ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО ПРИЕМА/ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ФОТОПРОВОДЯЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2018 года по МПК G01J1/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к высокочастотным устройствам приема/передачи сигналов на основе фотопроводящих переключающих элементов.

Уровень техники

Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка сетей миллиметрового диапазона 5G, которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, основанными на опыте использования, включая такие факторы, как высокая скорость передачи и энергоэффективность. Для технологий радиодоступа, работающих в диапазоне миллиметровых частот, существует множество фундаментальных проблем, связанных с физикой антенных решеток, конструкцией высокоскоростного приемопередатчика и т.д.

Основными проблемами и трудностями современных высокочастотных (ВЧ) устройств приема/передачи сигналов (переключателей, фазовращателей, антенн) с рабочими частотами более 5 ГГц является следующее:

1) при применении стандартных полупроводниковых технологий наблюдаются высокие потери, что приводит к низкой энергоэффективности,

2) готовые компоненты и схемы с низким значением паразитных параметров являются сложными и/или габаритными и имеют высокую стоимость.

Для высокочастотных устройств приема/передачи сигналов на таких частотах применение известных фотопроводящих элементов ранее было нецелесообразным в силу присущих им недостатков:

1) высокие потери,

2) большая мощность, необходимая для управления,

3) большая поверхность, необходимая для облучения.

Так, например, известны следующие высокочастотные переключающие устройства с использованием оптических элементов.

US 7,965,249 B1, 2011-06-21, «Reconfigurable radio frequency (RF) surface with optical bias for RF antenna and RF circuit applications», Rockwell Collins.

В этом документе раскрывается реконфигурируемая радиочастотная поверхность с оптическим смещением для применения в радиочастотных антеннах и радиочастотных схемах. Поверхность представляет собой ячеистую структуру из металлических площадок, соединенных между собой фотопроводящими соединениями. Данная структура удобна для управления антеннами (частотой, поляризацией).

Недостатком этого решения является большое число фотопроводящих пикселей, необходимых для того, чтобы устройство обеспечивало приемлемые характеристики сканирования.

US 2015/349418, 2015-03-12, «Wide band reconfigurable planar antenna with omnidirectional and directional radiation patterns», UNIV DREXEL [US], ADANT TECHNOLOGIES INC [US].

В этом документе раскрывается широкополосная реконфигурируемая планарная антенна с ненаправленными и направленными диаграммами направленности, в которой переключение производится между диполями в точке подключения питания.

Недостатками этого решения является большой шаг сканирования и то, что максимальный коэффициент усиления ограничен коэффициентом усиления диполя.

Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании высокочастотных устройств приема/передачи сигналов с рабочими частотами более 5 ГГц, которые имели бы одновременно низкие потери, малую мощность управления и низкую стоимость. Как показано выше, известные технологии не подходят для разработки устройств, которые одновременно соответствовали бы всем этим требованиям.

Сущность изобретения

С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание высокочастотного устройства приема/передачи сигналов на основе фотопроводящих переключающих элементов.

Согласно настоящему изобретению предложено высокочастотное устройство приема/передачи сигналов, содержащее: сигнальный электрод, выполненный в виде плоской проводящей площадки и содержащий расположенные по его краю согласующие элементы, земляной электрод, выполненный в виде плоской проводящей площадки и расположенный параллельно сигнальному электроду, слой диэлектрика между сигнальным электродом и земляным электродом (слоем диэлектрика также может являться воздух, вакуум), сетку из фотопроводящих элементов, каждый из которых электрически соединен с сигнальным электродом и земляным электродом, точку подвода сигнала возбуждения, и элементы нагрузки, электрически соединенные с согласующими элементами, причем каждый фотопроводящий элемент имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой собственной электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока, причем фотопроводящие элементы в сетке расположены таким образом, чтобы те фотопроводящие элементы, на которые управляющий световой поток подается в данный момент, формировали кривую, близкую к требуемому профилю отражения сигнала, подаваемого из точки подвода сигнала возбуждения, причем расстояние между соседними фотопроводящими элементами составляет менее половины длины волны сигнала возбуждения, причем по меньшей мере в одном из электродов выполнены отверстия для подведения управляющих световых потоков к фотопроводящим элементам или для установки проводящих элементов, соединяющих фотопроводящий элемент с другим электродом.

