Лазерная плазменная антенна Российский патент 2021 года по МПК H01Q1/38 H01Q15/06 

Область техники

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для излучения и приема электромагнитного излучения в радио- и СВЧ диапазоне.

Уровень техники

Известна лазерная антенна (аналог), в которой излучающим элементом является ионизированный столб воздуха, создаваемый лазерным лучом и аналогичный излучающему металлическому стержню. Лазерная антенна состоит из лазера, который предназначен для создания лазерного луча, фокусирующего устройства и цепи для соединения источника сигналов с основанием ионизированного столба воздуха (Патент США, №3404403, 343-700,1968 г.).

Недостатком аналога является высокий уровень энергетических затрат на образование и поддержание плазменного канала высокой проводимости в воздухе, низкая функциональность устройства, обусловленная известными трудностями получения плазменных каналов с высокой проводимостью в атмосферном воздухе, а также невозможностью оперативной регулировки сопротивления этого плазменного образования.

Известна плазменная приемо-передающая антенна (аналог), в которой излучающим элементом является газоразрядная плазма, создаваемая плазменным генератором. Плазменная приемо-передающая антенна состоит из плазменного генератора с электродной системой, который предназначен для создания плазменных образований, системы управления, развязки и переключения информационных сигналов, системы питания (Патент РФ, №2255394, H01Q 1/00, 2005 г.).

Недостатком аналога является высокий уровень энергетических затрат на создание плазменного образования, низкая функциональность устройства, обусловленная известными трудностями получения плазменных образований со стабильными свойствами, а также необходимостью использования высоковольтных систем питания, что ухудшает электромагнитную совместимость такого устройства.

Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототип) известна плазменная антенна, представляющая собой излучающий элемент в виде плазменного образования, которое размещено внутри диэлектрической трубки, содержащей плазмообразующий газ при пониженном давлении. (Патент РФ №2014106756, H01Q 13/00, 2015).

Недостатком прототипа является высокий уровень энергетических затрат на создание и поддержание газоразрядной плазмы, невозможность значительного повышения концентрация плазмы в условиях пониженного давления газа, низкая общая функциональность устройства, которое содержит в своем составе газоразрядную трубку и высоковольтный блок питания для получения газоразрядной плазмы.

Сущность изобретения

Технической задачей данного изобретения является снижение массогабаритных параметров и энергопотребления антенного устройства, а также увеличение его функциональных характеристик за счет повышения надежности, конструкционной прочности устройства и возможности быстрого управления характеристиками антенны.

Технический результат достигается за счет того, что в плазменной антенне вместо газоразрядной плазмы используется полупроводниковая плазма, формируемая в специальной волноводной структуре с помощью лазерного или светодиодного источника излучения. Сопротивление антенны и концентрация полупроводниковой плазмы, формируемой в этом волноводе, регулируется за счет повышения мощности светового источника и может быть снижено на несколько порядков, а при выключении источника света снова перейдет в слабо проводящее состояние (1 кОм и выше). Для оценки концентрация плазмы, n_n, создаваемой световьм источником в полупроводниковой структуре, можно пользоваться следующей формулой:

n_n=N/V=P*k_g*t₁/(V*E_g);

здесь N - число неравновесных носителей в полупроводнике, создаваемых за счет внутреннего фотоэффекта при облучении полупроводника с шириной запрещенной зоны E_g; V - объем полупроводника в волноводной структуре; Р - мощность лазерного (светодиодного) источника света (считаем, что вся энергия поглощается в полупроводниковой структуре); k_g - эффективность генерации электронно-дырочной пары при облучении лазерным или светодиодным источником света; t₁ - характерное время жизни неравновесных носителей в полупроводнике. За счет выбора источника света, типа полупроводника и геометрии полупроводниковой структуры, концентрацию электронов в плазме можно варьировать в диапазоне n=10¹⁰-10¹⁸ см^-3. Поскольку, характерная энергия ширины запрещенной зоны для большинства полупроводников составляет E_g~l эВ, то для наиболее распространенных и дешевых диодных лазеров с λ=975 нм, эффективность образования электронно-дырочной пары более чем на порядок выше (k_g~0.8), чем эффективность образования электрон-ионных пар в газоразрядной плазме, т.к. там значительная доля энергии идет на возбуждение колебательных и электронных состояний молекул газа (в случае инертных газов и паров металла - на возбуждение электронных уровней атомов). Современные диодные и волоконные лазеры в области 800-1000 нм, надежны, компактны, имеют высокую мощность и эффективность (50% и выше). Для этих длин волны доступны световоды, в том числе и полые с низкими потерями и низкой стоимостью.

Перечень фигур

Сущность изобретения поясняется фигурами: фиг. 1 и фиг. 2, на которых показаны общая схема плазменной антенны и схематично - пример сечения волноводной полупроводниковой структуры, в которой формируется плазма при облучении от источника света, излучение которого доставляется к полупроводниковой структуре по кварцевом волокну.

На фиг. 1 обозначено: 1 - волноводная полупроводниковая структура, 2 - металлический проводник (шина), через который обеспечивается омический контакт с полупроводником, 3 - диэлектрическая пластина (плата), на которой крепятся полупроводниковые структуры, 4 - источник света с оптическим распределительным устройством; 5 - волоконно-оптические каналы, по которым излучение вводится в полупроводниковые волноводные структуры.

