Антенный преобразователь ИК-излучения

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Антенный преобразователь ИК-излучения, содержащий информационный канал матричной структуры, который содержит, по меньшей мере, две крайние строки низкочастотных и четыре внутренние строки высокочастотных антенн, выполненные в виде четырех или восьми равномерно по углу диаметрально расположенных плеч, два из которых электрически соединены с проводящими шинами, отличающийся тем, что в каждой четырех- или восьмиплечной антенне соответственно два или четыре плеча попарно электрически соединены, а соответствующие им диаметрально расположенные пары плеч электрически соединены через схемы суммирования электрических сигналов, которые выполнены в виде двух последовательно электрически включенных нелинейных элементов, точки соединения нелинейных элементов схем суммирования электрически соединены с 13802 1 2010.12.30 соответствующими парами электрически соединенных плеч, причем в четырехплечной антенне у диаметрально расположенной пары плечи являются выходами антенны, а в восьмиплечной антенне у диаметрально расположенных пар два крайних плеча являются выходами антенны, внутренние плечи электрически соединены между собой и заземлены,при этом соответствующие выходы низкочастотных и, отдельно, высокочастотных антенн в одном информационном канале матричной структуры ориентированы в одном пространственном направлении и параллельно электрически соединены между собой проводящими шинами под углом 90 к ним и являются соответственно низкочастотными и высокочастотными выходами устройства. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что нелинейные элементы выполнены в виде наноразмерных диодов. 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что нелинейные элементы выполнены в виде наноразмерных конденсаторов. Предлагаемое изобретение относится к области инфракрасной техники и может быть использовано при разработке многоканальных высокоэффективных и высокоинформативных ИК-датчиков, а также для прямого преобразования ИК-излучения окружающей среды, в том числе и инфракрасного диапазона солнечной радиации в электричество. Известно устройство 1, которое содержит расположенную на прозрачной подложке 2-плечную антенну, каждое плечо которой соединено с выпрямительным элементом, выполненным в виде структуры металл-изолятор- металл, над этой структурой расположен металлический экранный слой, образующий точки соединения по постоянному току для каждого плеча антенны. Данное устройство не обеспечивает эффективного преобразования электромагнитного излучения в электрический сигнал в разных частотных диапазонах, не позволяет получить информацию о поляризации входного излучения. Наиболее близким по технической сущности является устройство 2, которое включает множество ИК-сенсоров, каждый из которых связан с несколькими плечами одной из антенн, причем антенны выполнены из четырех или восьми равномерно по углу диаметрально расположенных плеч, соединенных по два или по четыре, предназначенных для приема ИК-излучения различной поляризации, при этом проводящие шины электрически связывают выполненные в виде диода ИК-сенсоры, вместе с соответствующими антеннами расположенные в шахматном порядке неперекрывающихся строк и столбцов матричной структуры, образуя информационный канал. Данное устройство имеет низкую эффективность преобразования электромагнитного излучения ИК-диапазона в электрический сигнал, так как в каждой антенне все плечи электрически соединены между собой параллельно по два или по четыре, что увеличивает выходную емкость каждой антенны. Более того, отсутствие информации на выходе устройства о поляризации входного ИК-излучения, снижает его информативность и ограничивает область применения. Техническая задача - повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения ИК-спектрального диапазона в электрический сигнал при одновременном увеличении информативности этого преобразования. Поставленная техническая задача решается тем, что в антенном преобразователе ИКизлучения, содержащем информационный канал матричной структуры, который содержит, по меньшей мере, две крайние строки низкочастотных и четыре внутренние строки высокочастотных антенн, выполненных в виде четырех или восьми равномерно по углу диаметрально расположенных плеч, два из которых электрически соединены с проводящими шинами, в каждой четырех- или восьмиплечной антенне соответственно два или 2 13802 1 2010.12.30 четыре плеча попарно электрически соединены, а соответствующие им диаметрально расположенные пары плеч электрически соединены через схемы суммирования электрических сигналов, которые выполнены из двух последовательно электрически включенных нелинейных элементов, точки соединения нелинейных элементов схем суммирования электрически соединены с соответствующими парами электрически соединенных плеч,причем в четырехплечной антенне у диаметрально расположенной пары плечи являются выходами антенны, а в восьмиплечной антенне у диаметрально расположенных пар два крайних плеча являются выходами антенны, внутренние плечи электрически соединены между собой и заземлены, при этом соответствующие выходы низкочастотных и, отдельно, высокочастотных антенн в одном информационном канале матричной структуры ориентированы в одном пространственном направлении и параллельно