Частотно-селективные свойства периодических решеток в миллиметровом диапазоне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

на правах рукописи

НИКИТИН Иван Петрович

ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕШЕТОК В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992 г.

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники Российской Академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.В.МЕРИАКРИ

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Ведущая организация: Научно-производственное объединение

"Вега-Ы"

на заседании Специализированного совета К.053.05.92 при МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: П98Э9, ГСП, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

профессор В.Ф.КРАВЧЕНКО,

доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник Ю.А.ПИРОГОВ

Защита состоится

часов

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета К.053.05.92 кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

И.В.ЛЕБЕДЕВА

< ! 05П|АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акт£альность_темы^

Периодические электродинамические структуры находят' широкое пркменэние в современной радиотехнике в диапазоне частот от СВЧ до оптических длин волн. Так, одномерно-периодические реиетки используются в качестве поляризаторов, делителей мощности, анализаторов сяентра. Структуры в виде решеток из проводящих полосок и периодически перфорированных экранов при периоде, сравнимом с длиной волны, обладают частотно-селек-тивннки свойствами. Обычно такие решетки размещаются на диэлектрическом слое к находят множество применений в качестве искусственных диэлектриков, оптических и квазиоптических приборов, а также в качестве частотно-селективных поверхностей в радомах и для разделения структуры питащего поля в антенных рефлекторах.

Альтернативным способом создания частотно-селективных поверхностей могут слузшть диэлектрическая решетка и диэлектрический слой с периодически меняющимся коэффициентом преломления. На миллиметровых волнах такие решетки могут иметь меньшие потери на поглощение по сравнению а металлическими экранами. Кроме того, такие решетки могут быть сделаны управляемыми за счет изменения диэлектрической и магнитной проницае-мостей или коэффициента поглощения материала решеток.

Необходимость создания частотно-селективных устройств и' поверхностей для квазиоптической и антенной техники миллимет-

рового диапазона, обладающих заданными пропускаадими, отражательными и дисперсионными свойствами, требует теоретического и вкспериментального исследования различных типов периодических структур.

Целью диссертации является экспериментальное и теоретическое исследование частотно-селективных свойств периодических решеток из диэлектрических и магнитодиэлектрических стержней, металлодиэлектрической решетки, рассмотрение возможностей управления характеристиками таких решеток, а тага© экспериментальное исследование искусственного диэлектрика в виде объемной решетки в миллиметровом диапазоне волн.

Научная новизна.

В работе впервые проведено экспериментальное исследование периодических решеток из магнитодиэлектрических и диэлектрических стержней. Экспериментально и теоретически изучены резонансные эффекты при взаимодействии плоской электромагнитной волны с магнитодаэлектричэской решеткой, а такт исследована возможность эффективного управления спектральными характеристиками такой решетки с помощью магнитного поля.

Обнаружен и исследован эффект полного широкополосного отражения электромагнитной волны от металлодиэлектрической решетки. Изготовлен и экспериментально исследован искусственный диэлектрик, обладающий дисперсией в миллиметровом диапазоне волн.

Практическая ценность результатов работы определяется качественным и количественным соответствием экспериментальных характеристик пропускания и отражения исследованных структур с результатами математического анализа, что создает основу для эффективных методик разработки частотно-селективных устройств с заданными характеристиками.

Обнаруженные и исследованные в работе физические эффекта могут широко применяться на практике. Явление полного отражения волновой анергии решетками дает возможность реализовать эффективные полосовые фальтры для СВЧ и миллиметрового диапазонов. Управляемые магнитодаэлектрические решетки могут применяться в качестве переключателей и модуляторов. Поляризационные свойства исследованных структур могут быть использованы в антенной технике и средствах связи.

1. При взаимодействии плоской электромагнитной волны с магнитодиэлектрической решеткой в области частот, характеризующейся двумя распространящимися модами в решетке, возникают явления резонансного отражения, обусловленные возбуждением в структуре пространственных гармоник Флоке и последующим их излучением в виде вытекающих волн.