В одном из вариантов осуществления устройство дополнительно содержит множество диэлектрических светопрозрачных разделителей, каждый из которых соединен с соответствующим фотопроводящим элементом, и множество источников света, каждый из которых соединен с соответствующим разделителем так, чтобы излучаемый свет, проходя через разделитель, попадал на соответствующий фотопроводящий элемент.

В одном из вариантов осуществления устройство дополнительно содержит множество оптических волноводов, каждый из которых соединен с соответствующим фотопроводящим элементом, и множество источников света, каждый из которых соединен с соответствующим оптическим волноводом так, чтобы излучаемый свет, проходя через оптический волновод, попадал на соответствующий фотопроводящий элемент.

В одном из вариантов осуществления сигнальный электрод выполнен в форме круга, многоугольника или сектора круга.

В одном из вариантов осуществления согласующие элементы выполнены в виде зубцов, направленных узкой стороной наружу.

В одном из вариантов осуществления элементом нагрузки является монопольный четвертьволновый излучатель, причем устройство представляет собой антенну, а земляной электрод выступает за пределы сигнального электрода на расстояние, необходимое для работы излучателя.

В одном из вариантов осуществления элементом нагрузки является линия передачи или высокочастотный разъем, причем устройство представляет собой многополюсное устройство с управляемым фазовым распределением на его выходных портах.

В одном из вариантов осуществления по меньшей мере один фотопроводящий элемент соединен с сигнальным электродом через проводящую перемычку, которая соединена с сигнальным электродом, проходит через отверстие в упомянутом слое диэлектрика и земляном электроде и не контактирует с земляным электродом.

В одном из вариантов осуществления по меньшей мере один фотопроводящий элемент расположен в отверстии в упомянутом слое диэлектрика, имеет толщину, равную толщине упомянутого слоя диэлектрика, причем в земляном электроде выполнено отверстие для подачи управляющего светового потока на этот по меньшей мере один фотопроводящий элемент.

В одном из вариантов осуществления сигнальный электрод, земляной электрод и слой диэлектрика между ними представляют собой, соответственно, сигнальное основание, общее основание и подложку печатной платы.

Кроме того, согласно настоящему изобретению предложена объемная антенна, содержащая по меньшей мере две обращенные друг к другу плоскими сторонами плоские антенны, выполненные в виде устройств по п.1, выполненная с возможностью сканирования в плоскости, перпендикулярной плоскости упомянутых плоских антенн, посредством подачи одного и того же сигнала с разным сдвигом фазы на разные плоские антенны, имеющие в заданный момент времени один и тот же профиль отражения.

Кроме того, согласно настоящему изобретению предложено высокочастотное устройство приема/передачи сигналов, содержащее: сигнальный электрод, выполненный в виде плоской проводящей площадки, земляной электрод, выполненный в виде плоской проводящей площадки и расположенный параллельно сигнальному электроду, слой диэлектрика между сигнальным электродом и земляным электродом, имеющий толщину не менее четверти длины волны сигнала, подлежащего приему/передаче, сетку из фотопроводящих элементов, расположенных в отверстиях слоя диэлектрика, множество участков оптических волноводов, каждый из которых соприкасается с соответствующим фотопроводящим элементом по всей толще слоя диэлектрика и предназначен для подачи на него управляющего светового потока, и точку подвода сигнала возбуждения, причем каждый фотопроводящий элемент электрически соединен с сигнальным электродом и земляным электродом, имеет толщину, равную толщине слоя диэлектрика, и имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой собственной электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока, причем фотопроводящие элементы в сетке расположены таким образом, чтобы те фотопроводящие элементы, на которые управляющий световой поток подается в данный момент, формировали кривую, близкую к требуемому профилю отражения сигнала, подаваемого из точки подвода сигнала возбуждения, причем расстояние между соседними фотопроводящими элементами составляет менее половины длины волны сигнала возбуждения, причем по меньшей мере в одном из электродов выполнены отверстия для подведения оптических волноводов к фотопроводящим элементам.

В одном из вариантов осуществления устройство дополнительно содержит множество источников света, каждый из которых соединен с соответствующим участком оптического волновода так, чтобы излучаемый свет, проходя через оптический волновод, попадал на соответствующий фотопроводящий элемент.