электрически соединены между собой проводящими шинами под углом 90 к ним и являются соответственно низкочастотными и высокочастотными выходами устройства. Для эффективного решения поставленной технической задачи нелинейные элементы выполнены в виде наноразмерных диодов. Для эффективного решения поставленной технической задачи нелинейные элементы выполнены в виде наноразмерных конденсаторов. Совокупность указанных признаков позволяет решить техническую задачу за счет уменьшения в два раза входной емкости схемы суммирования по сравнению с емкостью отдельного нелинейного элемента, уменьшения выходной емкости отделенных друг от друга плеч антенн, по сравнению с емкостью плеч, соединенных по 2 или по 4, что приводит к значительному увеличению амплитуд выходных сигналов и тем более их сумм. Информативность устройства увеличивается, так как на его выходы поступают раздельно электрические сигналы с выходов антенн, соответствующие ортогональным поляризациям входного ИК-излучения. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена схема расположения и соединения элементов заявляемого устройства, где 1 - информационный канал матричной структуры,2 - строки низкочастотных антенн,3 - строки высокочастотных антенн,4 - проводящие шины,5, 6 - выходы низкочастотных антенн,7, 8 - выходы высокочастотных антенн,9, 10 - низкочастотные выходы устройства,11, 12 - высокочастотные выходы устройства. Схема расположения элементов низкочастотных и высокочастотных антенн представлена на фиг. 2 - для восьмиплечной антенны, на фиг. 3 - для четырехплечной, где 13 - связанные, диаметрально расположенные, плечи антенн,14 - связанные плечи антенн,15 - нелинейные элементы,16 - схемы суммирования. Схема расположения и соединения элементов заявляемого устройства для случая последовательного сложения напряжений приведена на фиг. 4, где 17 - выходы суммарных напряжений низкочастотных антенн,18 - выходы суммарных напряжений высокочастотных антенн. В антенном преобразователе ИК-излучения в каждом информационном канале матричной структуры 1 в обеих строках низкочастотных антенн 2 выходы низкочастотных антенн 5, 6 (фиг. 1), ориентированные по направлениям , электрически параллельно соединены проводящими шинами 4 с низкочастотными выходами устройства 10, 9. Аналогично, во всех строках высокочастотных антенн 3 выходы высокочастотных антенн 7, 8,ориентированные по направлениям , электрически параллельно соединены проводя 3 13802 1 2010.12.30 щими шинами 4 с высокочастотными выходами устройства 12, 11. В этом случае указанные выходы 9 и 11, ориентированные по одному направлению, служат для вывода электрических сигналов, соответствующих ИК-излучению одной поляризации, а выходы 10,12 - ортогональной ей поляризации. При этом все связанные, диаметрально расположенные плечи антенн 13, электрически соединенные со схемами суммирования 16, заземлены(фиг. 2). В каждой 8-плечной антенне (фиг. 2) выходы низкочастотных антенн 5, 6 или выходы высокочастотных антенн 7, 8, электрически соединены через пары нелинейных элементов 15 схем суммирования 16 электрических сигналов с соответствующими связанными, диаметрально расположенными плечами антенн 13, которые являются внутренними. Точки соединения пар нелинейных элементов 15 электрически соединены с соответствующими связанными плечами антенн 14, которые расположены диаметрально по отношению к указанным выходам антенн. Эти выходы антенн электрически подключены к проводящим шинам 4, которые в местах соединения расположены под углом 90 к продольной оси выходов антенн. Аналогично 8-плечной антенне, изображенной на фиг. 2, в каждой 4-плечной антенне(фиг. 3) выходы низкочастотных антенн 5, 6 или выходы высокочастотных антенн 7, 8 электрически соединены через два нелинейных элемента 15 схемы суммирования 16 электрических сигналов. Точка соединения пары нелинейных элементов 15 схемы суммирования 16 электрически соединена с парой связанных плеч антенны 14, которые расположены диаметрально по отношению к указанным выходам антенны. Выходы низкочастотных и высокочастотных 4-плечных антенн электрически соединены аналогично 8-плечным антеннам. Выходами суммарных напряжений низкочастотных антенн 17 устройства являются выходы низкочастотных антенн 5, 6, электрически последовательно соединенные в одном информационном канале матричной структуры 1 проводящими шинами 4 со всеми аналогичными выходами низкочастотных антенн. Выходами суммарных напряжений высокочастотных антенн 18 устройства являются выходы высокочастотных антенн 7, 8,электрически соединенные в одном информационном канале матричной структуры 1 проводящими шинами 4 последовательно со всеми аналогичными выходами высокочастотных антенн. В случае суммирования напряжений все связанные, диаметрально расположенные плечи антенн 13, электрически соединенные со схемами суммирования 16, не заземляются. В конкретном исполнении выходы низкочастотных антенн 5 и 6, выходы высокочастотных антенн 7 и 8 и связанные, диаметрально расположенные, плечи антенн 13 выполнены из никеля, а связанные плечи антенн 14 - из вольфрама, т.