2. Коэффициентами пропускания и отражения магнитодиэлектрической решетки можно эффективно управлять с помощью магнитного шля в области частот резонансного отражения. Управление основано на эффекте Котгона - Муттона и достигается на-

магничиванпем стергсней решетки вдоль их осей в случае Е-поля-ризации падащей волш (вектор Е волны параллелен осям стерк-нвй).

3. Характер частотной зависимости коэффициентов пропускания и отражения мэталлодаэлектрической решетки существенно зависит от поперечных размеров частичных областей рэЕетки. При определенном соотношении исходу этими величинами на частотной характеристике отражения возникает1 области полного отражения шириной от 10 до 4СИ.

4. Наиболее отчетливый резонансный провал на частотной зависимости коэффициента пропускания диэлектрической решетки из круговых цилиндрических стержней определяется периодом решетки и является наиболее низкочастотным. Белее высокочастотные провалы являются менее интенсивными и связаны с интерференцией собственных волн внутри цилиндров.

5. На частотной зависимости эффективного показателя преломления искусственного диэлектрика, продстовлящзго собой объемную диэлектрическую решетку из круговых цилиндров, имеются области аномальной дисперсии, связанные с резонансным рассеянием волны. В этих частотных областях искусственный диэлектрик монет применяться в качестве широкополосного согласующего слоя, режэкторного фильтра и в качестве подложек диэлектрических колосковых волноводов с расширенной полосой од-номодовости.

Апробация работы.

Работа докладывалась на научных семинарах ИРЭ АН СССР и ИРЭ АН УССР, на Всесоюзной научно-технической конференции "Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах" в Тбилиси в 1988 г., на Всесоюзном научном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции" в Москве в 1990 г., на Всесоюзном симпозиуме по дифракции волн в Винница в 1990 г., на XXIII Генеральной Ассамблее ШЗГ в Праге 2 1990 г., на XX Европейской Микроволновой конференции в Будапеште в 1Э90г., на Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и применение электромагнитных волн миллиметроЕого диапазона" в Тбилиси в 1991 г, на I Украинском симпозиуме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн" в Харькове в 1991 г.

Публикации^

По результатам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, списка цитируемой литературы и заключения. Диссертация содержит 85 страниц текста, 28 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Возведении обосновывается актуальность задачи, сформули-

рована цель диссертационной работы, излагается ее содержание и приводится краткий обзор работ, посвященных изучению электродинамических свойств решеток и частотно-селективных поверхностей.

В первой главе теоретически и экспериментально исследованы частотно-селективные свойства магнитодиэлектрической решетки. Задача взаимодействия плоской электромагнитной волны с периодической решеткой из магнитодиэлектрических стержней прямоугольного поперечного сечения (РисЛ.) сводится к задаче рассеяния волны на неоднородности в волноводе, если ввести в рассмотрение плоский волновод сравнения с магнитными стенками. Рассмотрим для определенности случай Е-полярнэации (вектор Е волны параллелен осям стержней). Сшивание собственных функций волновода сравнения на границе у = Ъ приводит к дисперсионному уравнению

р^срп(а-ь)] + а/ц tg(аb) = О, Рис.1.

где ап и рп - поперечные волновые числа соответственно в области О ^ у $ Ь и Ь^у^а, ц - магнитная проницаемость магнитодиэлектрика. Постоянные распространения собственных волн находятся из

уд

«

ш

ЯУ/////,

«п

/к2 - 8;

ч

/ к.2ец - а2

гдэ к = 2%/Х, е - диэлектрическая проницвемость магниюдиэлектрика. Для расчета пропускающих и отражательных свойств решетки представим полное поле Ег н и в виде разложений по по собственным функциям соответствущих областей:

-1кх у н (У)е1ьАх п п '

п=0

со

2 и (у) (А е-1®пх +В е13пх) V г V (у)е Пх

П. п " '

п=0

при X $ О, при 0 < х $ с, при X > с,

где Тп - коэффициенты отражения и пропускания, Ап, В -амплитуды прямой и обратной волн в области 0 ^ х ^ с, цп(у> - собственные функции волновода сравнения для области О ^ х ^ с, Уп(у) и - соотввтсвенно собственные функции и постоянные распространения е области вне решетки. Удовлетворяя граничным условиям е сечениях х = О и х = с и используя ортогональность собственных функций пустого волновода, получаем бесконечную систему линейных алгебраических уравнений относительно коэффициентов Ап, Вп, и Т .

