными нелинейными элементами. II»

УДК 537.86

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ. II1

КОНОВАЛЬЦЕВ А.А., ОМАРОВ М.А.,

ПАЩЕНКО Д.А., ШОКАЛО В.М._____________

Обобщается отечественный и зарубежный опыт исследований в области электродинамических структур с распределенными нелинейными элементами. Основное внимание уделяется функционально-нелинейным структурам, принцип работы которых базируется на использовании нелинейных эффектов.

3. Функционально-нелинейные электродинамические структуры

Согласно приведенной в [1] классификации, к электродинамическим структурам данной группы относятся активные антенны и функциональные устройства тракта передачи, предназначенные для генерации, усиления мощности, преобразования частоты сигналов, а также для их детектирования и выпрямления высокочастотных колебаний. Вплоть до частоты 40 ГГц эти устройства выполняются на нелинейных элементах с сосредоточенными параметрами по гибридной технологии.

Современная радиоэлектроника КВЧ и ГВЧ диапазонов характеризуется интенсивным развитием нового научно-технического направления — функциональной электроники, отличительной особенностью которой является интеграция функций, выполняемых простейшими в функциональном отношении компонентами (излучателями, отрезками линий передачи энергии, активными элементами и т.д.). Известно, что устройства функциональной электроники представляют собой полупроводниковые интегральные структуры, которые выполняют достаточно сложные законченные функции и неделимы на отдельные компоненты. Именно такими устройствами и являются интегрированные ЭСРН, конструкции которых выполняются в виде монолитных интегральных схем. Существует множество разработок интегрированных ЭСРН, функционирующих, как правило, в диапазоне частот (40 — 250) ГГц [2]. Тем не менее, частота 250 ГГц не является пределом. Наибольшее достижение по освоению частотного диапазона — это создание антенны-смесителя с рабочей частотой 761 ГГц [2]. Основные ограничения, препятствующие повышению рабочих частот интегрированных ЭСРН, - это потери в проводниках и диэлектриках микросхем и точность изготовления, обусловленная той или иной технологией производства.

1 Ч.1 см. в журнале “Радиоэлектроника и информатика”. 2000, № 2. С.17-21.

Излучающие интегрированные ЭСРН уже нашли применение в информационных и энергетических радиоэлектронных системах для генерации электромагнитных волн (антенны-генераторы) [3], преобразования частоты сигналов (антенны-смесители, антенны-умножители) [2], детектирования и выпрямления (антенны-детекторы и ректенны) [4, 5]. Основные области применения интегрированных ЭСРН — радиоэлектронные системы связи, беспроводная передача энергии и радиовидение.

Рассмотрим характерные примеры функционально нелинейных интегрированных излучающих структур, все многообразие которых можно свести к двум разновидностям. Первая из них — это интегрированные ЭСРН с “чисто” распределенной нелинейностью, у которых активные элементы занимают существенную часть площади или всю площадь подложки микросхемы. В технике подобные ЭСРН представлены пока большим количеством реальных разработок.

Одной из них является приведенная на рис. 12 антенна-генератор [3]. Эта антенна представляет собой монолитную интегрированную схему, состоящую из генератора миллиметровых волн и пере-

Рис. 12. Монолитная n-GaAs вибраторная антенна - генератор с распределенным IMPATT — диодом

18

РИ, 2000, № 3

дающей n-GaAs антенны. Основным элементом генератора является распределенный GaAs IMPATT-диод. Схема функционирует на частоте 168 ГГц, при этом КПД излучателя довольно высок (до 80%). Необходимое распределение проводимости по длине полупроводниковой антенны реализовывалось на этапе ее изготовления.

Типичной электродинамической структурой с непрерывно распределенной нелинейностью являются и антенны-выпрямители (ректенны) миллиметрового диапазона волн. Так, в [5] показано, что для изготовления на частотах выше 94 ГГц ректенных элементов вся их поверхность (приемная микрополосковая антенна, интегрированная с выпрямительным диодом) должна полностью выполняться либо из арсенцда галлия, либо из фосфида индия. При этом сами по себе выпрямительные диоды диапазона КВЧ имеют распределенную структуру (рис. 13,а). Согласно [5] такие структуры обеспечивают снижение сопротивления потерь диода Rs от 4 до 2 Ом. Величина Rs = 4 Ома — это типичное значение Rs выпрямительного диода Шоттки СВЧ диапазона, структура которого показана на рис. 13,б.