е. из металлов с разной работой выхода электронов (фиг. 2 и 3). Размеры плеч высокочастотных антенн составляют длина - 26 мкм, ширина 0,30,8 мкм, толщина 0,150,3 мкм. Размеры плеч низкочастотных антенн составляют длина - 715 мкм, ширина 0,92 мкм, толщина 0,250,5 мкм. Нелинейные элементы 15 схем суммирования 16 электрических сигналов выполнены в виде наноразмерных структур, например никель - окись никеля -вольфрам, в результате контролируемого травления контактов -. Частотные свойства такой диодной структуры с наноразмерной площадью металлических элементов позволяют детектировать ИКизлучение 3. Проводящие шины 4, соединяющие строки высокочастотных антенн 3, выполнены в виде никелевых полосок шириной 0,30,4 мкм, а соединяющие строки низкочастотных антенн 2 - шириной 0,51 мкм соответственно. Проводящие шины 4 вместе со всеми плечами антенн выполняются на подложках из высокоомного кремния, поэтому входное ИК-излучение на все антенны информационного канала матричной структуры 1 может направляться с обеих сторон подложки. Количество антенн в строках информационного канала матричной структуры определяется требуемым разрешением, а также номинальным значением амплитуд выходных сигналов. 13802 1 2010.12.30 Работает устройство следующим образом. ИК-излучение широкого спектрального диапазона и круговой поляризации (как от предметов окружающей среды, так и от солнечной радиации) падает перпендикулярно плоскости расположения всех плеч 8-плечных антенн в информационном канале матричной структуры 1, фиг. 1. Части этого ИКизлучения, направления векторов напряженности электрических полей которых совпадают с продольными осями отдельных плеч антенн, а длина волныимеет значение, близкое к 2, где- сумма длин пар связанных плеч антенн 14 и связанных, диаметрально расположенных, плеч антенн 13, возбуждают в указанных парах плеч (точно так, как в электрических колебательных контурах) вынужденные электрические колебания. Частота этих колебаний соответствует собственной частоте антенны, т.е. находится в терагерцовом диапазоне. Возбужденные высокочастотные электрические колебания детектируются нелинейными элементами 15 (пропускающими ток только в одном направлении), соединяющими соответствующие плечи антенн. Так как в каждой схеме суммирования 16 электрических сигналов нелинейные элементы 15 включены встречно, то продетектированные ими электрические напряжения складываются. В результате на нелинейных элементах 15 одной схемы суммирования 16 электрических сигналов имеем электрическое напряжение,соответствующее части ИК-излучения, векторы напряженности электрических полей которых поляризованы вдоль оси , а другой - вдоль оси . Для преобразования входного ИК-излучения в электрический ток связанные, диаметрально расположенные плечи антенн 13 заземляются, а выходы антенн 5, 6, 7, 8 соединяются проводящими шинами 4 параллельно, фиг. 1. При параллельном соединении схем суммирования 16, расположенных в строках низкочастотных антенн 2, их выходные токи суммируются и поступают на низкочастотные выходы устройства 9, 10. Электрические токи, которые соответствуют части ИК-излучения, поляризованного вдоль оси(фиг. 2), через выходы низкочастотных антенн 5 и выходы высокочастотных антенн 7, проводящие шины 4 суммируются в одном информационном канале матричной структуры 1 на выходах устройства соответственно 12 - от высокочастотных антенн и 10 - от низкочастотных антенн. Электрические токи,которые соответствуют части ИК-излучения, поляризованного вдоль оси , через выходы низкочастотных антенн 6, выходы высокочастотных антенн 8 и проводящие шины 4 также суммируются в одном информационном канале матричной структуры 1 на соответственно низкочастотных выходах устройства 9 и высокочастотных выходах устройства 11. При последовательном соединении обеих схем суммирования 16 электрических сигналов осуществляется сложение их электрических напряжений. В этом случае, фиг. 4 последовательно соединяются все схемы суммирования 16, расположенные в строках низкочастотных антенн 2, их выходные напряжения суммируются и поступают на выходы суммарных напряжений низкочастотных антенн 17. Аналогично соединяются все схемы суммирования 16, расположенные в строках высокочастотных антенн 3, их выходные напряжения суммируются и поступают на выходы суммарных напряжений высокочастотных антенн 18, при этом связанные, диаметрально расположенные плечи антенн 13 не заземляются, фиг. 2. Аналогичным образом, т.е. как половина 8-плечной антенны, работает 4-плечная антенна, фиг. 3. С помощью 8-плечных антенн более эффективно преобразуется инфракрасное излучение, так как осуществляется прием векторов напряженностей электрических полей, поляризованных под четырьмя углами, например 0 9045 -45. Поэтому в схемах суммирования 8-плечной антенны складываются электрические сигналы, соответствующие ИК-излучению с направлениями поляризации, отличающимися на 45. При параллельном суммировании токов в одном информационном канале матричной структуры 1, фиг. 1, на четырех выходах устройства имеется информация об интенсивности ИКизлучения по двум ортогональным направлениям поляризации в каждом из двух частотных диапазонов. В случае суммирования напряжений, фиг. 4, на выходах устройства име 5 13802 1 2010.12.30 ется информация об интенсивности ИК-излучения, просуммированного по четырем направлениям поляризации в двух частотных диапазонах. Источники информации 1. Патент США 7091918 В 1. 2. Патент США 7095027. 3. Денисов В.И. и др. Приборы и техника эксперимента.- 2007.-4.- С. 96-102. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6