Численный анализ, проведенный для решетки с параметрами а - 1,39 мм, Ь = 1,02 мм, с = 3,02 мм, е = 13,8 и ц = 1 в зависимости от ае = 2а/А. показал, что в области частот, характеризующейся наличием двух распространяющихся мод в спектре

собственных волн решетки, на частотной зависимости коэффициента пропускания Т(ае) отчетливо проявляются три резонансных минимума. При этом на более высоких частотах, где в спектре собственных функций имются три распространяющиеся моды, зависимость Т(ае) имеет более сложный вид, а в одаомодовой области зависимость Т(эг) аналогична частотной зависимости коэффициента пропускания плоскопараллельной пластины с соответствующим эффективным показателем преломления.

Случай Е- поляризации представляет особый интерес с точки зрения возможности управления зависимостью Т(ае) с помощью намагничивания стержней в продольном направлении. Действительно, в этом случае изменяется магнитная проницаемость решетки:

V- т ~ Ф'И,.

где = 1 + шншм/(о)д - ш2), ц-а = «ул-Чш^ " (°2)>

а шн = 7Н0, шм = 74иМ0, ш - круговая частота волны, у - гиромагнитное отношение, 4тШ0 - намагниченность насыщения маг-нитодиэлектрика, Н0 - магнитное поле внутри магнитодиэлек-трика.

Экспериментальное исследование решетки проводилось в линзовой лунеродной линии. Решетка была изготовлена из феррито-вых стержней размерами 2,04 х 3,02 х 50 мм, которые приклеивались к стальной прямоугольной оправе. На противоположные стороны оправы, параллельные стержням, были намотаны подмаг-

ничиващие катушки. Измеренные значения коэффициента пропускания хорошо согласуются с теоретическими. Эффективное управление коэффициентом пропускания достигается вблизи резонансных минимумов.

Ко_§1орой_глане проведено теоретическое и экспериментальное изучение метвллодивлектрической решетки, представляющей собой решетку из диэлектрических стержней прямоугольного поперечного сечения (Рис.1.}, у которых грани, параллельные плоскости хОа, покрыты тонким проводящим олоем. Теоретический анализ таких решеток проводился по той же методике, что и анализ магнитодошлектрических решеток. Наибольший интерес представляют частотно-селективные свойства такой решетки в случае Н-поляркзацик падающей волны. Численный анализ показывает, что при определенных соотношениях между параметрами решетки на частотной зависимости коэффициента пропускания появляется ряд глубоких минимумов шириной от 10 до 40Я5. Положение этих провалов определяется толщиной (продольным рвзмером с ). Изменение с примерно на 10% приводит к сдвигу центральной частоты минимума на «1556. Поперечные размеры стержней и зазоров (значение Ь) определяют форму указанных "минимумов. Расчеты, проведенные при различных значениях ширины стержней Ь показывают, что существует некое оптимальное значение Ь, обеспечивающее наилучшее ззгрэздение (отражение) в заданной полосе частот. Отклонение от этого значения приводит либо к уменьшению глубины минимума, либо к его вырождению в два острых минимума по краям основной полосы. Вариация величины ди-

электрической проницаемости е при заданных Ь и с приводит к сдвигу центральной частоты минимума с одновременным искажением его формы.

В случае Е-поляризации на частотной зависимости коэффициента пропускания имеется характерная для решеток такого типа чвстота отсечки, положение которой определяется величиной Ь. Это обстоятельство с учетом того, что положение области отражения в случае Н-поляризации определяется толщиной решетки с, представляет интерес для разработки устройств с заданными поляризационными свойствами.

Экспериментальное исследование металлодиэлектрической решетки проводилось е линзовой лучеводной линии по такой же методике» что и исследование магнитодиэлектрической решетки. Решетка'"была изготовлена из диэлектрических стершей прямоугольного поперечного сечения размерами 1,94- х 3,01 х 60 мм. Металлизация осуществлялась путем приклеивания к противоположным граням стершей тонкой ( « 15 мкм) алюминиевой фольги. В качестве диэлектрика использовался феррит марки 1СЧ4 с диэлектрической проницаемостью £ = 13 и тангенсом потерь ^ 8 « 1СГ3. Результаты измерений частотных зависимостей коэффициентов пропускания и отражения, проведенных в области частот 52 - 78 ГГц, хорошо согласуются с теорией.

