ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА С ОПТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Заявляемое устройство можно отнести к классу приемопередающих устройств и может быть использовано в самых различных радиотехнических системах коротковолновой части миллиметрового и особенно терагерцового диапазонах волн (например: в связи, радиолокации, различных охранных комплексах, системах безопасности, сбора информации и радиовидения, медицине).
Известен 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].
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.
Другим принципиальным недостатком аналога является то, что размеры антенны значительно превышают длину волны излучения (обычно в 50…200 раз), что не позволяет использовать ее в микро- и нано- устройствах коротковолновой части миллиметрового и террагерцового диапазонов. Кроме того, такие известные антенны не могут быть использованы для формирования луча в ближней зоне (на расстояниях порядка длины волны СВЧ излучения).
Известна диэлектрическая антенна Френеля с управляемыми параметрами на основе полупроводникового материала с оптически управляемыми электромагнитными параметрами, состоящая из оптоуправляемой полупроводниковой панели, которая, находясь под воздействием света устройства управления, взаимодействует с падающим СВЧ полем облучателя, 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), при этом в качестве рефлектора антенны используется управляемое покрытие (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 (Патент на полезную модель RU 73550 U1, МПК H01Q 5/00 (2006.01)).
Устройство диэлектрической антенны по указанному патенту на полезную модель выбрано в качестве прототипа. 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.
Указанный прототип позволяет электронным способом осуществлять сканирование лучом и улучшает характеристики аналога. Однако принципиальным недостатком прототипа является то, что размеры антенны значительно превышают длину волны излучения (обычно в 50…200 раз), что не позволяет использовать ее в микро- и нано-устройствах коротковолновой части миллиметрового и террагерцового диапазонов. Кроме того, такие известные антенны не могут быть использованы для формирования луча в ближней зоне (на расстояниях порядка длины волны СВЧ излучения).
Задача заявленной полезной модели - снижение размеров антенны до субволновых при обеспечении возможности фокусировки в ближней зоне.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в диэлектрической антенне с перестраиваемыми частотными и пространственными характеристиками на основе полупроводникового материала с оптически управляемыми электромагнитными параметрами, состоящей из оптоуправляемой полупроводниковой панели и СВЧ облучателя, оптоуправляемая полупроводникая панель выполнена в виде диэлектрической полупроводниковой микрочастицы, формирующей фотонную струю.
При этом диэлектрическая микрочастица выполнена в виде сфероида с радиусом от 2 до 5 длин волн падающего СВЧ поля.
При этом диэлектрическая микрочастица выполнена в виде кубоида с размерами, определяемыми из соотношения:
,
0
где: k - коэффициент, равный 1.84, H - высота кубоида, L - длина стороны кубоида, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды.
При этом СВЧ облучатель выполнен с возможностью сканирования падающего на оптоуправляемую полупроводниковую панель полем.
На фиг. 1 показана обобщенная схема диэлектрической антенны: 1 - СВЧ излучатель, 2 - падающий СВЧ волновой фронт, 3 - полупроводниковая диэлектрическая частица, 4 - устройство управления (лазер с проецирующей оптикой), 5 - фотонная тераструя (луч). Кроме того, на фиг. 1 пунктиром обозначены положение СВЧ излучателя и волнового фронта при наклонном падении излучения на оптоуправляемую полупроводниковую панель.
На фиг. 2 показаны результаты формирования главного лепестка антенны (тераструи).
На фиг. 3. показано формирование главного лепестка антенны (фотонной тераструи) при наклонном падении волнового фронта на диэлектрический кубоид.
Заявленная диэлектрическая антенна с перестраиваемыми частотными и пространственными характеристиками на основе полупроводникового материала с оптически управляемыми электромагнитными параметрами пучков работает следующим образом.
При падении СВЧ излучения на оптоуправляемую полупроводниковую панель, выполненную в виде в виде диэлектрической полупроводниковой микрочастицы, формирующей фотонную струю, например, кубоида, формируется фотонная тераструя (или главный лепесток антенны) - см. фиг. 1-3.
Известно, что в полупроводнике под воздействием света (или потока электронов) увеличивается количество носителей заряда и, следовательно, повышается проводимость. То есть проводимость полупроводника изменяется под действием узкополосного оптического излучения, энергия фотонов которого достаточна для генерации свободных носителей заряда в зоне проводимости. Проводимость в свою очередь прямо пропорциональна комплексной диэлектрической проницаемости, в том числе показателю преломления материала полупроводника:
,
a
где σ - проводимость, ε - комплексная диэлектрическая проницаемость, tg(δ) - тангенс угла потерь материала диэлектрика, ω - круговая частота.
Поэтому если на диэлектрическую оптоуправляемую панель падает свет, то комплексный показатель диэлектрической проницаемости (и показатель преломления) полупроводникового материала меняется. В соответствии с этими изменениями меняется и длина фотонной тераструи и ее параметры (вплоть до полного исчезновения главного лепестка рассеяния. В этом случае данная полезная модель работает как фокусирующий модулятор).
Диэлектрические микрочастицы, формирующих фотонные струи, могут быть выполнены в виде сферических диэлектрических микрочастиц с диаметром, сравнимым с длиной волны анализируемого излучения [Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Панина Е.К. Сравнительный анализ пространственных форм фотонных струй от сферических диэлектрических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, №5. С. 417-424]. При этом если радиус частицы находится в диапазоне от 2 до 5 длин волн анализируемого излучения, то поперечный размер фотонной струи меньше дифракционного предела.
Выполнение диэлектрических микрочастиц, формирующих фотонные струи, в виде субволновых диэлектрических кубоидов определенного размера [V. Pacheco-Pena, Μ. Beruete, I.V. Minin, О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4894243)] позволяет упростить технологию их изготовления и обеспечить совместимость с другими микро- и нано-устройствами преимущественно террагерцового диапазона.
Моделирование FDTD методом и экспериментальная проверка показали, что если кубоид выполнять с размерами, определяемыми из соотношения:
,
0
где: k - коэффициент, равный 1.84, H - высота кубоида, L - длина стороны кубоида, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды, то при падении СВЧ излучения он формирует основной луч (тераструю) длиной от 0 до 3 длин волн и полушириной меньше дифракционного предела.
Так, размер диэлектрического кубоида составляет примерно L,H=λ, поэтому размер апертуры диэлектрической антенны равен примерно длине волны падающего волнового фронта. При этом такие кубоиды формируют фотонные струи и при наклонном падении волнового фронта, что иллюстрируется результатами моделирования на основе FDTD методов, представленных на фиг. 2-3. То есть кубоиды в данном случае представляют собой сканирующую ближнепольную антенну.
Осуществить изменение направления падения излучения на оптоуправляемую полупроводниковую панель можно как с помощью изменения положения в пространстве СВЧ излучателя, так и с помощью известных сканирующих систем СВЧ диапазона.
Техническим результатом является снижение размеров антенны до субволновых при обеспечении возможности фокусировки в ближней зоне.