В одном из вариантов осуществления на участках оптических волноводов в месте контакта с ФЭ выполнены неоднородности и/или насечки.

Настоящее изобретение обеспечивает сканирование/создание необходимого фазового распределения на выходных портах устройства с малыми потерями, с низкими требованиями к мощности управления и без ухудшения коэффициента усиления.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - принцип работы фотопроводящего элемента (ФЭ).

Фиг. 2 - первый вариант подключения фотопроводящего элемента.

Фиг. 3 - второй вариант подключения ФЭ.

Фиг. 4 - третий вариант подключения ФЭ.

Фиг. 5 - первый пример одномерного ВЧ-устройства приема/передачи сигналов согласно настоящему изобретению.

Фиг. 6A-B - второй пример одномерного ВЧ-устройства приема/передачи сигналов согласно настоящему изобретению.

Фиг. 7A-B - пример фазовращателя с использованием предложенного ВЧ-устройства на основе фотопроводящих элементов.

Фиг. 8 - плоская антенна согласно настоящему изобретению.

Фиг. 9 - пример расположения согласующих элементов и нагрузки в ВЧ-устройстве.

Фиг. 10A-D - примеры профилей отражения антенны для выполнения сканирования.

Фиг. 11A-D - примеры профилей отражения антенны для изменения характеристик излучения.

Фиг. 12 - пример профиля отражения антенны для получения многолучевой диаграммы направленности.

Фиг. 13 - пример распределения электрического поля.

Фиг. 14A-C - примеры расположения фотопроводящих элементов в антенне.

Фиг. 15 - пример полноразмерной антенны.

Фиг. 16 - объемная антенна согласно настоящему изобретению.

Фиг. 17 - пример применения антенны в базовой станции.

Подробное описание

На Фиг. 1 показан принцип работы фотопроводящего элемента. Как уже коротко упоминалось выше, в основе настоящего изобретения лежит переключение между двумя состояниями фотопроводящего элемента: между состоянием диэлектрика с малой собственной электрической проводимостью (выключенным состоянием) и состоянием проводника с относительно высокой электрической проводимостью, возникающей под действием света (включенным состоянием) [см. Рывкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963]. В выключенном состоянии структура фотопроводящего элемента является стабильной и непроводящей, фотоэлемент при этом имеет в общем емкостные свойства и является прозрачным для проходящих через него радиоволн. Во включенном состоянии, когда фотоэлемент облучается светом, часть электронов покидают свои орбиты, вследствие чего проводимость фотоэлемента возрастает, и фотоэлемент при этом имеет в общем резистивные свойства, становясь непрозрачным для поступающих на него радиоволн. Примером материала для такого фотопроводящего элемента является кремний.

На Фиг. 2 показан первый вариант подключения (монтажа) ФЭ. Согласно первому варианту подключения ФЭ, фотопроводящий элемент 1 расположен между проводящими площадками 5 и имеет с ними электрический контакт. С ФЭ 1 соединен диэлектрический светопрозрачный разделитель 2 (например, кварцевый. Управляющий свет на ФЭ 1 поступает от источника света 3, соединенного с разделителем 2 и направленного так, чтобы свет излучался по меньшей мере в сторону ФЭ 1. Диэлектрический светопрозрачный разделитель 2 используется для уменьшения влияния цепей управления и источника света 3 на ФЭ 1. Одна проводящая площадка 5 далее в настоящем описании может называться сигнальным электродом, другая - земляным электродом. Пространство между проводящими площадками заполнено слоем диэлектрика 4. В качестве сигнального электрода, земляного электрода и слоя диэлектрика между ними могут выступать, соответственно, сигнальное основание, общее основание и подложка печатной платы. ФЭ 1 выполнен из фотопроводящего материала, описанного выше применительно к Фиг. 1. В качестве источника света может использоваться светодиод (простой и энергоэффективный источник света), лазер (более направленный, но более сложный и менее энергоэффективный источник света, чем светодиод) и т.д. Источник света 3 и разделитель 2 могут конструктивно быть выполнены в виде одного элемента. В типовом исполнении толщина ФЭ 1 равна толщине слоя диэлектрика 4.