Рис. 13. Топология выпрямительных диодов Шоттки

Вторая разновидность функционально-нелинейных электродинамических структур — это монолитные интегральные схемы, содержащие один или множество сосредоточенных нелинейных активных элементов. Подобные структуры представлены в технике значительным количеством реальных разработок, отличающихся многообразием конструктивного исполнения и функционального назначения.

На рис. 14 — 18 приведено несколько примеров интегрированных с сосредоточенными нелинейными элементами антенн. Двухэлементная, нагруженная на диод приемная антенна применяется как облучатель линзы [2] (рис.17). Планарный диод напылен на одну подложку совместно с излучателями и отрезками линий передачи. Топология диода такая же, как и на рис.13,б. Аналогичная структура нелинейного элемента присуща и слабонаправленной антенне-детектору [2] (рис.15). В рассмотренных примерах конструкции слабонаправленных антенн являются многослойными и содержат как полупроводниковые подложки, так и защитные покрытия. Последние в отдельных случаях позволяют улучшить характеристики ЭСРН (см. рис.15,б).

а

Рис. 14. Двухэлементная приемная антенна миллиметрового диапазона: а — топология; б — общий вид Многослойность конструкций характерна и для направленных интегрированных антенн, выполняемых на основе решетчатых структур (рис. 16 — 18). Функционально-нелинейные антенные решетки на сосредоточенных НЭ одновременно являются и потенциально нелинейными электродинамическими структурами с распределенной нелинейностью в силу возможности возникновения в них нежелательных протяженных нелинейных контактов на границе металл—полупроводник (см. [1]).

Влияние нежелательных распределенных нелинейностей пока не изучалось. Однако, основываясь на известных результатах исследований сосредоточенных паразитных барьеров Шоттки, можно прогнозировать, что это влияние может быть значительным. Например, в [6] решена задача рассеяния электромагнитных волн сетчатыми структурами, у которых в местах контактов проводников с высокой проводимостью из-за окисления образуются барьеры Шоттки. Показано, что импедансы переходов Шоттки существенно влияют на отражательные свойства сетчатых структур.

Влияние нежелательных распределенных барьеров Шоттки в изображенных на рис. 14 — 18 интегрированных ЭСРН может проявиться при воздействии на них мощных непрерывных и импульсных электромагнитных излучений систем функционального поражения [7]. При воздействии таких систем “вредные” нелинейные эффекты возникают в ЭСРН и в результате наличия сосредоточенных НЭ.

РИ, 2000, № 3

19

Рис. 15. Антенна-детектор: а — многослойная структура; б — диаграмма направленности на частоте 94 ГГц в плоскости Н

Влияние сосредоточенных активных элементов со слабой и сильной нелинейностью на параметры интегрированных микроволновых устройств исследовано детально [8]. Но поток публикаций в этом направлении постоянно растет. Основные изыскания связаны с анализом побочного излучения систем КВЧ и ГВЧ диапазонов и расширением исследований по изучению переходных процессов в интегрированных ЭСРН. Один из примеров таких работ — это обзор [9], где рассмотрены нелинейные эффекты, приводящие к появлению в тракте передачи оптического диапазона интермодуляционных составляющих третьего порядка. Другой пример — статья [ 10], которая посвящена исследованию особенностей прохождения импульсных сигналов через отрезки линий передачи, ограниченные сосредоточенными элементами с нелинейными характеристиками (p-i-n-диодами). Здесь показано, что нелинейная динамика передающих линий, ограниченных диодными структурами, различна для импульсного возбуждения и возбуждения СВЧ сигналом; ее исследование важно для проектирования СВЧ трактов, устойчивых к воздействию электромагнитных импульсных помех.

Из приведенных примеров следует, что в опубликованных работах изучено достаточно много частных случаев влияния того или иного механизма нелинейности на характеристики излучающих и неизлучающих ЭСРН.

20

Линия, подводящая напряжение смещения затвора

о

Липня, подводящая напряжение смещения исто чинна

О-----1 • —I------о

Линия, подводящая напряжение смешения затвора

»-

в

Рис. 16. Решетка - усилитель

Однако модели, учитывающие совокупное влияние нелинейных эффектов различной природы на параметры интегрированных электродинамических структур с распределенной нелинейностью, пока исследователями не рассматривались.

Таким образом, нелинейные эффекты в интегрированных схемах КВЧ и ГВЧ диапазонов с “чисто” распределенной нелинейностью, а также с вклю-

РИ, 2000, № 3

ченными сосредоточенными НЭ слабо изучены из-за отсутствия развитой теоретической базы, позволяющей проводить анализ при одновременном действии нескольких механизмов нелинейности.

