CC BY
54
УДК 621.3.029.6:621.375.826 А.Н. Поспелов СГГ А, Новосибирск
КОНЦЕПЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТОРАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
Разработка опторадиоэлектронных приборов (ОРЭП) с характеристиками, более высокими, чем характеристики известных устройств, - проблема, не решаемая в рамках существующих традиционных технических средств и, особенно для диапазона миллиметровых волн (ММВ). При детальном рассмотрении вопроса становится ясным, что реализовать сравнительно мощное устройство с повышенными характеристиками, как на сосредоточенных элементах, так и конструкции с распределёнными параметрами сложно, а подчас и практически невозможно. Поскольку необходимо получить малогабаритный активный (полупроводниковый (1111)) элемент, либо одномерную или двухмерную распределённую структуру и устанавливать их часто в сравнительно малогабаритных волноведущих трактах. Размеры деталей конструкции будут составлять доли миллиметра, требуются жёсткие допуски. В сравнительно малом объёме прибора возникают большие потери энергии, которые обусловливают невозможность создания мощных устройств из-за их теплового разрушения, а в противном случае - вследствие получения характеристик, неудовлетворяющих предъявляемым требованиям.
В диапазоне ММВ возможно создание приборов, как на основе законов волновой оптики, так и на основе законов геометрической оптики, либо сочетая то и другое. Поэтому для данного диапазона характерно применение квазиоптических линий передачи наряду со сверхвысокочастотными (СВЧ) волноводами.
Проблема создания высокоэффективных приборов опирается на снижение поглощения СВЧ энергии применяемыми веществами и материалами в сравнительно малом объёме отрезка волновода или элемента квазиоптической линии передачи; на упрощение конструкции, снижение числа её элементов, помещаемых в отрезок линии передачи; на использование управления прибором извне посредством облучения рабочего элемента (ПП) электромагнитными волнами инфракрасного - рентгеновского диапазонов. Такое излучение способно изменять соответствующие интегральные физические параметры радиоматериала рабочего элемента (диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость, объёмная удельная электропроводность), что и обусловливает изменение характеристик распространяющейся в линии передачи СВЧ энергии. При этом значение первой производной (скорость изменения), модулирующего светового параметра (интенсивность, длина волны) по времени, должно быть как можно большим. Это обстоятельство исключает вклад управляющего устройства в инерционность управляемого прибора.
Указанное облучение может обеспечить лазер, который как раз и позволяет получать необходимые параметры управляющего воздействия
(импульсы света наносекундной длительности, необходимую мощность управляющего излучения).
Необходимо максимально увеличивать функциональный объём прибора и оптимальным образом согласовывать его с трактом распространения радиоволны; световое излучение не нарушает свойств СВЧ волны в тракте передачи и в тоже время может быть введено в него, не нарушая уже его свойств. Радиоматериал, подходящий для изготовления рабочего элемента оптически управляемого прибора, при обычных условиях практически не должен влиять на распространение радиоволны, но при действии управляющего оптического излучения он должен инициировать изменение её параметров, в частности модуляцию, но возможен и противоположный вариант (сначала лазер действует, затем - выключен).
Предпочтительнее выбирать узкозонные ПП типа АШВУ, ЛПВ1УС2У, Л1В21УСзУ, 81 с дрейфовым механизмом переноса заряда и повышенной концентрацией его носителей - порядка (1025 ^ 1026) м-3, а лазер - с излучением, способным сообщить носителю заряда возможно большую энергию.
В таблице представлены четыре варианта параметров лазерного излучения и радиооптического материала, которые целесообразно использовать при проектировании ОРЭП [1]. Пустые ячейки в таблице означают, что параметр следует подбирать. В таблице: Рё - мощность излучения лазера; Аё - длина волны светового излучения; Ф - плотность потока светового излучения; т - температура; V - объём, занимаемый радиооптическим материалом; я - коэффициент отражения света; -подвижность носителей заряда; У - квантовый выход фотокатода (при использовании внешнего фотоэффекта); N - объёмная концентрация неравновесных носителей заряда; т - время жизни неравновесных носителей заряда; Ьа - диффузионная длина фотоэффекта; а - показатель поглощения света; э - коэффициент диффузии носителей заряда; ат^ - минимальная необходимая объёмная удельная электропроводность материала; атах -достаточная максимальная объёмная удельная электропроводность материала; е - относительная диэлектрическая проницаемость материала; л -относительная магнитная проницаемость; tgSs - тангенс угла диэлектрических потерь; tgSjU - тангенс угла магнитных потерь.
Эффективные радиолокационные системы специального назначения в диапазонах сантиметровых волн и ММВ должны обладать комплексом высоких тактико-технических характеристик: большой разрешающей
способностью, высокой точностью дистанционного определения положения, скорости, ускорения, резкости сопровождаемого объекта, повышенной помехоустойчивостью, возможностью обнаружения и сопровождения целей при малых углах над горизонтом в условиях мешающих отражений от поверхности Земли, надлежащей работоспособностью при неблагоприятном состоянии атмосферы. Это требует сложных по структуре сигналов с
различными видами амплитудной, частотной и фазовой модуляций, высокостабильного сигнала несущей частоты и возможности её изменения в широкой полосе. Формирование таких сигналов в приёмопередающих комплексах радиоэлектронных средств с малыми массой и габаритами возможно на основе комплексированных изделий, где интегрированы приборы разной степени сложности - сверхмалошумящие высокостабильные генераторы и синтезаторы частот, преобразователи частоты, предварительные и мощные усилители, устройства контроля и управления. Комплексированные изделия можно разделить на три типа: мощные на основе электровакуумных приборов; твёрдотельно-вакуумные;
твёрдотельные.