На Фиг. 3 показан второй вариант подключения ФЭ, в котором ФЭ монтируется на поверхность печатной платы. Согласно второму варианту подключения, для монтажа ФЭ используются те же самые элементы, что и в первом варианте подключения, но ФЭ 1 примыкает к земляному электроду лишь снаружи печатной платы. Контакт ФЭ 1 с сигнальным электродом осуществляется с помощью проводящей перемычки 6, соединяющей сигнальный электрод с ФЭ 1 и проходящей через отверстие в слое диэлектрика 4 и в земляном электроде, не контактируя с последним.

На Фиг. 4 показан третий вариант подключения ФЭ, в котором источник света 3 расположен на отдалении от ФЭ 1, то есть на расстоянии от печатной платы. Третий вариант подключения ФЭ отличается от второго варианта подключения тем, что вместо разделителя 2 используется оптоволокно 7. Тем самым, управляющая схема может находиться на относительно большом расстоянии от переключателя.

Четвертый вариант подключения ФЭ (не показан на чертежах) отличается от первого варианта подключения тем, что в нем ФЭ вместо разделителя 2 используется оптоволокно 7.

На Фиг. 5 показан первый базовый пример ВЧ-структуры приема/передачи сигналов согласно настоящему изобретению. Между двумя проводящими площадками (например, внутри печатной платы) располагаются два фотопроводящих элемента (ФЭ) 501 и 502, у каждого из которых имеется электрический контакт с обеими проводящими площадками. Расстояние между ФЭ 501 и 502 составляет менее половины длины радиочастотной (РЧ) волны (сигнала), проходящей через них, при этом ФЭ не касаются друг друга. На каждый ФЭ подается управление в виде светового потока (луча). Когда подаваемый управляющий свет отсутствует, ФЭ находятся в выключенном состоянии и имеют высокий импеданс, тем самым пропуская через себя вышеуказанную РЧ-волну. То есть при выключенных ФЭ данный переключатель является прозрачным для проходящего через него РЧ-сигнала. Когда подаваемый управляющий свет имеется, ФЭ находятся во включенном состоянии и имеют малое сопротивление, что приводит к тому, что переключатель отражает поступающий РЧ-сигнал. Таким образом, реализуется простая высокочастотная схема переключения, в которой сами ФЭ имеют малый размер, поэтому для их облучения требуется малая оптическая мощность (то есть, для управления переключателем требуется малая мощность). Кроме того, малые размеры ФЭ относительно данной схемы в целом обуславливают то, что в среде распространения (в диэлектрике) возникают лишь небольшие потери. Паразитная емкость фотопроводящего переключающего элемента является низкой. Например, если фотопроводящий элемент - кусок кремния размерами 200 мкм х 200 мкм х 200 мкм, то оценочно его емкость, вычисленная по формуле для плоскопараллельного конденсатора с электродами размером 200 мкм х 200 мкм, межэлектродным расстоянием 200 мкм и относительной диэлектрической проницаемостью 12, составляет 0.02 пФ и находится на уровне дорогостоящих бескорпусных p-i-n диодов. Также, как показано выше, данная структура полностью реализуема в рамках печатной платы. Кроме того, имеется возможность отделения ВЧ-устройства приема/передачи сигнала от схемы управления, например, с помощью оптоволокна или какого-либо разделителя, если источник света отделить от ФЭ, как описывалось выше применительно к Фиг. 4.

В целях повышения ясности описания те принципы и элементы, которые аналогичны уже упоминавшимся выше в отношении тех или иных чертежей, далее в настоящем документе могут быть не описаны подробно.

На Фиг. 6A показан второй базовый пример одномерного ВЧ-устройства приема/передачи сигналов согласно настоящему изобретению. Вдоль полосковой линии располагаются в ряд четыре ФЭ 601-604. Включая и выключая ФЭ, можно управлять прохождением сигнала через полосковую линию. Например, в случае, когда ФЭ 601, 602 и 604 выключены, а ФЭ 603 включен, сигнал будет проходить через точки соединения ФЭ 601 и 602, но полностью отражаться в точке соединения ФЭ 603. Таким образом, в рамках планарной структуры реализуется перестраиваемая отражательная нагрузка для фазовращателя с низкими потерями. Пример того, в какой части фазовращателя она может использоваться, показан на Фиг. 6B.

