Радиочастотная отражающая поверхность с оптическим управлением лучом для систем телекоммуникации

Настоящая полезная модель относится к области радиотехники, в частности к приемопередающим электронным устройствам, осуществляющим связь с основной антенной формирования волны и отражение этой волны, где угол отражения контролируется с помощью оптического сигнала, создаваемого лазером. Данная полезная модель может быть использована в беспроводных системах связи для приема и передачи информации в диапазоне высоких сверхвысоких частот (ВЧ и СВЧ).
В патенте RU 2688949 C1 показана антенная решетка, которая может изменять фазу падающей плоской волны, осуществляя отражение луча для систем, ограниченном областью КВЧ.
В патенте US 10931004 B2 представлена похожая поверхность, в которой переключение элементов осуществляется с помощью PIN-диодов, однако управление PIN-диодами осуществляется электронным образом, что можно отнести к недостатку этой разработки.
В патенте US 7245269 B2 показана отражающая поверхность с переменным импедансом имеющая возможность перестройки с помощью варикапов. К недостатку можно отнести использование варикапов, которые обладают большим временем переключения по сравнению с PIN-диодами.
В статье D.F. Sievenpiper, Two-dimensional beam steering using an electrically tunable impedance surface, DOI: 10.1109/TAP.2003.817558 предлагается конструкция отражающей поверхности с электронным управлением, в которой угол отражения изменяется с помощью перестройки варикапов. Недостатком данной работы является электронной управлением элементов, что требует дополнительных кабелей и шлейфов. К недостаткам также можно отнести использование варикапов, обладающих более медленным временем переключения по сравнению с PIN диодами.
В статье Xin Ge Zhang, An optically driven digital metasurface for programming electromagnetic functions, DOI: 10.1038/s41928-020-0380-5 показана поверхность, которая может управлять электромагнитным излучением, используя набор варикапов, контролируемых набором фотодиодов. К недостатку можно отнести использование варикапов, которые обладают большим временем переключения в отличие от PIN диодов.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели из уровня техники известно наиболее близкое устройство RU 2660379 C2, в котором управление импедансом поверхности осуществляется беспроводным способом. В качестве недостатка приведенной системы можно отметить наличие всего двух конфигураций отдельного элемента, а итоговое управление углом отражения осуществляется с помощью перестройки всех элементов. Такой подход, ограничивает гибкость системы. Кроме того, не указана приблизительная скорость перестройки, и как следствие частота, с которой может изменяться фаза отраженной волны.
XY
YZ
M, N
M, N
В основу настоящей полезной модели положена задача создать отражающую поверхность для диапазона ВЧ и СВЧ в виде двумерного массива резонансных отражающих элементов с токопроводящей частью, и имеющего размер M x N. Данная отражающая поверхность обладает оптическим управлением углом отражения (α - плоскость XY, β - плоскость YZ). Это управление осуществляется с помощью лазера, создающего необходимую освещенность (E) в области фотодиода или PIN-фотодиода, расположенного внутри одиночной ячейки. При достижении нужной освещенности фотодиод создает обратное напряжение (U), которое смещает PIN-диод(ы) в отрицательную область. В результате этого происходит изменения фазы коэффициента отражения одиночного элемента, или целого ряда элементов, благодаря чему происходит управление лучом или изменение угла отражения в двух плоскостях.
Предлагаемая полезная модель характеризуется использованием PIN-диодов вместо варикапов, применяемых в существующих системах, а также оптическим управлением PIN-диодам с помощью набора фотодиодов, используемых в качестве отдельных элементов или совмещенных с PIN-диодами, позволяющим добиться более высоких скоростей переключения для изменения угла отражения с частотой переключения порядка единиц МГц.
Поставленная задача и технический результат достигается с помощью радиочастотной отражающей поверхности с оптическим управлением лучом для систем телекоммуникации, работающей в области высоких и сверхвысоких частот, представляющей собой периодическую структуру размера M x N отражательных резонансных элементов с токопроводящей частью, изготовленных с помощью химического травления, пайки токопроводящих гибких материалов или при помощи электрохимической селективной металлизации, каждый из резонансных отражательных элементов содержит управляющий узел, каждый из таких представляет собой набор PIN-диодов и элементов оптического контроля, такие фотодиоды, расположенные на той же или обратной поверхности двусторонней печатной платы, способных изменять свой импеданс в зависимости от интенсивности падающего лазерного управляющего луча, контролируемого блоком управления, с частотой переключения не менее 1 МГц.
Полезная модель иллюстрируется следующим примером осуществления.
1. Выбираются натуральные числа M и N, соответствующие количеству узлов периодической отражающей поверхности. Числа выбираются таким образом, чтобы итоговый поперечный размер отражающей поверхности составлял порядка четырех длин волн. Токопроводящие элементы изготавливаются с помощью химического травления, пайки токопроводящих гибких материалов или при помощи электрохимической селективной металлизации.
H
упр
2. Основные параметры: геометрия, форма элементов отражающей поверхности, номинал конденсаторов, определяющие импеданс элемента (Z) и номинал PIN-диодов, определяющих импеданс элемента управления (Z), подбираются на основе электродинамического моделирования.
3. Элементы поверхностного монтажа, такие как конденсаторы, PIN-диоды и индуктивности устанавливаются методом пайки в нужные места в зависимости от выбранной формы и геометрии отражающих элементов.
Сущность полезной модели поясняется фигурами, где на фиг. 1 представлен общий вид установки, состоящей из отражающей поверхности, включающей в себя: отражающий элемент 1 с токопроводящей частью 2, узел управления импедансом и подстройки частоты 3, печатную плату 4; управляющего лазера 5 и блока управления 6; на фиг. 2 показан принцип управления лучом с изменением угла отражения вдоль оси X; на фиг. 3 показан принцип управлением лучом с изменением угла отражения вдоль оси Z.
На приведенных фигурах принятые следующие обозначения:
1 - Отражающий элемент;
2 - Токопроводящая часть отражающего элемента;
3 - Узел управления импедансом и подстройки частоты;
4 - Печатная плата;
5 - Управляющий лазер;
6 - Блок управления.
Радиочастотная отражающая поверхность с оптическим управлением лучом для систем телекоммуникации, работающая в области высоких и сверхвысоких частот, представляет собой периодическую структуру размера M x N отражательных резонансных элементов 1 с токопроводящей частью 2, изготовленных с помощью химического травления, пайки токопроводящих гибких материалов или при помощи электрохимической селективной металлизации, каждый из резонансных отражательных элементов содержит управляющий узел 3, каждый из таких представляет собой набор PIN-диодов и элементов оптического контроля, такие фотодиоды, расположенные на той же или обратной поверхности двусторонней печатной платы 4, способных изменять свой импеданс в зависимости от интенсивности падающего лазерного управляющего луча 5, контролируемого блоком управления 6, с частотой переключения не менее 1 МГц.