Отклоняющая система для управления плоской электромагнитной волной

Отклоняющая система для управления плоской электромагнитной волной

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области телекоммуникационных технологий, а более конкретно к устройствам для управления электромагнитными волнами, и может найти применение в радиолокационных и сходных с ними устройствах.

Устройства для управления направленными электромагнитными волнами, то есть лучами, как правило, конструируются на основе принципа фазированной антенной решетки. В теории антенн фазированной решеткой принято называть набор антенн, в котором величина относительного фазового сдвига в каждой антенне устанавливается таким образом, что диаграмма направленности всего набора антенн имеет максимум в требуемом направлении, а прием или излучение сигналов с нежелательных направлений подавляется. Типичная фазированная антенная решетка состоит из ряда излучателей и фазовращателей, обычно полупроводниковых, ферритовых или сегнетоэлектрических. В патенте США №4323901 [1] описаны устройство и принцип работы подобного устройства с радикально упрощенной конструкцией. Это устройство в своей основе имеет несколько пластин из сегнетоэлектрической керамики, покрытых проводящими пленками, через которые прикладывается управляющее напряжение. Отдельные участки сегнетоэлектрических слоев могут рассматриваться как фазовращатели, в которых величина фазового сдвига может изменяться при изменении диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического слоя, обусловленной управляющим напряжением, приложенным к проводящим пленкам. В дальнейшем на основе такого технического решения был запатентован ряд устройств, работающих по сходному принципу и имеющих аналогичную конструкцию (см., например, патент США №5309166 [2]).

Схема прототипа [1] представлена на Фиг.1. Устройство является фазированной решеткой для управления электромагнитными волнами, которая включает первый слой 16 активного (сегнетоэлектрического) материала с параллельными внутренней поверхностью 18 и наружной поверхностью 20, а также второй слой 22 активного (сегнетоэлектрического) материала с параллельными первому слою внутренней поверхностью 24 и наружной поверхностью 26, причем второй слой прилегает к первому. Электропроводящая заземленная поверхность 28, выполненная из оксида олова и индия, расположена между первым слоем 16 и вторым слоем 22 и имеет электрический контакт с первой внутренней поверхностью 18 и второй внутренней поверхностью 24. Первый ряд параллельно расположенных электродов 30, 32, 34, каждый из которых выполнен в виде тонкой полоски из оксида олова и индия, помещен на первой наружной поверхности 20, второй ряд параллельно расположенных электродов 36, 38, 40, каждый из которых также выполнен в виде тонкой полоски из оксида олова и индия расположен аналогично на второй наружной поверхности 26, но при этом перпендикулярно первому ряду электродов. Первое антиотражательное (согласующее) покрытие 42 помещено на первую наружную поверхность 20, второе антиотражательное (согласующее) покрытие 44 помещается на наружной поверхности 26.

Прототип [1] и основанные на том же принципе аналоги имеют следующие недостатки:

- высокий уровень управляющего напряжения;

- большие вносимые потери.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке усовершенствованной конструкции отклоняющей системы, обеспечивающей снижение величины управляющего напряжения и вносимых электромагнитных потерь.

Технический результат достигается за счет разработки отклоняющей системы для управления электромагнитной плоской волной на основе микроволновой периодической структуры, при этом отклоняющая система состоит из n слоев сегнетоэлектрического материала с размещенными по обеим сторонам каждого слоя электродами, разделенными между собой n+1 слоями линейного диэлектрического материала, где n>1 положительное целое число, причем отклоняющая система выполнена с возможностью подачи управляющего напряжения к электродам с формированием градиента электрического поля в сегнетоэлектрической пластине в направлении, перпендикулярном к направлению распространения плоской волны.

Иными словами, заявляемое изобретение, так же как и прототип [1], основано на использовании сегнетоэлектрических материалов, однако принцип его работы основан на эффекте распространения медленных волн в периодической структуре.

Для лучшего понимания существа заявляемого изобретения далее приводится его детальное описание с привлечением графических материалов.

Фиг.1 Прототип (патент США №4323901).

Фиг.2 Отклоняющая система, основанная на периодической сегнетоэлектрической структуре с согласующими слоями.

Фиг.3 Отклоняющая система, основанная на периодической сегнетоэлектрической структуре с воздушными зазорами.