Как показано далее на Фиг. 7, применение предложенного ВЧ-устройства на основе фотопроводящих элементов в составе секции дискретного фазовращателя позволяет сократить его размеры и число элементов (проиллюстрировано справа на Фиг. 7B), в отличие от традиционно используемого в уровне техники фазовращателя (проиллюстрировано слева на Фиг. 7A), где используются блокировочные емкости, индуктивности, отрезки линии передач для изоляции сигнального канала от каналов управления.

На Фиг. 8 показана антенна, созданная на основе двумерного ВЧ-устройства приема/передачи сигналов согласно настоящему изобретению. Между двумя проводящими площадками (электродами) 801 и 802 расположена сетка (решетка, матрица) фотопроводящих элементов 803-804. Расстояние между ФЭ должно составлять менее половины длины волны. Сигнальный электрод 801 состоит из круглого электрода (управляемый рефлектор) и согласующих элементов 805, которые обеспечивают согласование апертуры рефлектора с элементами 806 нагрузки. Элементами нагрузки могут являться излучающие элементы, например, монопольные излучатели длиной порядка ¼ длины волны в вакууме, или линии передачи, высокочастотные разъемы для дальнейшего излучения. Согласующие элементы и элементы нагрузки располагаются по краю сигнального электрода, как это показано на Фиг. 8-9. Форма и размеры, плотность и точное место их размещения определяется конкретными требованиями к антенне. Так, в примере на Фиг. 8 согласующие элементы 805 выполнены в виде зубцов, направленных узкой стороной наружу и размещенных непрерывно по всему периметру сигнального электрода, а на конце каждого согласующего элемента размещен элемент 806 нагрузки в виде монопольного излучателя.

Земляной электрод 802 выступает за пределы сигнального электрода на расстояние, необходимое для работы излучателя - в данном примере на высоту излучающего элемента. По центру антенны в земляном электроде 802 выполнено отверстие, через которое в антенну подается возбуждение через возбуждающий элемент 807. Например, это может быть выполнено с коаксиальной структуры, центральный проводник которой подсоединен к сигнальному электроду 801, а внешний проводник - к земляному электроду 802.

Следует отметить, что земляной электрод может быть аналогичным сигнальному, в этом случае используется, например, дипольный излучатель, электроды которого подключены к сигнальному и земляному электродам.

Включая и выключая ФЭ 803-804, расположенные в сетке, можно создавать различные профили отражения, проходящие по кривым, соединяющим включенные ФЭ 804. Волна, поданная из центра антенны от возбуждающего элемента 807, отражается от включенных ФЭ 804, как это показывалось выше на Фиг. 5, и проходит в обратном направлении. Доходя до края антенны, волна излучается за счет прохождения через излучающий элемент.

Меняя форму профиля 808 отражения, можно менять характеристики излучения антенны, то есть менять диаграмму направленности, в том числе коэффициент усиления, коэффициент направленного действия, наличие нескольких лучей.

На Фиг. 10A-D показаны примеры профилей отражения антенны по Фиг. 8 для выполнения сканирования. В разных случаях, управление фотопроводящими элементами осуществляется так, чтобы были включены ФЭ, формирующие такой параболический профиль отражения, при котором антенна излучает в том или ином заданном направлении. Тем самым, меняя профиль отражения, можно осуществлять сканирование.

На Фиг. 11A-D показаны примеры профилей отражения антенны по Фиг. 8 для изменения характеристик излучения. В разных случаях, управление фотопроводящими элементами осуществляется так, чтобы были включены ФЭ, формирующие такой параболический профиль отражения, при котором антенна имеет требуемые характеристики излучения. В частности, показаны примеры для получения плоского (Фиг. 11A), расходящегося (Фиг. 11B) и сходящегося (Фиг. 11C) фронтов волны с характеристиками направленности, указанными на Фиг. 11D.

На Фиг. 12 показан пример профиля отражения антенны по Фиг. 8 для получения многолучевой диаграммы направленности. Профиль отражения может быть сформирован так, чтобы излучение осуществлялось по разным направлениям.

Таким образом, обеспечивается антенна с малыми потерями, реализуемая в рамках технологии планарных структур, в том числе печатных плат, имеющая угол сканирования 360 градусов без снижения усиления при повороте луча, управляемые характеристики направленности, в том числе с возможностью многолучевой диаграммы направленности, а также способная к работе (фокусировке) в ближней зоне.

