ТВИСТРЕФЛЕКТОР
TWIST REFLECTOR

Изобретение относится к устройствам СВЧ и, в частности к поляризационным твистрефлекторам для поворота плоскости поляризации падающей электромагнитной волны (ЭМВ). Изобретение может применяться в многодиапазонных многозеркальных антенных устройствах в составе радиолокационных систем различного назначения и коммуникационных системах связи.
Известен твистрефлектор [1], представляющий собой плоскую пластину толщиной, равной четверти длины волны, образованную металлическими параллельно расположенными ребрами, разделенными диэлектрическим материалом, на тыльной стороне которых расположен плоский металлический экран. Недостатками этого твистрефлектора является невозможность работы в нескольких разнесенных диапазонах частот и сложность изготовления.
д
д
Известен твистрефлектор [2], который выполнен в виде плоской платы, содержащей диэлектрическую подложку толщиной λ/4 (где λ - длина волны в диэлектрической подложке), на одной стороне которой расположена поляризационная структура из параллельных тонких металлических полосок, а на другой стороне расположен металлический экран. Недостатками такого твистрефлектора является невозможность его применения в антенных устройствах, работающих в двух и более разнесенных рабочих диапазонах частот.
1
1
д1
д1
1
д2
д2
Наиболее близким по назначению и по совокупности признаков является твистрефлектор [3], способный работать в нескольких частотных диапазонах. Данное решение выбрано в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит первую поляризационную структуру в виде набора параллельных проводников, имеющих одинаковую ширину (диаметр) d и шаг структуры S, размещенных над проводящей поверхностью (экраном) на расстоянии L, с помощью диэлектрического материала с малыми потерями. Ориентация проводников составляет угол 45° с вектором поляризации падающего на твистрефлектор электромагнитного поля. Над указанной поляризационной структурой со стороны источника излучения размещена, по крайней мере, еще одна структура с увеличенными шагом S, и расстоянием L. При этом расстояние L должно составлять λ/4 (где λ - длина волны в диэлектрике, соответствующая высокой рабочей частоте), a L - λ/4 (где λ - длина волны в диэлектрике, соответствующая низкой рабочей частоте). Ближайшая к экрану поляризационная структура обеспечивает поворот поляризации на 90° на высоких частотах, а дальняя (наружная) - на низких частотах.
Основные недостатки структуры устройства-прототипа заключаются в сложности конструкции, обусловленной необходимостью создания многослойной печатной платы из диэлектрических подложек стандартной толщины, трудоемкости ее настройки, в связи с тем, что в многослойной структуре изменение параметров одной из поляризационных структур (низкочастотной или высокочастотной) приводит к смещению положения рабочей полосы устройства-прототипа в обоих диапазонах в противоположные стороны. Указанные недостатки являются существенными особенно при применении устройства-прототипа в антеннах с далеко разнесенными рабочими частотами (например, в диапазонах СВЧ и КВЧ), где незначительное для низкочастотной структуры изменение параметров S и L приводит к сильному смещению рабочей полосы на высоких частотах. Кроме того, данное решение подразумевает высокую стоимость изделия из-за большой совокупной площади используемых дорогих диэлектрических материалов.
Задачей изобретения является устранение недостатков известного уровня техники и создание эффективного и технологичного поляризационного твистрефлектора для многодиапазонных многозеркальных антенных устройств.
Технический результат заключается в повышении эффективности устройства с сохранением отражающих свойств при работе в различных частотных диапазонах, в т.ч. в значительно разнесенных, при одновременном упрощении конструкции и снижении трудоемкости изготовления изделия.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом твистрефлекторе, содержащем диэлектрическую подложку, металлический экран, и, по меньшей мере, две поляризационные структуры, обращенные к источнику излучения плоской электромагнитной волны (ЭМВ) и ориентированные под углом 45° к вектору поляризации падающей волны, в отличие от устройства-прототипа, поляризационные структуры расположены на одной диэлектрической подложке и представляют собой решетки дискретно расположенных печатных отражательных элементов. При этом одна поляризационная структура, работающая в диапазоне высоких частот, образована одинаковыми прямоугольными отражательными элементами, размещенными в узлах прямоугольной сетки параллельно друг другу, а другая поляризационная структура, работающая в диапазоне низких частот, образована одинаковыми прямоугольными петлевыми отражательными элементами, размещенными в узлах треугольной или прямоугольной сетки вокруг групп прямоугольных отражательных элементов поляризационной структуры диапазона высоких частот параллельно их длинным сторонам. Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение заявляемого твистрефлектора.
На фиг. 2 приведено схематическое изображение единичного прямоугольного печатного отражательного элемента диапазона высоких частот.
На фиг. 3 приведено схематическое изображение единичного печатного петлевого отражательного элемента диапазона низких частот.