Один из реализованных вариантов заявляемой системы представлен на Фиг.2. Основная функция системы - отклонение падающей плоской электромагнитной волны, сформированной вне предлагаемой системы. Предлагаемая конструкция состоит из согласующих слоев (201 и 202) и ряда сегнетоэлектрических слоев (203, 204, 205), разделенных слоями линейного диэлектрического материала (206, 207). При определенных параметрах линейных и сегнетоэлектрических слоев (диэлектрическая проницаемость и электрическая длина) такая конструкция имеет свойства микроволновой периодической структуры: наличие так называемых «медленных волн» (фазовая скорость в периодической структуре медленнее, чем в регулярной линии), полосно-пропускающие и полосно-запирающие частотные характеристики. При этом фазовая скорость сигналов (для частот, соответствующих полосно-пропускающей частотной характеристике структуры), распространяющихся в предлагаемой системе, зависит от разности характеристических импедансов соседних слоев (сегнетоэлектрических и линейных диэлектрических). Волновое сопротивление сегнетоэлектрического слоя, определяемое диэлектрической постоянной, может изменяться под действием приложенного электрического поля между слоями электродов 208, 209, 210 и заземленных слоев 211, 212, 213 расположенных на поверхности сегнетоэлектрических слоев. Для уменьшения вносимых потерь в системе слои 208-213 должны быть выполнены из материала с высоким сопротивлением и прозрачного для микроволн; допускается выполнение этих поверхностей в виде совокупности полосок. Тем самым формируется градиент электрического поля в сегнетоэлектрической пластине в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны, что приводит к изменению фазовой скорости волны в различных частях системы и, как следствие, приводит к отклонению фазового фронта волны. Следует отметить, что снижение значения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической керамики приводит к перемещению полосы пропускания предлагаемой структуры на более высокие частоты. Для достижения максимальной эффективности отклонения волны от дефлектора рабочая частота должна быть выбрана вблизи правой частоты среза полосы пропускания. Максимальная частота настройки определяется из условия совпадения правой и левой частоты среза полосы пропускания для структуры, как без управляющего напряжения, так и под управляющим напряжением.

Предпочтительный вариант предлагаемой структуры дефлектора схематично представлен на Фиг.3. Основным отличием от ранее упомянутого варианта является отсутствие согласующих слоев и использование воздушных зазоров вместо линейных диэлектрических слоев. Такая конструкция должна иметь следующие параметры: электрическая длина сегнетоэлектрических слоев 203, 204, 205 и воздушных зазоров 301, 302 соответствует ¼ и ½ λт соответственно, где λт - длина волны в соответствующей среде при рабочей частоте. Для подачи управляющего напряжения прозрачные для микроволн электроды 208, 209, 210, 211, 212, 213 наносят на обе стороны сегнетоэлектрических слоев 203, 204, 205. По сравнению с первым вариантом предлагаемая структура дефлектора является более привлекательной с точки зрения упрощения изготовления (отсутствие согласующих и линейных диэлектрических слоев), снижения потерь и величины управляющего напряжения.

В практической реализации заявляемой отклоняющей системы элементы 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207 изготовляются с помощью традиционной технологии для керамики. Для изготовления согласующих слоев 201, 202 и слоев 206, 207, разделяющих сегнетоэлектрические слои, используется линейный диэлектрик. Активные слои 203, 204, 205 изготавливаются из сегнетоэлектрических материалов. Слои 208, 209, 210, 211, 212, 213 электродов должны иметь толщину t<<δ (где t - толщина, δ - глубина скин-слоя) для уменьшения потерь сигнала, поэтому для их изготовления используется технология осаждения тонких пленок (магнетронное напыление, соль-гель технология или лазерная абляция). Слои 208, 209, 210, 211, 212, 213 электродов должны быть размещены с обеих сторон активных слоев 203, 204, 205. После нанесения слоя электродов формирование полосковой структуры электродов выполняется, например, с помощью фотолитографии. В качестве материала электродов 208, 209, 210, 211, 212, 213 используются, в частности, ZnO, TiO₂, TaN и твердые растворы Si, Ti и Ce.

Изобретение может быть использовано в области телекоммуникаций и радарных сканирующих систем.

1. Отклоняющая система для управления плоской электромагнитной волной на основе микроволновой периодической структуры, состоящая из n слоев сегнетоэлектрического материала, разделенных между собой n-1 слоями линейного диэлектрика, где n>1 положительное число, причем сегнетоэлектрические слои покрыты с обеих сторон прозрачными для СВЧ-излучения электродами для формирования градиента электрического поля в сегнетоэлектрической пластине в направлении, перпендикулярном направлению распространения плоской волны.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что слои электродов на обеих сторонах сегнетоэлектрических слоев выполнены в виде полосок.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что слои линейного диэлектрика выполнены в виде воздушных зазоров.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что электрическая длина воздушного зазора равна λ/4 и электрическая длина сегнетоэлектрического слоя равна λ/2.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что слои линейного диэлектрика изготовлены из керамики.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что по меньшей мере два слоя линейного диэлектрика выполнены с возможностью обеспечения согласования волнового сопротивления отклоняющей системы с волновым сопротивлением окружающего пространства.