Следует отметить, что ВЧ-устройство приема/передачи сигналов, изображенное на Фиг. 8 и Фиг. 9, может использоваться как многополюсное устройство для формирования заданного фазового распределения на выходных портах, когда проходящая через него радиоволна не излучается в эфир с помощью излучающих элементов, а передается далее по полосковой линии передачи или в высокочастотный разъем. Соответственно, такое устройство обладает теми же преимуществами - малые потери, поворот фазы в диапазоне 360 градусов без снижения коэффициента передачи при повороте фазы.

На Фиг. 13 показан пример распределения электрического поля в антенне по Фиг. 8, в которой сформирован параболический профиль отражения. Как можно увидеть, при выбранном профиле и размерах на частоте 26 ГГц коэффициент усиления антенны составляет 13 дБи в случае земляного электрода - бесконечной проводящей плоскости и порядка 10дБи в случае конечных размеров. Размер сигнального электрода 26 мм x 26 мм и высоте устройства 2,7 мм, проводимость фотопроводящих элементов выбрана 1000 См/м во включенном состоянии, относительная диэлектрическая проницаемость была 12, размеры 0,2 мм х 0,2 мм х 0,2 мм.

На Фиг. 14A-C показаны примеры расположения ФЭ в антенне. Так, сетка ФЭ может быть гексагональной (Фиг. 14A), в которой ФЭ расположены в центрах сот, прямоугольной (Фиг. 14B), имеющей круговую симметрию (Фиг. 14C) и т.д. Предпочтительно, чтобы ФЭ располагались как можно более точно вдоль требуемого профиля отражения, с тем чтобы формируемая диаграмма направленности и соответствующие характеристики излучения были близки к требуемым. Соответственно, чем ближе фактическое положение ФЭ к огибающей требуемого профиля, тем точнее полученные характеристики излучения. Обязательным требованием к расположению ФЭ является то, что расстояние между ними должно быть меньше половины длины волны. Таким образом, чем больше плотность ФЭ в сетке, тем более близкими к требуемым получаются характеристики излучения и тем меньше шаг сканирования. С другой стороны, чем меньше ФЭ в сетке, тем проще и дешевле антенна. Конкретное расположение ФЭ выбирается с учетом особенностей применения и требований, накладываемых на антенну.

На Фиг. 15 показан пример полноразмерной антенны, в которой пространство между земляным и сигнальным электродом) имеет толщину порядка четверти длины волны в ваккуме и более (например, для частоты 28 ГГц толщина рефлектора при этом условии должна составлять примерно 2,5 мм). Такой толщины достаточно для того, чтобы волна могла излучаться непосредственно с апертуры рефлектора. Соответственно, наличие согласующих элементов и излучателей по краям рефлектора не требуется. Если при этом используется первый вариант подключения ФЭ, то ФЭ проходят через всю толщу рефлектора, а значит, тоже имеют относительно большую толщину. Однако, в таком случае возбудить фотопроводимость со стороны сигнальных электродов невозможно в силу конечной глубины проникновения света в полупроводник, которая составляет лишь сотни микрон. Чтобы обойти это ограничение, можно осуществлять возбуждение так, как показано на Фиг. 15 - вдоль всей толщи рефлектора ФЭ соприкасается с оптическим волноводом, и когда через оптический волновод подается управляющий световой поток, в самом ФЭ формируется вытекающая оптическая мода за счет разности в показателях преломления (поскольку в оптическом волноводе показатель преломления меньше, чем в ФЭ), что позволяет перевести ФЭ во включенное состояние. Также можно применять формирование бокового излучения из оптического волновода с помощью неоднородностей, насечек и т.п., располагаемых в месте контакта ФЭ с оптическим волноводом.

На Фиг. 16 показана объемная антенна, состоящая из нескольких обращенных друг к другу плоскими сторонами плоских антенн, проиллюстрированных выше на Фиг. 8 или Фиг. 15. Каждая плоская антенна сканирует лишь в плоскости своего профиля отражения. Однако, если на разные плоские антенны, имеющие в заданный момент времени один и тот же профиль отражения, подавать один и тот же сигнал с разным сдвигом фазы, то можно реализовать сканирование также и в плоскости, перпендикулярной плоскости профиля отражения. Соответственно, полученная трехмерная структура имеет возможность сканирования в двух плоскостях.