11
На фиг. 4 и фиг. 5 приведены примеры зависимости коэффициентов рассеяния S твистрефлектора-прототипа (непрерывная линия) и заявляемого твистрефлектора (штриховая линия) в 3-сантиметровом диапазоне длин волн (диапазон частот 9,0÷9,8 ГГц) и 3-миллиметровом диапазоне длин волн (диапазон частот 90÷98 ГГц) соответственно.
Заявляемый твистрефлектор (фиг. 1) представляет собой плоскую однослойную печатную плату 1, которая состоит из диэлектрической подложки 2 толщиной h, на одной стороне которой расположен металлический экран 3, а на противоположной стороне, обращенной к источнику излучения ЭМВ, расположены две поляризационные структуры 4 и 5, ориентированные под углом 45° к вектору поляризации подающей волны. Поляризационные структуры 4 и 5 представляют собой решетки печатных отражательных элементов, расположенных дискретно на поверхности подложки 2.
Первая поляризационная структура 4 (фиг. 2) образована решеткой одинаковых прямоугольных отражательных элементов 6 с размерами  где  - длинная сторона отражательного элемента, ν - короткая сторона отражательного элемента, расположенных дискретно в узлах прямоугольной сетки с периодом расположения  соответственно, и обеспечивает требуемые характеристики отражения электрического поля ЭМВ в диапазоне высоких частот.
W
L
Вторая поляризационная структура 5 (фиг. 3) образована решеткой одинаковых прямоугольных петлевых отражательных элементов 7 с размерами L×W, где L - длинная сторона отражательного элемента, W - короткая сторона отражательного элемента, расположенных в узлах треугольной или прямоугольной сетки с периодом расположения D×D соответственно, и обеспечивает требуемые характеристики отражения электрического поля ЭМВ в диапазоне низких частот. Каждый прямоугольный петлевой отражательный элемент 7 поляризационной структуры 5 диапазона низких частот располагается вокруг группы прямоугольных отражательных элементов 6 поляризационной структуры 4 диапазона высоких частот так, что «окно» 8 каждого петлевого отражательного элемента 7 диапазона низких частот заполнено отражательными элементами 6 диапазона высоких частот, при этом размеры и структура расположения отражательных элементов 6 в «окнах» 8 отражательных элементов 7 соответствует размерам и расположению их в поляризационной структуре 4 диапазона высоких частот. Заполнение «окон» 8 отражательных элементов 7 отражательными элементами 6 повышает эффективность использования поверхности твистрефлектора в диапазоне высоких частот и соответственно уменьшает влияние поляризационной структуры 5 на характеристики твистрефлектора при работе в диапазоне высоких частот.
Отражательные элементы 6 и 7 поляризационных структур 4 и 5 располагаются на подложке 2 так, что их длинные L и  и короткие W и ν стороны параллельны друг другу соответственно.
Располагать поляризационные структуры 5 диапазона низких частот на подложке 2 возможно как по треугольной, так и по прямоугольной схеме, т.к. оба варианта одинаково обеспечивают поворот вектора поляризации электрического поля отраженной плоской ЭМВ на 90°. При этом использование сочетания треугольной схемы расположения отражательных элементов 7 в поляризационной структуре 5 диапазона низких частот и прямоугольной схемы расположения отражательных элементов 6 в поляризационной структуре 4 диапазона высоких частот позволяет дополнительно расширить рабочую полосу в диапазоне высоких частот но сравнению с прямоугольной схемой.
Геометрические размеры отражательных элементов 6 и 7 и период их расположения в поляризационных структурах 4 и 5 выбираются с учетом толщины диэлектрической подложки и величины ее диэлектрической проницаемости в зависимости от рабочего частотного диапазона.
Рассмотрим принцип работы заявляемого твистрефлектора (фиг. 1).
При падении от источника излучения плоской ЭМВ, содержащей в частотном спектре как диапазон низких частот, так и диапазон высоких частот, с вектором электрического поля  поляризованным под углом 45°, например, к длинным сторонам  и L печатных отражательных элементов 6 и 7, векторы  и  разделяются на две равные составляющие:  и  соответственно. Когда плоская ЭМВ с  и  падает на поляризационные структуры 4 и 5, составляющие  и  находятся в фазе для своего диапазона частот. При прохождении ЭМВ через диэлектрическую подложку 2, составляющие  и  опережают фазу падающей ЭМВ, а составляющие  и  задерживаются относительно фазы падающей ЭМВ. Величина опережения и замедления фазы определяются геометрическими размерами отражательных элементов 6 и 7, периодом их расположения d и D на положке 2, с учетом толщины подложки 2 и ее диэлектрической проницаемости е. Перечисленные параметры отражательных элементов 6 и 7 поляризационных структур 4 и 5 выбираются путем компьютерного моделирования (вычислительный эксперимент) так, что в плоскости расположения поляризационных структур отраженные экраном 3 составляющие  и  имеют дополнительный фазовый набег, равный 180° относительно составляющих  и  соответственно, при котором результирующие вектора  диапазона низких частот и  диапазона высоких частот поворачиваются на 90° относительно поляризационных векторов  и  соответственно.
