Сотрудники кафедры физики и лаборатории «Физические основы телекоммуникаций» (ФОТ) СибГУТИ – к.ф-м.н., проф. завкафедрой, зав. лаб. А.Г. Черевко и инженер лаб. ФОТ Ю.В. Моргачев, МГТУ – д.ф.-м.н. Е.М. Ильин, к.т.н. А.И. Полубехин – в своей статье, опубликованной в «Вестнике СибГУТИ» №3 2016 г., оценили перспективы технологий антенных модулей (АМ) исходя из критериев Джонсона. Представлен результат моделирования терагерцовой антенны в программе CST MWS, оптимальной с точки зрения авторов. Проведено сравнение параметров модели с экспериментом.
Актуальность работы определяется тем, что в настоящее время ТГц-излучение находит применение в системах безопасности для сканирования багажа и людей, в медицинскую практику начинают внедряться ТГц-томографы; методы, использующие ТГц-излучение, разрабатываются для искусствоведения, для таможенного контроля продукции в пластмассовой упаковке. Исследуются возможности применения камер ТГц-диапазона в устройствах для круиз-контроля и помощи водителю в вождении автомобиля, а также для бескабельной связи между отдельными блоками устройств. Существенная часть излучения астрофизических объектов лежит в ТГц-диапазоне, поэтому исследования в этой области спектра очень важны для астрофизики.
В своей статье авторы определили оптимальную программу для моделирования, представили результат моделирования терагерцовой антенны и провели сравнение параметров модели с экспериментом.
В статье отмечено: «Учитывая интенсивное развитие технологий для ТГц-диапазона, целесообразно на основе критериев Джонсона и многокомпонентности провести анализ перспективности соответствующих технологий и их пригодности для создания антенных решеток, ФАР и АФАР. Для работы в ТГц-диапазоне наибольший интерес представляет создание СВЧ-приборов, имеющих высокие предельные частоты и высокое напряжение лавинного пробоя – (F0∙Vm), т.е. приборов с высоким критерием качества Джонсона (JF0M), что позволяет получить большую выходную мощность в ТГц-диапазоне, которая падает с частотой. Кроме того, важным является критерий многоэлементности, что позволит создавать ФАР и АФАР с требуемыми параметрами. Машинное моделирование позволяет снизить затраты на создание антенных систем. Эффективность такого моделирования определяется выбором оптимальной программы моделирования, а ее эффективность – сравнением с экспериментом».
В заключение исследования авторы пришли к следующему выводу: при создании антенных модулей используются различные современные полупроводниковые технологии, но согласно критерию качества Джонсона особый интерес представляют GaN FET, SiC MESFET и InP HBT технологии. Весьма перспективными являются АМ на основе болометрических фотоприемников. Неохлаждаемые АМ такого типа могут содержать порядка 100 тысяч элементов с петлевыми антеннами. Наиболее предпочтительным и освоенным материалом для изготовления микроантенн является золото. К перспективным материалам относятся наноматериалы, такие, как графен и графеновые нанотрубки. На их базе уже создаются антенные решетки с удовлетворительными характеристиками. В области локации из-за высокого поглощения ТГц-излучения парами воды ТГц-приемники могут быть использованы только в верхних слоях атмосферы (более 5 км), где концентрация паров воды уже минимальна. Мощность, эквивалентная шуму (МЭШ), для неохлаждаемых приемников может достигать значения 10 -12 Вт/Гц 0.5 , более низкошумящими являются охлаждаемые ТГц-приемники. Например, приемники на базе микроболометров, работающих вблизи сверхпроводящего перехода в классических сверхпроводниках, могут обеспечить МЭШ порядка 10 -19 Вт/Гц 0.5 . Однако это требует использования сверхнизких температур. Поэтому достаточно проблематичным является их использование в бортовой аппаратуре. Перспективными являются болометры, работающие вблизи перехода в высокотемпературных сверхпроводниках. Как показывает анализ, технология создания терагерцовых антенных модулей развивается в основном за рубежом. Однако в России разработана технология создания матричных фотонных приемников, работающих при 4.2 К на базе структур PbSnTe:In. В инфракрасном диапазоне их МЭШ ~ 10 -18 Вт/Гц 0.5 . Проводимые исследования показывают, что близкие шумовые характеристики могут сохраниться и в ТГц-диапазоне. Такие приемники могут стать основой антенных модулей ТГц-диапазона и использоваться как для бортовой локационной аппаратуры, так и для локационной аппаратуры космических аппаратов.