4. Выводы и направления развития теории электродинамических систем с распределенной нелинейностью

Проведенное обобщение мирового опыта проектирования и применения ЭСРН позволяет сделать следующие заключения.

1. Основой создания большого многообразия ЭСРН с широким спектром одновременно выполняемых функций (генерация и излучение электромагнитных волн, прием и первичная обработка сигналов и т.д.) являются современные технологии функциональной электроники.

2. Применение ЭСРН в радиоэлектронных системах радиовидения, связи и беспроводной передачи энергии КВЧ и ГВЧ диапазонов дает возможность расширить функциональные возможности РЭС и улучшить их технические характеристики.

3. ЭСРН, как устройства функциональной электроники, можно разделить на две большие группы:

— электродинамические структуры с распределенной нелинейностью, функционирующие на принципе управления импедансом материальных сред;

— электродинамические структуры, интегрированные на базе полупроводниковых подложек с сосредоточенными нелинейными активными элементами.

РИ, 2000, № 3

4. Вне зависимости от принадлежности к какой-либо из групп, в ЭСРН одновременно могут действовать несколько различных механизмов нелинейности, приводящих к появлению “вредных” нелинейных эффектов. Последние вызывают дополнительные трудности в решении проблемы электромагнитной совместимости РЭС и безыска-женной передачи информации.

5. Проектирование ЭСРН проводится с использованием упрощенных моделей, пригодных для расчета только характеристик, относящихся к их функциональному назначению. Влияние “вредных” нелинейных эффектов при этом практически не учитывается. Одна из причин создавшегося положения - практически полное отсутствие математических моделей, адекватно описывающих физические процессы в ЭСРН с различной природой нелинейности.

Таким образом, в научно-технической области, связанной с исследованиями, разработкой и применением ЭСРН, возникло следующее противоречие. С одной стороны, повысились потенциальные возможности РЭС за счет применения ЭСРН (возросло число задач, решаемых одновременно, улучшились их технические характеристики и т.д.). С другой стороны, эти потенциальные возможности реализованы не в полной мере вследствие заметного отставания от потребностей практики уровня развития методов проектирования ЭСРН, учитывающих влияние нелинейных эффектов.

Указанное противоречие лежит в основе одной из актуальных проблем радиофизики. Она состоит в необходимости создания теории ЭСРН, позволяющей с единых позиций проводить анализ ЭСРН независимо от их типа как в установившемся, так и в неустановившемся режимах.

Одним из возможных направлений разрешения указанной проблемы является развитие теории ЭСРН на базе предложенного в [11] метода интегральных уравнений с нелинейными граничными условиями. По сути, в [11] описан исходный аппарат анализа ЭСРН. Это важный, но недостаточный шаг в плане создания приемлемых на практике методов проектирования. На наш взгляд, первоочередному рассмотрению подлежит следующий круг вопросов:

— решение ряда ключевых электродинамических нелинейных задач, которые могут составить теоретическую базу проектирования ЭСРН;

— создание эффективных численных методов решения нелинейных интегральных уравнений для конкретных разновидностей ЭСРН;

—разработка библиотеки математических моделей, адекватно описывающих физические процессы, происходящие в ЭСРН с различными механизмами нелинейности;

— создание программных продуктов и проведение численных экспериментов в целях выяснения основных закономерностей, присущих электродинамическим структурам как с “чисто” распределенной нелинейностью, так и с интегрированными на полупроводниковой подложке сосредоточенными НЭ.