Таким образом, твистрефлектор формирует отраженный плоский фронт ЭМВ с частотным спектром, содержащим диапазон высоких и низких частот с поляризационными векторами  и  электрического поля, повернутыми на 90° относительно поляризационного вектора  электрического поля падающей на твистрефлектор плоской ЭМВ.
Был проведен вычислительный эксперимент с заявляемым твистрефлектором, предназначенным для работы в двух значительно разнесенных диапазонах длин волн, а именно в 3-сантиметровом и 3-миллиметровом диапазонах. Для проведения вычислительного эксперимента был построен твистрефлектор диаметром 200 мм на диэлектрической подложке из материала «Duroid» типа «RT 5870» толщиной h≈1,58 мм. Поляризационная структура 3-миллиметрового диапазона волн была выполнена из печатных прямоугольных отражающих элементов с размерами  мм, ν=0.23 мм, расположенных в узлах прямоугольной сетки, а поляризационная структура 3-сантиметрового диапазона - из печатных прямоугольных петлевых отражающих элементов с размерами L=8.55 мм, W=4.75 мм, расположенных в узлах треугольной сетки так, что «окна» этих отражающих элементов были заполнены двумя рядами печатных отражательных элементов 3-миллиметрового диапазона.
11
11
На фиг. 4 и 5 приведены зависимости коэффициентов рассеяния S заявляемого твистрефлектора для диапазонов рабочих частот (9÷9,8) ГГц и (90÷98) ГГц, соответственно (на фигурах 4 и 5 обозначены штриховой линией). Для сравнения представлены аналогичные зависимости для твистрефлектора-прототина, состоящего из 3-х слоев диэлектрических подложек из материала «Duroid» типа «R4 5870» стандартной толщины 0,508; 1,58 мм; 3,15 мм соединенных 2-мя слоями препрега, работающего в тех же частотных диапазонах (на фигурах 4 и 5 обозначены непрерывной линией). Сравнение результатов эксперимента свидетельствует о том, что твистрефлектор предлагаемой структуры обеспечивает необходимый уровень коэффициента рассеяния S по уровню -20 дБ в диапазоне низких частот в полосе 250 МГц и в диапазоне высоких частот в полосе 3 ГГц. В то же время твистрефлектор-прототип но уровню -20 дБ обеспечивает полосу рабочих частот в диапазоне низких частот равную 600 МГц, а в диапазоне высоких частот менее 1 ГГц.
Вместе с тем, пятислойный твистрефлектор-прототип имеет более сложную структуру, требующую постоянной и точной подстройки для каждого выбранного частотного диапазона, и также обуславливающую высокую трудоемкость и стоимость его изготовления. Заявляемый же твистрефлектор представляет собой однослойную печатную плату с поляризационными структурами, параметры которых могут быть выбраны практически для любой толщины диэлектрической подложки, исходя из требуемых характеристик и рабочих частотных диапазонов заявленного твистрефлектора, при этом его стоимость но крайней мере в 5 раз меньше за счет уменьшения количества используемого дорогостоящего материала.
Таким образом, заявленный твистрефлектор является высоко эффективным и технологичным устройством, сохраняющим отражающие свойства при работе в различных частотных диапазонах, в т.ч. значительно разнесенных, которое может найти применение при построении многодиапазонных многозеркальных антенных систем.
Источники информации
[1] Pat. US 2736895 United States. High frequency radio aerials / C.A. Cohrane; Potters Bar, England, assignor to Elliot Brothers (London) Limited. - Pub. date 28.02.1956. - 6 p.
[2] Pat. US 3161879 United States. TWSTREFLECTOR / P.W. Hannan, G. Neck, H. Jasik, K.B. Woodard; assignors, by mesne assignments, to the United States of America as represented by the Secretary of the Army - Pub. date 15.12.1964. - 7 p.
[3] Патент РФ № 2201022 Российская Федерация, МПК H01Q 15/24. Твистрефлектор [Текст] / Черепенин Г.М., Пономарев Л.И., Яковлев С.П., Екшембиев С.Х.; заявитель и патентообладатель ГУП Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь". - № 2000125254/09; заявл. 05.10.2002; опубл. 20.03.2003. Бюл. № 8.
[4] Menzel W., Pilz D., AI-Tikrit М. Millimeter-wave folded reftector antennas with high gain, low loss, and low profile, low loss printed antenna // IEEE Antennas and Propagation Magazine. - 2002. - Vol. 44, № 3. - P. 24-29.