Конфигурируемая лазерная антенна Российский патент 2023 года по МПК H01Q1/38 

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 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 аналога 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.

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 предназначены 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.

Известна фотопроводящая антенна (патент DE 102006010297 В3, опубликованный 19.07.2007), снабженная лазерным элементом «Photoleitende Terahertz-Antenne zur Erzeugung oder zum Empfang hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung im Terahertz Bereich unter Verwendung kurzer Laserpulse»), в которой за счет облучения лазером полупроводниковых элементов достигалась перестройка частоты в определенном в достаточно узком интервале частот, соответствующем терагерцовому диапазону спектра.

Недостатком аналога является узкая спектральная область, на которую рассчитана антенна, фактически полупроводники облучаемые лазерным импульсом, широко применяются и в множестве других фотопроводящих лазерных антеннах для терагерцового диапазона частот, однако конструкции описанные в них не масштабируемы на диапазон частот ниже 100 МГц, как и следует из описания таких антенн, короткая длинна волны и высокие рабочие частоты определяют существенное влияние емкостных связей, а так же возможность фотоплазмы в полупроводнике использоваться в качестве антенны. При снижении рабочих частот ниже 100 МГц ил даже 10 ГГц конструкции, терагерцовых антенн становятся не работоспособными.

Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототип) известна лазерная плазменная антенна, представляющая собой излучающий элемент в виде полупроводниковой структуры. (Патент РФ №2742380, H01Q 1/38 (2020.08); H01Q 15/06 (2020.08)).

Недостатком прототипа является высокий уровень энергетических затрат на создание и поддержание полупроводниковой плазмы в протяженных структурах с габаритными размерами свыше 5 см, сложность изготовления полупроводниковых структур с необходимыми электрическими свойствами, линейные размеры которых превышают 5-10 см, а также высокая цена и трудности поддержания равномерной плотности энерговыделения в протяженных полупроводниковых структурах.

Сущность изобретения

Технической задачей данного изобретения является снижение энергопотребления и стоимости антенного устройства, повышение устойчивости к воздействию сильных электромагнитных помех, а также увеличении его функциональных характеристик за счет повышения надежности, конструкционной прочности устройства и возможности быстрого управления характеристиками антенны.

Технический результат достигается за счет того, что в конфигурируемой антенне вместо подсветки световым излучением протяженных полупроводниковых структур и поддержания там полупроводниковой плазмы высокой концентрации, основной контур антенны формируется металлическими элементами подключаемые друг к другу последовательно через полупроводниковые структуры, которые без внешней засветки имеют сопротивление выше 10 кОм. Сопротивление контура антенны, включающего металлические проводники и полупроводниковые структуры, регулируется за счет повышения мощности светового источника, и может быть снижено в одном или обоих направлениях на несколько порядков, а при выключении лазера снова перейдет в слабо проводящее состояние (10 кОм и выше). В качестве полупроводниковых структур могут быть использованы, как фоторезисторные, так и фотодиодные структуры, которые могут обеспечить выборочное снижение сопротивления при положительной или отрицательной полярности импульса напряжения (тока). Поскольку увеличение проводимости в полупроводнике за счет внутреннего фотоэффекта является, фактически, безынерционным процессом, а времена рекомбинации фотоплазмы в полупроводниковой структуре можно легко сделать меньше 1 мс, то этим достигается высокое быстродействие переключений антенны с одного диапазона на другой, так как это определяется лазерным элементом, быстродействие которых на современном уровне развития техники достаточно для применений в конфигурируемой антенне. За счет изменения интенсивности засветки полупроводниковых структур можно в широком пределе изменять, как общее сопротивление контура, включающего эти элементы, так и фазовую задержку (за счет изменения емкостной и реактивной составляющей общего сопротивления). Поскольку в контуре конфигурируемой антенны используются сосредоточенные элементы, то значительно упрощается процедура доставки светового излучения в полупроводниковую структуру и преобразование световой энергии для создания неравновесных носителей. В качестве полупроводниковых элементов, могут использоваться серийно выпускаемые фотосопротивления или фотодиоды, а в качестве лазерного источника могут применяться дешевые эффективные лазерные диоды.

Перечень фигур

Сущность изобретения поясняется фигурами: фиг. 1 и фиг. 2, на которых показаны общая схема конфигурируемой лазерной антенны и схематично - пример выполнения полупроводниковой структуры, используемой для соединения с проводящим контуром из металла.

На фиг. 1 обозначено: 1 - полупроводниковая структура, 2 - металлический проводник, задающий контур антенны, 3 - диэлектрическая поверхность на которой формируется конфигурируемая лазерная антенна, 4 - лазерный источник с оптическим распределительным устройством, 5 - радиоприемное или радиопередающее устройство.