На фиг. 2 обозначено: 6 - схематически показано лазерное (светодиодное) излучение, распространяющее по световоду; 7 - кварцевое волокно (либо полость, когда применяется кварцевый капилляр), по которому распространяется излучение; 8 - диэлектрическая защитная оболочка кварцевого волокна; 2 - металлический проводник, через который осуществляется омический контакт с полупроводником; 9 - полупроводниковое покрытие снаружи кварцевого волокна (либо внутренняя поверхность кварцевого капилляра), в котором возникает полупроводниковая плазма при попадании светового излучения; 10 - схематически показано, что поверхность волокна, на котором находится полупроводниковое покрытии специальным образом модифицирована, чтобы обеспечить диффузное рассеяние светового излучения.

Осуществление изобретения

Устройство состоит из системы волноводных полупроводниковых структур 1, закрепленных на радиопрозрачной поверхности 3. Каждая полупроводниковая структура 9 имеет электрический контакт с металлической шиной 2, к которой осуществляется подключение приемо-передающей аппаратуры, и кроме того соединена волоконно-оптическим каналом 5 с источником излучения 4, которым является лазерный диод или светодиод.

Устройство работает следующим образом: при попадании светового излучения 6 на часть волокна 7 (полой волноводной структуры), покрытого полупроводником 9, и поглощении излучения в нем, область 9 становится проводящей и может служить приемопередающей антенной. На плате 3 (см. фиг. 1) может быть размещено большое количество световодов, покрытых полупроводником (как показано на фиг. 2) при характерных диаметрах 200-300 мкм и разной длины (от 1 см до нескольких метров) кварцевого волокна, в зависимости от частоты передатчика всегда можно выбрать структуру оптимальной длины, на которую и будет транспортироваться излучение от лазерного или светодиодного источника, с целью оптимизации рабочего пространства, световоды и полые структуры могут быть расположены не на плоскости, а на радиопрозрачной цилиндрической поверхности, при этом источник излучения и другая аппаратура будет размещаться внутри диэлектрического цилиндра. Проводимость плазменной оболочки, возникающей в полупроводниковом покрытии волноводной структуры, будет однозначно задаваться мощностью источника света, поглощенной в полупроводнике 9. Пусть длина части кварцевого световода, покрытой полупроводником (например, Si) составляет 10 см, диаметр кварцевого волокна 200 мкм, а толщина полупроводникового покрытия 20 мкм. Тогда с учетом характерного времени жизни неравновесных носителей t₁=100 мкс, для мощности лазерного диода с λ=980 нм Р=1 Вт, получим: N_e=(P⋅k_g⋅t₁/(V⋅E_g))≈4.5⋅10¹⁷ см^-3.

Таким образом, для волн радио и СВЧ диапазона плазма является закритической и волокно в полупроводниковой оболочке является аналогом металлической проволоки. Аналогичный результат будет получен и для полой волноводной структуры, покрытой полупроводником изнутри. Высокая проводимость соответствующей волноводной полупроводниковой структуры будет сохраняться только пока идет ее облучение, что позволяет подключать заданные антенны только на время приема или передачи радиосигнала. Для снижения омических потерь можно одновременно облучать несколько волноводных структур одинаковой длины. Рассмотрим структуру в виде цилиндрической полости с внутренним диаметром 240 мкм, тогда при толщине полупроводникового покрытия 20 мкм, она будет тождественна световоду с полупроводниковой оболочкой, рассмотренному выше. Переключение с одной излучающей структуры на другую осуществляется электронным образом без использования механического перемещения узлов антенны и не используются высоковольтные системы питания, что существенно увеличивает общую надежность и ресурс заявленного антенного устройства. Стоимость материалов (кварцевый световод или капилляр, полупроводниковое покрытие из германия) для изготовления световода и волноводной структуры соизмеримы со стоимостью материалов, необходимых для изготовления ВОЛС такой же длины и сечения, стоимость светодиодных источников мощностью 1 Вт на ближний ИК-диапазон неуклонно снижается при увеличении надежности и ресурса работы. В настоящее время лазеры ближнего ИК диапазона и ИК светодиоды широко представлены на рынке и доступны для массового потребителя. Мощные ИК светодиоды применяются для освещения растений в теплицах, в системах охраны и безопасности, используются для подсветки объектов при наблюдении через приборы ночного видения.

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для передачи и приема электромагнитных сигналов в широком диапазоне длин волн. Техническим результатом изобретения является улучшение параметров электромагнитной совместимости, упрощение конструкции и добавление новых функциональных возможностей. Технический результат достигается за счет того, что в лазерной плазменной антенне вместо газоразрядной плазмы используется полупроводниковая плазма, формируемая в специальной волноводной полупроводниковой структуре с помощью лазерного или светодиодного источника излучения, за счет регулировки мощности которого исходно высокое сопротивление полупроводниковой структуры может быть снижено на несколько порядков и наоборот, при выключении источника света перейдет в слабо проводящее состояние (кОм и выше), а за счет подключения источника света к волноводным структурам через оптическое распределительное устройство можно осуществлять переключение между волноводными полупроводниковыми антеннами с различной конфигурацией. 2 ил.

Лазерная плазменная антенна, включающая излучающий элемент в виде плазменного образования, формируемого в наборе твердотельных волноводных полупроводниковых структур, имеющих электрический контакт с приемо-передающим устройством электромагнитных сигналов, а также дополнительно связанных по волоконно-оптическим каналам через оптическое распределительное устройство с источником света, энергия кванта которого достаточна для создания фотоплазмы за счет внутреннего фотоэффекта в полупроводниковой структуре.