На Фиг. 17 показан пример применения антенны по Фиг. 8, Фиг. 15 или Фиг. 16 в базовой станции. На вышке базовой станции расположена сама антенна, тогда как схемы управления расположены в удаленном блоке, из которого на антенну поступают радиочастотное возбуждение (например, как упоминалось выше, по коаксиальному кабелю) и управление фотопроводящими элементами антенны (например, как упоминалось выше, по оптоволокну). За счет этого схемы управления можно размещать в помещении, что упрощает требования к их защищенности от внешних воздействий.

Следует понимать, что в настоящем документе показаны принцип построения и базовые примеры ВЧ-устройств на основе фотопроводящих элементов, и специалист в данной области техники, руководствуясь этим принципом и примерами, сможет создать другие компоновки ВЧ-устройств на основе фотопроводящих элементов без изобретательских усилий.

Например, выше указывалось, что возбуждающий элемент располагается по центру антенны, однако если требуется проводить сканирование не в диапазоне 360 градусов, а меньше, то подвод возбуждения можно осуществлять не в центре, а ближе к краю антенны. Кроме того, выше указывалось, что сигнальный электрод имеет круглую форму, однако это не является единственным вариантом исполнения - в качестве примера, сигнальный электрод при необходимости может иметь форму многоугольника, сектора круга и т.д. Так, форма треугольника или сектора круга может подойти для антенны с малым требуемым углом сканирования.

Применение

ВЧ-устройства на основе фотопроводящих элементов и созданные с их использованием полосковые линии, фазовращатели, переключатели и антенны согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется управление ВЧ-сигналами, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи перспективного стандарта 5G и WiGig, для различных датчиков, для сетей Wi-Fi, для беспроводной передачи энергии, в том числе на большие расстояния, для систем «умный дом» и т.д.

Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.

В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенной антенны находятся в общем корпусе, размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.

Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.

Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы антенны могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках и литье по выплавляемой модели. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Изобретение относится к радиотехнике и более конкретно к высокочастотным (ВЧ) устройствам приема/передачи сигналов на основе фотопроводящих переключающих элементов. Техническим результатом является обеспечение сканирования/создание необходимого фазового распределения на выходных портах устройства с малыми потерями, с низкими требованиями к мощности управления и без ухудшения коэффициента усиления. Согласно изобретению ВЧ-устройство содержит сигнальный электрод с расположенными по его краю согласующими элементами, земляной электрод, слой диэлектрика между сигнальным и земляным электродами, сетку из фотопроводящих элементов (ФЭ), точку подвода сигнала возбуждения и элементы нагрузки, электрически соединенные с согласующими элементами, причем каждый ФЭ имеет выключенное состояние при отсутствии управляющего светового потока и включенное состояние при наличии управляющего светового потока, причем включенные ФЭ формируют профиль отражения сигнала, подаваемого из точки подвода сигнала возбуждения, причем расстояние между соседними ФЭ составляет менее половины длины волны сигнала возбуждения. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Высокочастотное устройство приема/передачи сигналов, содержащее:

сигнальный электрод, выполненный в виде плоской проводящей площадки и содержащий расположенные по его краю согласующие элементы,

земляной электрод, выполненный в виде плоской проводящей площадки и расположенный параллельно сигнальному электроду,

слой диэлектрика между сигнальным электродом и земляным электродом,

сетку из фотопроводящих элементов, каждый из которых электрически соединен с сигнальным электродом и земляным электродом,

точку подвода сигнала возбуждения и

элементы нагрузки, электрически соединенные с согласующими элементами,

причем каждый фотопроводящий элемент имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой собственной электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока,

причем фотопроводящие элементы в сетке расположены таким образом, чтобы те фотопроводящие элементы, на которые управляющий световой поток подается в данный момент, формировали кривую, близкую к требуемому профилю отражения сигнала, подаваемого из точки подвода сигнала возбуждения,

причем расстояние между соседними фотопроводящими элементами составляет менее половины длины волны сигнала возбуждения,

причем по меньшей мере в одном из электродов выполнены отверстия для подведения управляющих световых потоков к фотопроводящим элементам или для установки проводящих элементов, соединяющих фотопроводящий элемент с другим электродом.