Наличие металлизированных граней у стержней делает такие решетки перспективными с .точки зрения электрического управления их свойствами.

1_П?®5ьей_главе исследована периодическая решетка из да-

электрических круговых цилиндров радиуса а при различных значениях коэффициента заполнения а = 2а/й, где й - период решетки. Интерес к таким решеткам обусловлен прежде всего тем, что структуры в виде периодических решеток из цилиндрических стержней и волокон очень часто являются составными частями искусственных диэлектриков.

Экспериментальное исследование коэффициентов пропускания диэлектрических решеток из круговых цилиндрических стержней проводилось в квазиоптической линзовой лучеводной линии в области значений ае = й/\ от 0,5 до 2,4. При этом диапазон изменения длин волн X составлял 0,7 - в мм. Диэлектрические цилиндры представляли собой отрезки волокна из плавленого кварца диаметром 0,8 мм. Диэлектрическая проницаемость кварца 3,82, а тангенс угла диэлектрических потерь в исследуемом диапазоне частот составляет (Б - 8) 10~4. Зависимость коэффициента пропускания решетки Т от величины ае исследовалась при трех различных значениях в. Во всех случаях на кривых зависимости Т(ае) наблюдается резонансный провал вблизи ае « 1. Более высокочастотные резонансы обусловлены диэлектрическими свойствами отдельных цилиндров, что подтверждается сравнением частотных зависимостей коэффициентов пропускания решеток и эффективного сечения рассеяния волны на отдельном цилиндре.

Экспериментально исследовалась также решетка, представляющая собой периодический ряд идентичных цилиндров с диэлектрической проницаемостью £1, заключенный в плоскопараллельную

пластину с проницаемостью е2. Были рассмотрены два вида таких решеток: первая представляла собой фторопластовую пластину толщиной 3 мм, содержащую ряд параллельных цилиндрических полостей диаметра 1,5 мм с периодом 3 мм, вторая решетка представляла собой такую же пластину, в которой цилиндрические полости были заполнены порошком рутила (Т102). Габариты обеих структур 3 х 40 х 45 мм. Измерения проводились в диапазоне частот 52 - 78 ГГц. Диэлектрическая проницаемость фторопласта в этом диапазоне составляет 2,08, а значение диэлектрической проницаемости композиционного материала, состоящего из порошка рутила и воздуха, рассчитанное в квазистатическом приближении, составило 60+3. Экспериментальное исследование выяеило ярко выраженные поляризационные свойства второй решетки в области длин волн, сравнимых с периодом.

В третьем параграфе рассмотрен искусственный диэлектрик с дисперсией в миллиметровом диапазоне волн, представляющий собой объемную решетку из цилиндрических стержней с диэлектрической проницаемостью е,, помещенную в диэлектрик с проницаемостью е2. Решетка была изготовлена путем высверливания отверстий в бруске фторопласта-4 толщиной 20 мм и имела четыре ряда отверстий. Измерения проводились в диапазоне длин волн от 1,8 до 8 мм. Результаты экспериментального исследования пропускающих и дисперсионных свойств искусственного диэлектрика позволяют сформулировать ряд предложений по применению таких структур в технике миллиметрового диапазона волн.

Основные результаты работы:

1. Теоретически и экспериментально исследованы решетки из магнитодиэлектрических стержней прямоугольного поперечного сечения. Экспериментально подтвержден резонансный характер частотных зависимостей отражения и пропускания таких решеток в двухволновой частотной области рапвтки.

2. Показана возможность эффзктивного управления коэффициентом пропускания магнитодиэлектрической решетки с покощыо магнитного поля.

3. Создан и экспериментально исследован макет управляемой ферритовой решетки в миллиметровом диапазоне волн. Показано, что такая решетка позволяет электрически управлять коэффициентами пропускания и отражения в пределах от О до 25 дБ.