Таблица. Параметры лазера и радиооптического материала
№ п/п Параметр Ед. измерения I II III IV
1 Рё Вт 0,04 0,10 1,00
2 ЛЁ м 1,00-Ш-6 1,00-10-/ 0,65-10-6
3 Ф МВт/м2 < 1 < 1 < 1 < 1
4 Т К 293 293 293
5 V 3 м 2,15-10-/ 1,00-Ш-10 1,25-10-/
6 я - 0,10 0,10 0,50 min
7 ЛЇ м2/(В-с) 1,00 0,01 1,00 > 2
8 У Носителей заряда/фотон max max max max
9 N -3 м max max max max
10 т с 1,00-Ш-2 1,00-Ш-3 1,00-Ш-3
11 Ра м 1,60-Ш-2 5,00-Ш-4 5,00-Ш-3
12 а -1 м 1,00-Ш6 1,00-Ш4 1,00-Ш3 Чз
13 Б м2/с 2,60-Ш-2 2,50-Ш-4 2,50-Ш-2
14 ^шіп См/м 0,02 0,02 0,02
15 ^шах См/м 2200 2200 2200
16 Є - 2,20 2,20 2,20
17 Л - 2,90 2,90 2,90
18 І&Є - 1,00-Ш-3 1,00-Ш-3 1,00-Ш-3
19 - 1,00-Ш-3 1,00-Ш-3 1,00-Ш-3
Эффективное действие лазера на рабочее тело ОРЭП может состоять в термическом эффекте, либо в инициировании внутреннего или внешнего фотоэффектов. При этом основополагающим свойством излучения лазера является величина энергетической яркости. Возможно использование явления фотоионизации газов при непосредственном воздействии управляющего излучения на газ под повышенным давлением; возможно использование возникновения разности потенциалов и соответственно тока в ПП при различном затемнении его поверхности.
Для эффективной работы ОРЭП необходимо, чтобы фазовая скорость СВЧ электромагнитной волны равнялась фазовой скорости света в рабочей
среде, т. е. необходимо условие синхронизма фазовых скоростей. Это условие может быть достигнуто при многократном отражении луча лазера от границ (граней, стенок) рабочего тела. Такой эффект может быть реализован благодаря явлению полного внутреннего отражения (угол падения излучения превышает угол полного внутреннего отражения), либо благодаря применению аналогии с моделями абсолютно чёрного тела, когда СВЧ волна проходит через объём рабочей среды беспрепятственно, а световой луч, попав через малое отверстие в рабочее тело с непрозрачными для света границами, претерпевает в нём многократные переотражения от границы раздела сред с возможным практически полным поглощением.
Применение лазера позволяет получить высокие временные характеристики ОРЭП, минимальное ослабление сигнала СВЧ в открытом режиме и максимальное - в закрытом, высокую степень развязки между каналами в переключателях, невысокие массогабаритные и стоимостные показатели.
Полупроводниковые ОРЭП с распределёнными параметрами наряду с некоторыми видами, конструкциями газоразрядных оказываются наиболее перспективными типами приборов. Они позволяют получить ширину полосы пропускания СВЧ практически соответствующую частотной полосе используемой линии передачи. Распределённые ПП структуры позволяют пропускать через них значительные мощности СВЧ сигналов благодаря сравнительно большой площади контактов с высокотеплопроводящими частями и элементами линии передачи. Необходим поиск материалов, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к средам рабочих тел ОРЭП, в соответствии с известными проведёнными исследованиями, а также новыми разработками. Предпочтительными являются узкозонные 1111,
сегнетоэлектрики-ферромагнетики-полупроводники, сегнетоэлектрики-
ферромагнетики, антисегнетоэлектрики-ферромагнетики,
сегнетоэлектрики-антиферромагнетики.
Лазер, как управляющий инструмент, превосходит любые иные источники света, применяемые в качестве управителей. Он позволяет обеспечить высокое быстродействие управляемого прибора, позволяет получать высокую степень глубины модуляции сигнала по амплитуде, частоте, фазе вследствие высокого значения величины энергетической яркости его излучения.
Оптимальным является проектирование приборов с максимально возможным функциональным объёмом, что обусловливает наилучшее охлаждение и, как следствие, получение высоких характеристик. Проектирование вариантов приборов основано на превращении светом 1111 в полуметаллы (высокопроводящие 1111) вследствие резкого повышения их электропроводности. Целесообразно использовать явления внутреннего фотоэффекта, фотоэмиссии, кратковременный нагрев и криогенное охлаждение. Возможно использование магнитодиэлектриков (диэлектриков), практически не поглощающих энергию СВЧ волн, посредством преобразования их лазерным излучением в среды с большими потерями.
Лри разработке ОРЭЛ необходимо контролировать теплостойкость среды рабочего тела, поскольку существуют пределы неразрушающего действия лазерного излучения (величины энергетической яркости) на материалы. Целесообразно обеспечивать режимы работы прибора с максимально возможным отражением и минимальным поглощением энергии СВЧ. Илоскость поляризации облучающего светового вектора предпочтительно выбирается ортогональной облучаемой поверхности. Кардинальным фактором является использование законов полного внутреннего отражения и Брюстера. Использование в качестве управляющего рентгеновского излучения позволяет избежать нарушения электродинамической конфигурации линии передачи, а также её физической целостности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 1оспелов А.Н. Радиоматериал для микроволновых опторадиоэлектронных модуляторов // Труды V международной научно-техн. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения АЛЭЛ^ООО». Т. 2: Новосибирск. - 2000. - С. 157 - 159.
© А.Н. Поспелов, 2005