2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

множество диэлектрических светопрозрачных разделителей, каждый из которых соединен с соответствующим фотопроводящим элементом, и

множество источников света, каждый из которых соединен с соответствующим разделителем так, чтобы излучаемый свет, проходя через разделитель, попадал на соответствующий фотопроводящий элемент.

3. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

множество оптических волноводов, каждый из которых соединен с соответствующим фотопроводящим элементом, и

множество источников света, каждый из которых соединен с соответствующим оптическим волноводом так, чтобы излучаемый свет, проходя через оптический волновод, попадал на соответствующий фотопроводящий элемент.

4. Устройство по п. 1, в котором сигнальный электрод выполнен в форме круга, многоугольника или сектора круга.

5. Устройство по п. 1, в котором согласующие элементы выполнены в виде зубцов, направленных узкой стороной наружу.

6. Устройство по п. 1, в котором элементом нагрузки является монопольный четвертьволновый излучатель,

причем устройство представляет собой антенну,

причем земляной электрод выступает за пределы сигнального электрода на расстояние, необходимое для работы излучателя.

7. Устройство по п. 1, в котором элементом нагрузки является линия передачи или высокочастотный разъем,

причем устройство представляет собой многополюсное устройство с управляемым фазовым распределением на его выходных портах.

8. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один фотопроводящий элемент соединен с сигнальным электродом через проводящую перемычку, которая соединена с сигнальным электродом, проходит через отверстие в упомянутом слое диэлектрика и земляном электроде и не контактирует с земляным электродом.

9. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один фотопроводящий элемент расположен в отверстии в упомянутом слое диэлектрика, имеет толщину, равную толщине упомянутого слоя диэлектрика, причем в земляном электроде выполнено отверстие для подачи управляющего светового потока на этот по меньшей мере один фотопроводящий элемент.

10. Устройство по п. 1, в котором сигнальный электрод, земляной электрод и слой диэлектрика между ними представляют собой соответственно сигнальное основание, общее основание и подложку планарной структуры.

11. Объемная антенна, содержащая по меньшей мере две обращенные друг к другу плоскими сторонами плоские антенны, выполненные в виде устройств по п.1, выполненная с возможностью сканирования в плоскости, перпендикулярной плоскости упомянутых плоских антенн, посредством подачи одного и того же сигнала с разным сдвигом фазы на разные плоские антенны, имеющие в заданный момент времени один и тот же профиль отражения.

12. Высокочастотное устройство приема/передачи сигналов, содержащее:

сигнальный электрод, выполненный в виде плоской проводящей площадки,

земляной электрод, выполненный в виде плоской проводящей площадки и расположенный параллельно сигнальному электроду,

слой диэлектрика между сигнальным электродом и земляным электродом, имеющий толщину не менее четверти длины волны сигнала, подлежащего приему/передаче,

сетку из фотопроводящих элементов, расположенных в отверстиях слоя диэлектрика,

множество участков оптических волноводов, каждый из которых соприкасается с соответствующим фотопроводящим элементом по всей толще слоя диэлектрика и предназначен для подачи на него управляющего светового потока, и

точку подвода сигнала возбуждения,

причем каждый фотопроводящий элемент электрически соединен с сигнальным электродом и земляным электродом, имеет толщину, равную толщине слоя диэлектрика, и имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой собственной электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока,

причем фотопроводящие элементы в сетке расположены таким образом, чтобы те фотопроводящие элементы, на которые управляющий световой поток подается в данный момент, формировали кривую, близкую к требуемому профилю отражения сигнала, подаваемого из точки подвода сигнала возбуждения,

причем расстояние между соседними фотопроводящими элементами составляет менее половины длины волны сигнала возбуждения,

причем по меньшей мере в одном из электродов выполнены отверстия для подведения оптических волноводов к фотопроводящим элементам.

13. Устройство по п. 12, дополнительно содержащее:

множество источников света, каждый из которых соединен с соответствующим участком оптического волновода так, чтобы излучаемый свет, проходя через оптический волновод, попадал на соответствующий фотопроводящий элемент.

14. Устройство по п. 12, в котором на участках оптических волноводов в месте контакта с ФЭ выполнены неоднородности и/или насечки.