21

Литература: 1. Коновальцев А.А., Омаров М.А., Пащенко-Д.А., Шокало В.М. Элекродинамические структуры с распределенными нелинейными элементами. I // Радиоэлектроника и информатика. 2000. №2. С. 17-21. 2.Navaro J.A., Chang K. Integrated Active Antennas and Spatial Power Combining. - New York: John Wiley & Sons, 1996. 368p. 3. Jain F.C., Bansal R. Monolithic Semiconductor Antennas for Millimeter Wave Si and GaAs Integrated Circuit Technologies// Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1985. Vol.6. N 2. P. 141-147. 4. UeharaK, Miyashita K., Natsume K.-I., HatakeyamaK., Mizuno K. Lens- Coupled Imaging Arrays for the Millimeter and Submillimeter-Wave Regions// IEEE Trans. 1992. Vol. MTT-40, N5. P. 806-811. 5. KoertP, Cha J.T. Millimeter wave technology for space power beaming // IEEE Trans. 1992. Vol.MTT-40, N6. P. 1251-1258. 6. Christodoulou CM., Yin S, Kauffman J.F. Effects of the Schottky Impedance of Wire Contact Points on the Reflection Properties of a Mesh// IEEE Trans. 1988. V.AP-36. N12. P. 1714-1721. 7. Панов В.В., Саркисьян А.П. Некоторые аспекты проблемы создания СВЧ-средств функционального поражения // Зарубежная радиоэлектроника. 1993. № 10, 11, 12. С.3-11. 8. Лучанинов А.И., Шифрин Я. С. Антенны с нелинейными элементами//Елава X в кн: Справочник по антенной технике. Т. 1./Под ред. Л.Д. Бахраха и E.F. Зелкина. М.: Изд-во ИПРЖР, 1997. С. 207-235. 9.Bratchikov A.N., Voskresensky D.I., Sadekov T.A. Fiberoptic technology for antenna signal transmission and distribution: present state and perspectives// Proc. of 3rd Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques, Sevastopil, Ukraine. 1999. P.3-10. Ю.Горбань А.М., Лонин Ю.Ф., Харченко И.Ф. Передающая линия с нелинейными элементами при импульсном возбуждении // Матери-

УДК 517.87; 537.958 '

ТРАНСФОРМАЦИЯ ПЛОСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ ИМПУЛЬСНЫМ ВОЗМУЩЕНИЕМ ПОЛУОГРАНИЧЕННОЙ ОБЛАСТИ

СЛИПЧЕНКО Н.И., ШУЛЬГА Л.Н, РЫБИН О.Н.

Рассматривается преобразование плоской монохроматической электромагнитной волны, вызванное изменением во времени диэлектрической и магнитной проницаемостей полуограниченной области в диэлектрическом пространстве. Получены выражения для компоненты электрического поля на всей положительной полуоси времени. Проводится детальный анализ эволюции электрического поля во времени.

1. Введение

Возможность полезного использования переходного излучения, как и необходимость учета его негативного влияния на распространение электромагнитных волн, требует рассмотрения причин возникновения этого излучения. Различные варианты таких причин рассмотрены в работе [1]. В качестве одной из них рассматривается изменение во времени электрических и магнитных свойств среды, обусловленное изменением диэлектрической и магнитной проницаемостей среды. В определенной спектральной области [2] изменение данных параметров во времени можно считать скачкообразным. Это обуславливает интерес к исследова-

алы 7-й Межд. Крымской микроволновой конф., Севастополь, Украина. 1997. С.237-238. 11. Шифрин Я.С., Лучанинов А.И. Современное состояние теории и техники антенн с нелинейными элементами// Радиоэлектроника. 1996. Т. 39, № 9-10. С.4-16.

Поступила в редколлегию 14.04.2000

Рецензент: д-р. физ.-мат. наук, проф. ЕордиенкоЮ.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 ЕВЧ диапазонов. Адрес: Украина, 61166, Харьков, проси. Ленина, 14, тел. 40-94-78.

нию влияния изменения во времени электрических и магнитных свойств в безграничных и полуограниченных областях на распространение электромагнитных волн аналитически [3-9].

В настоящей работе исследуется влияние импульсного синхронного изменения диэлектрической проницаемости s(t) и магнитной проницаемости /u(t) в области полупространства х > 0 на прохождение плоской монохроматической электромагнитной волны в свободном диэлектрике. Считается, что до нулевого момента времени диэлектрическая среда была однородной и изотропной с диэлектрической и магнитной проницаемостями, соответственно, £о и цо. Импульсы проницаемостей имеют прямоугольную форму и длительность Т , так что в области х > 0 изменение параметров среды описывается формулами

s(t) = єо {д{- 0 + - г)) + еі (0(0 -в^ - 0), 1

Ж)=мо И- 0+- 0)+д (0(0 - 0^ - r))J

где єі и ^і — соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости области х > 0 в возмущенном состоянии на интервале времени t є (0, г); 0(t) — единичная функция Хевисайда. Среда в области х < 0 имеет диэлектрическую и магнитную проницаемости, соответственно, ^0 и Ц0, для всех времен t є (-да; да).

Пусть первичное электрическое поле представляет собой ТМ волну с компонентой E^t, х) Тогда

РИ, 2000, № 3

22

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.