На фиг. 2 обозначено: 6 - схематически показаны металлические контакты для подключения к проводникам, задающим основной контур антенны, 7 - два встречно направленных фотодиода, 8 - полупроводниковый элемент, имеющий свойства фотосопротивления, проводимость которого растет с увеличением интенсивности лазерного облучения.

Осуществление изобретения

Устройство состоит из системы проводников подсоединяемых друг к другу через полупроводниковые элементы, все проводники и полупроводниковые элементы жестко закреплены на радиопрозрачной поверхности 3. Каждый полупроводниковый элемента 1 имеет электрический контакт, с каким-либо металлическим проводником 2, при этом подключение приемо-передающей аппаратуры осуществляется через полупроводниковый элемент, что позволяет осуществлять согласование антенны с радиопередающим трактом, а также позволяет защитить усилительные каскады тракта от электромагнитных наводок, улавливаемых антенной в период времени, когда не осуществляется передача полезного сигнала. Доставка лазерного излучения к полупроводниковому элементу может осуществляться по оптическому волокну или напрямую в свободном пространстве от лазерного распределительного устройства.

Устройство работает следующим образом: по управляющему сигналу, приходящему на лазерное распределительное устройство, формируются лазерные импульсы, которые доставляются к полупроводниковым структурам, снижая их активное сопротивление на несколько порядков, тем самым формируется проводящий контур, который задает антенну, как проводящий контур с наименьшим сопротивлением. Геометрия этого проводящего контура может оперативно изменяться за счет селективного облучения полупроводниковых структур, находящихся в ключевых узлах. На диэлектрической радиопрозрачной поверхности 3 (на фиг. 1 диэлектрическая поверхность это плоскость рисунка) может быть размещено много проводников, подключаемых друг к другу через полупроводниковые элементы (как показано на фиг. 1) Для оптимизации рабочего пространства и возможности оптического управления диаграммой направленности конфигурируемой лазерной антенны в широком диапазоне углов, сетка проводников с полупроводниковыми структурами в основных узлах может быть расположена не на плоскости, а на радиопрозрачной сферической или цилиндрической поверхности, при этом источник излучения и другая аппаратура будет размещаться внутри диэлектрической сферы или цилиндра. Геометрия антенны будет однозначно задаваться контуром с минимальной проводимостью, формируемым лазерным источником света, облучающим необходимые полупроводниковые элементы. На фиг. 1 закрашенными кружочками показано, какие элементы нужно подсвечивать, чтобы сделать активным контур антенны, по периметру которого эти элементы расположены. Переключение с одной антенной геометрии 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 (металлические проводники, полупроводниковые фотодиоды и фотосопротивления) мала, а технология их изготовления отработана. В настоящее время диодные лазеры, пригодные для эффективного управления проводимостью полупроводниковых элементов широко представлены на рынке и доступны для массового потребителя.

Изобретение относится к антенной технике и служит для передачи и приема электромагнитных сигналов в широком диапазоне длин волн, в том числе для длин волн, превышающих 10 см. Техническим результатом является повышение надежности, улучшение параметров электромагнитной совместимости, возможность быстрого управления приемо-передающими характеристиками антенного устройства, упрощение конструкции и добавление возможности оптического управления параметрами антенны. Результат достигается тем, что в конфигурируемой лазерной антенне создание оптимальной антенной структуры для приема и передачи радиосигналов необходимого спектрального диапазона и направленности осуществляется с помощью подсветки лазерным источником излучения полупроводниковых элементов, соединяющих систему проводников, закрепленных на диэлектрической поверхности, сопротивление полупроводниковых элементов в одном или обоих направлениях тока при лазерном облучении снижается более чем на порядок, что позволяет формировать требуемый контур антенны, а регулируя интенсивность засветки полупроводниковых элементов, можно осуществлять переключение между контурами антенн с различной конфигурацией. 2 ил.

Конфигурируемая лазерная антенна, снабженная лазерным элементом, отличающаяся тем, что излучающий элемент выполнен в виде замкнутого или незамкнутого проводящего контура, формируемого на диэлектрической поверхности, на которой нанесена структура проводников, соединенных последовательно с полупроводниковыми элементами, сопротивление которых в одном или обоих направлениях тока снижается более чем на порядок, при воздействии лазерного источника света, при этом лазерный элемент выполнен с возможностью селективного облучения полупроводниковых элементов, находящихся в ключевых узлах проводящего контура антенны, а излучающий элемент выполнен с возможностью выбора рамочного контура антенны, определяемого проводниками, соединенными с облученными полупроводниковыми элементами, причем площадь внутри рамочного контура превышает 1 квадратный сантиметр.