Development of the twist-reflectors based on strip element lattices as a technological decision of a polarization transformation problem

DEVELOPMENT OF THE TWIST-REFLECTORS BASED ON STRIP
ELEMENT LATTICES AS A TECHNOLOGICAL DECISION
OF A POLARIZATION TRANSFORMATION PROBLEM

Kasyanov A. O., Lobach V. T., Obukhovets V. A.

Southern Federal University

105/42, B. Sadovaya, Rostov-on-Don,

344006, Russian Federation

Ph.: (863) 4322626, e-mail: *****@***ru

Abstract - Multi-elements microstrip reflectarrays have been numerically investigated in this ch lattices can be twist-reflectors. The opportunity of creation a twist-reflectors which are convenient for making is ch microstrip reflectarrays are a technological decision of a polarization transformation problem. A number of constructive decisions with purpose of technological twist-reflectors creation is offered.

СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧНЫХ ТВИСТ-РЕФЛЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ

ЛЕНТОЧНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК

, ,

Южный Федеральный университет

ул. Б.Садовая, 105/42, Ростов-на-Дону, 344006, Россия

, e-mail:  *****@***ru

Аннотация – Представлены результаты численного исследования возможностей изменения поляризации поля, отраженного многоэлементной ленточной микрополосковой отражательной решеткой, демонстрирующие возможность создания технологичных твист-рефлекторов. Предложены конструктивные решения по построению таких рефлекторов на основе дифракционных решеток печатных лент.

I. Введение

Твист–рефлекторы [1] – это устройства, изменяющие поляризацию поля при отражении. Они неизменно вызывают интерес разработчиков, поскольку позволяют создавать антенные системы с расширенными возможностями (совмещенные антенны, двухчастотные и др.).

Известно [2], что традиционной конструктивной реализацией твист-рефлектора является частопериодическая дифракционная решетка над проводящим экраном. При такой схеме построения толщина такого твист-рефлектора составляет . Более технологичным является твист-рефлектор, выполненный в виде печатной дифракционной решетки.

II. Принцип построения твист-реф­лектора в виде ленточной решетки

Построение твист-рефлектора в виде печатной схемы позволяет уменьшить его толщину [3]. В этом случае в качестве элементов частопериодической решетки твист-рефлектора могут выступать, как показано на рис. 1, а и рис. 1, б, ленточные проводники. При этом частотой, на которой проявляется твист-эффект, можно управлять, меняя только ширину ленточных проводников и оставляя неизменной периодичность их расположения, которую будем характеризовать величиной шага решетки – . Чем шире ленты, тем ниже частота преобразования поляризации. Это объясняется структурой поля в подложке такой печатной дифракционной решетки. Как показано на рис. 1, а и рис. 1, б (показаны только силовые линии напряженности электрического поля), в случае нормального падения на решетку локально плоской волны электромагнитное поле в подложке представляет собой стоячую волну, узлы которой периодически располагаются в параллельных плоскостях, ортогональных экрану и проходящих вдоль осей ленточных проводников (на рис. 1,б они обозначены пунктиром).

а

б в

Рис. 1 – Возбуждение плоской волной решетки ленточных проводников, расположенных на диэлектрической подложке, к теневой стороне которой примыкает проводящий экран.

Fig. 1 – Plane wave excitation of an etched strips lattice on a dielectric substrate which has a conducting screen.

Такое распределение аналогично структуре поля в гребенчатой направляющей системе, изображенной на рис. 1, в. Как видно из рисунка, гребни такого волновода изогнуты. Благодаря этому, образуется лабиринтная структура, что и позволяет уменьшить толщину подложки. Для демонстрации справедливости утверждения о том, что применение печатных решеток при построении твист-рефлекторов позволяет уменьшить толщину подложки, обратимся к приведенным на рис. 2 результатам расчета.

а

б

Рис. 2 – ЧХ модулей элементов ПМР ленточных микрополосковых дифракционных решеток:

а – случай «узких» лент; б – случай «широких» лент.

Fig. 2 – The relationships between polarization scattering matrix elements of lattices and inc. wave frequency а – case of «narrow» strips; б – case of «wide» strips.

Расчеты выполнены с помощью разработанной авторами математической модели многоэлементной микрополосковой отражательной антенной решетки.

III. Математическая модель

Для получения строгого решения задачи возбуждения многоэлементной микрополосковой решетки локально-плоской волной применялся метод интегрального уравнения. При составлении системы интегральных уравнений задачи использована лемма Лоренца в интегральной форме. Полученная система приведена нами в [4]. Численное решение выполнено методом Галеркина. При этом в качестве базисных функций для поверхностных плотностей электрических и магнитных токов выбраны функции подобластей, каждая из которых имеет вид треугольной призмы ("rooftop functions"). Получаемая в результате система линейных алгебраических уравнений относительно комплексных амплитуд базисных функций токов решалась методом Гаусса. Более подробно математическая модель рассмотрена в [4]. Рассмотрим результаты численного исследования ленточных микрополосковых дифракционных решеток как твист–рефлекторов, полученные на основе комплекса вычислительных программ, реализующих описанную математическую модель.

IV. Результаты математического
моделирования

На рис. 2 показаны частотные зависимости элементов поляризационной матрицы рассеяния (ПМР) двух ленточных решеток с один и тем же шагом и разными значениями относительной ширины ленточных проводников : графики на рис. 2, а для δ = 0,4 и графики на рис. 2, б для δ = 0,88. Представленные на рис. 2 результаты получены в линейном поляризационном базисе, повернутом на угол 45° относительно собственного поляризационного базиса. Обе решетки расположены на фторопластовой подложке и имеют толщину 0,24.

Для решетки узких лент (параметр δ имеет меньшее значение) преобразование поляризации происходит на более высокой частоте, а для решетки широких лент (параметр δ имеет большее значение) частота преобразования поляризации поля падающей волны при отражении оказывается ниже. Это видно из сравнения приведенных на рис. 2 частотных характеристик элементов ПМР двух ленточных решеток одинаковой периодичности – . Очевидно, что аномалия Вуда для обеих решеток проявляется на одной и той же частоте . Как видно из рис. 2, после того, как ширина лент возросла в 2,2 раза, частота преобразования снизилась примерно в 2,25 раза.

V. Заключение

В результате проведенных численных исследований установлено, что электромагнитное поле в подложке печатной отражательной решетки твист-рефлектора представляет собой стоячую волну, узлы которой располагаются в центрах микрополосковых элементов (лент). Это позволило установить связь между конструктивными параметрами решетки и характеристиками рассеяния печатного твист-рефлектора – чем больше относительная ширина микрополосковых элементов (лент) решетки, тем ниже частота преобразования поляризации.

V. References

[1] Microwaves scanning antennas — Trans. from English. /Editors: G. Т. Markov, А. F. Chaplin, Vol.1–3. — Moscow.: Soviet radio, 1966-1971. (in Russian).

[2] G. Т. Markov, D. М. Sazonov, Antennas. Moscow, Ed. “ Svyaz’ ”, 1975. (in Russian)

[3] A. O.Kasyanov, Twist-reflectors based upon microstrip arrays. 22nd Int. Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo’2012). 10—14 September, Sevastopol, Crimea, Ukraine, 2012. – P.443-444. (in Russian).

[4] Kasyanov A. O., Obukhovets V. A. Current control in a microstrip array with loaded elements. Radioengineering – 1995. – No.12. P.32-36. (in Russian).