4. Теоретически и экспериментально исследована кеталло-дазлектрическая решетка, представляющая собой диэлектрическую решетку, у которой грани стергшей, обращенные друг к другу, покрыты тонким проводящим слоем. В результате численного анализа свойств таких решеток обнаружено, что при определенных значениях размеров и диэлектрической проницаемости стержней на частотной характеристике решетки появляются области полного отражения с шириной полосы от 10 до 40Ж.

5. Изготовлена и экспериментально исследована металлодиэлек-трическая решетка. Экспериментально подтверждены особенности частотно-селективных свойств такой решетки на миллиметровых

волнах.

6. Проведано экспериментальное изучение различных видов диэлектрических решеток из круговых цилиндров в миллиметровом диапазоне. Обнаружены резонансные свойства таких решеток в области длин еолн, сравнимых с периодом решетки.

7. Изготовлен и экспериментально исследован искусственный диэлектрик с дисперсией в миллиметровом диапазоне. Проанализированы свойства такого диэлектрика и рассмотрены перспективные области его применения. Показано, что такой искусственный диэлектрик может найти применение в качестве широкополосных. согласующих слоев, режекторных фильтров и в качестве под-лозквк диэлектрических полосковых волноводов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.В.Мериакри, И.П.Никитин, М.П.Пархоменко Измерение коэффициентов прохождения и отражения диэлектрической решетки в миллиметровом диапазоне// Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - Тбилиси. 1988.- С.180-181.

2. В.В.Мериакри, И.П.Никитин Искусственный диэлектрик с дисперсией в миллиметровом диапазоне // Квазиоптическвя техника ым- и субмм- диапазонов волн. Харьков: ЙРЭ АН УССР, 198Э. С.65-70.

3. В.В.Мэриакри, И.П.Никитин, M.П.Пархоменко, А.Н.Сивов, А.Д. Шатров Управляемые ферритовые решетки// Математическое моделирование и применение явлений дифракции: Тез. докл. Бсесоюз. науч. семинара.- М.: МГУ, 1990.- С. 18-20.

4. V.V.Meriakri, I.P.Nikitin, Sf.P.ParWiomenico, A.N.Sivov, A.D.Shatrov Ferrite rod gratings at millimetre waves// 20-th European Microwave Conference: Proceedings.- Budapest, 1990. Vol.2. P. 1383-1386.

5. В.В.Мериакри, И.П.Никитин, Ы.П.Пархоменко, А.Н.Сивов, А.Д. Шатров Решетки из ферритовых стеркней и их применение на миллиметровых волнах // Радиотехника и электрон. 1990. Т.35. МО.- С. 2061-2065.

6. Ф.Г.Вогданов, Г.Ш.Кеванишвили, В.В.Мэриакри, И.П.Никитин Исследование резонансных характеристик решеток из диэлектрических цилиндров// Радиотехника и электрон. - 1991. Т.35. ЖС. 48-52.

7. В.В.Мериакри, И.П.Никитин, Е.Е.Чигряй Экспериментальное исследование резонансных характерней® решеток из диэлектрических цилиндров// Радиофизика и электроника миллиметрового и субмкллиметрового диапазона. Харьков: ИРЭ АН УСОР, 1991. С. 102-104.

8. В.В.Мэриакри, И.П.Никитин, М.П.Пархоменко Частотные характеристики металлизировании; диэлектрических решеток// Теория и применение электромагнитных волн миллиметрового диапазона: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - Тбилиси, 1991. 0.3.

9. В.В.Ыериакри, И.П.Никитин, М.П.Пархоменко Селективные управляемые периодические структуры миллиметрового диапазона// Физика и техника мм и субмм радиоволн: Тез. докл. I Украин. симпозиума - 1991, часть I. С. 292-293.

10. В.В.Меривкри, И.II.Никитин, М.П.Пархоменко Частотные характеристики металлодиэлектрических решеток// Радиотехника и электрон. - 1992. Т.37. М. - С.604-611.

Подписано в печать 02.07.1992 г.

Формат 60x84/16. Объем 1,16 усл.п.л. Тираж 100 экз.

Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.74.