- Описание проекта.
– Суть проекта (краткое описание, цель проекта, задачи):
Целью проекта является создание сверхширокополосных малогабаритных антенн за счет использования отрицательных емкостных или индуктивных элементов в согласующей цепи антенны, отрицательная индуктивность или отрицательная емкость реализуются с помощью активной цепи преобразователя импедансов. В отличие от традиционных подходов согласования, которые обеспечивают работу антенн в узкой полосе частот, применение отрицательного элемента позволяет компенсировать реактивное сопротивление антенны в широкой полосе частот и тем самым позволяет добиться сверхширокополосного согласования антенн, что обеспечит возможность создания сверхбыстродействующих систем беспроводной передачи больших объемов данных.
Количество данных в мире неуклонно растет. Особенно значительный рост мирового объема данных заметен в последнее десятилетие из-за растущих возможностей хранения и обработки информации средствами цифрового мира.
В свою очередь беспроводной способ передачи данных, в силу множества своих плюсов, всегда будет актуальным способом обмена данными. Беспроводной способ передачи данных осуществляется с помощью радиоэлектронных устройств, прогресс которых непрерывно связан с целью увеличения скорости передачи данных. Ярким примером является прогресс современных стандартов беспроводной связи.
Однако на данный момент увеличение скорости беспроводной передачи данных в основном связан с улучшением программной обработки данных. В то время как аппаратная часть радиоэлектронного устройства, которая напрямую отвечает за прием данных с эфира (воздушное пространство) и передачу их обратно, разрабатывается на основе принципов, известных со времен создания радиоэлектронных устройств.
Ключевым элементом устройства беспроводной передачи данных является антенна. В настоящее время согласование антенн производится традиционным способом, который предоставляет возможность работы антенны в очень узкой полосе частот, что значительно ограничивает скорость передачи данных.
Согласование антенн с помощью отрицательных емкостных или отрицательных индуктивных элементов является принципиально новым подходом и позволит увеличить ширину рабочей полосы антенн в десятки раз с увеличением скорости беспроводной передачи данных на порядки.
Отрицательная индуктивность или отрицательная емкость реализуются с помощью активной цепи преобразователя импедансов (ПИ). Применение отрицательного элемента для согласования антенн позволяет компенсировать реактивное сопротивление антенны в широкой полосе частот и тем самым позволяет добиться сверхширокополосного согласования антенн, что обеспечит возможность создания сверхбыстродействующих систем беспроводной передачи больших объемов данных.
В данной работе разработка отрицательного емкостного или отрицательного индуктивного элемента, в отличие от мировой практики, осуществляется поэтапной разработкой ПИ. Схема ПИ разбивается на отдельные четырехполюсники (ЧП).
На рисунке 1 представлен способ декомпозиции наиболее известной схемы ПИ, схемы конвертора отрицательного импеданса Линвилла, которая представляет собой соединение двух активных и пассивного ЧП.
(а) (b)
Рис.1. Упрощенная схема Линвилла (а) и ее декомпозиция (b)
Учитывая особенность подключения ЧП, может быть аналитически определено входное значение отрицательного элемента:
где Z in и Z out представляют собой входное и выходное сопротивления активного ЧП, K I 2/ I 1 — усиление по току, K U 1/ U 2 — обратное усиление по напряжению, Z load — конвертируемая в отрицательные значения нагрузка.
Данный подход однозначно описывает физическую сторону работы ПИ, также позволяет строго определить выражения аналитических соотношений отрицательности от параметров составных активных и пассивных ЧП без сложных выражений. Предлагаемый подход позволяет значительно уменьшить время разработки отрицательных элементов, уменьшить вероятность выхода неработоспособного устройства, уменьшить разброс значения отрицательного элемента. Подход декомпозиции позволяет регламентировать параметры для каждого узла, при соблюдении которых возможна реализация отрицательного элемента, подход позволяет обозначить коэффициенты усиления по току и напряжению для активных узлов, что предоставляет возможность поэтапной проверки параметров каждого активного узла по отдельности и облегчает идентификацию неисправностей в случае их возникновения.
В свою очередь, определение необходимых параметров для активных узлов предоставляет возможность замены активного усилительного устройства на усилительные устройства другого типа и вида соответствующих параметров.
Дополнительным преимуществом предлагаемого подхода является упрощение процесса определения передаточной характеристики согласующей цепи, что позволяет аналитически определить зависимость расположения нулей характеристического уравнения от параметров элементов схемы. Тем самым могут быт определены возможные нагрузки для схемы ПИ и значения необходимых дополнительно вводимых элементов в схему ПИ для устойчивого функционирования всей системы.
На рисунке 2 представлены результаты согласования индуктивной рамочной антенны и емкостной антенны типа монополь на основе отрицательных элементов.
а)б)
Рис. 2. Широкополосная рамочная антенна (а) и широкополосная антенна типа монополь (б)
Наилучший результат достигнут при согласовании антенны типа монополь — ширина полосы согласования антенны составляет 65 %, в то время как при традиционном подходе согласования подобных антенн ширина рабочей полосы не превышает 1,5 %.
В настоящее время ведется работа по разработке отрицательных элементов на сверхвысоких частотах для создания сверхширокополосных согласующих цепей для антенн в диапазоне СВЧ. Теоретические расчеты в сравнении с результатами моделирования в программном пакете Cadence AWR Microwave Design Environment представлены на рисунке 3. Применялась SPICE модель транзистора BFR843EL3 компании Infineon.
Продемонстрирована эффективность метода разработка отрицательных элементов. Данный метод качественно отражает физическую сторону работы схем ПИ и может являться дополнением к «слепым» численным методам расчета.
Создание отрицательных элементов в СВЧ диапазоне позволит разработать сверхширокополосные антенны для СВЧ применений, что может являться основой для разработки сверхбыстродействующих систем передачи данных.
a)
b)
d)
f)
Рис. 3. Схема ПИ с цепями смещения (R1=500 Ом, U1=10 В) (a), частотная зависимость входного импеданса и значений отрицательных емкостей при разных емкостных нагрузках 10 pF (b)-(c); 5 pF (d)-(e); 1 pF (f)-(g)
