Электрически перестраиваемые устройства на основе нелинейных диэлектриков для управления диаграммой направленности в антенных системах миллиметрового диапазона длин волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Платонов Роман Андреевич

• Платонов Роман Андреевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Платонов Роман Андреевич

Введение

Глава 1. Квазиоптические антенные устройства с

управляемой диаграммой направленности на

основе нелинейных элементов и материалов

1.1 Объемные квазиоптические устройства

1.2 Квазиоптические устройства на основе частотно-селективных поверхностей

1.3 Квазиоптические устройства для формирования электромагнитных волн с ненулевым орбитальным угловым моментом

1.4 Сегнетоэлектрические материалы для создания квазиоптических устройств миллиметрового диапазона

1.5 Квазиоптические устройства на основе распределенных нелинейных элементов

Глава 2. Электрически управляемая линза на основе

сегнетоэлектрических материалов

2.1 Принцип работы сегнетоэлектрической линзы

2.2 Топология радиопрозрачных электродов

2.3 Математическая модель сегнетоэлектрической электрически управляемой линзы

2.4 Исследование электрофизических характеристик сегнетоэлектрической керамики

2.5 Согласование волновых сопротивлений

2.6 Компьютерное моделирование сегнетоэлектрической электрически управляемой линзы

2.6.1 Формирование узколучевой диаграммы направленности с помощью сегнетоэлектрической электрически управляемой линзы

2.6.2 Сканирование лучом с помощью сегнетоэлектрической электрически управляемой

линзы

2.6.3 Формирование двулучевой диаграммы направленности и независимое сканирование лучами

Глава 3. Периодический сегнетоэлектрический дефлектор

3.1 Анализ периодической структуры сегнетоэлектрического дефлектора

3.1.1 Сегнетоэлектрический распределенный нелинейный элемент

3.1.2 Формирование полоснопропускающей периодической структуры на основе сегнетоэлектрических элементов

3.1.3 Периодический дефлектор с воздушными зазорами

3.2 Компьютерное моделирование периодического дефлектора с воздушными зазорами

3.3 Расчет и экспериментальное исследование прототипа сегнетоэлектрического дефлектора на основе периодической структуры с рабочими частотами Ка диапазона

3.3.1 Сегнетокерамические материалы и их характеристики

3.3.2 Анализ технологии радиопрозрачных электродов

3.3.3 Конструкция прототипа сегнетоэлектрического дефлектора на основе периодической структуры

3.3.4 Схема формирования управляющих напряжений

3.3.5 Первичный излучатель

3.3.6 Схема измерения параметров прототипа периодического дефлектора

3.3.7 Результаты измерения частотных характеристик периодического дефлектора

3.3.8 Результаты измерения угла отклонения прототипа

дефлектора

Глава 4. Формирование электромагнитных волн с

ненулевым орбитальным угловым моментом

4.1 Сегнетоэлектрическая фазовая пластина для формирования волны с ненулевым орбитальным угловым моментом

4.2 Моделирование характеристик диаграммы направленности формируемой сегнетоэлектрической фазовой пластиной

4.3 Топология дискретных радиопрозрачных электродов для сегнетоэлектрической фазовой пластины

4.4 Экспериментальное исследование прототипа электрически управляемой сегнетоэлектрической фазовой пластины

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список рисунков

Список таблиц

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрически перестраиваемые устройства на основе нелинейных диэлектриков для управления диаграммой направленности в антенных системах миллиметрового диапазона длин волн»

Введение

Основным техническим требованием, предъявляемым к антеннам для систем радиолокации и телекоммуникации миллиметрового диапазона длин волн, является высокий уровень коэффициента направленного действия (КНД). Это обусловлено сильным затуханием электромагнитных волн данного диапазона частот в свободном пространстве. Следует отметить, что практическая реализация подобных антенн, как правило, ограничивается требованиями к их габаритам. Данные ограничения накладываются общей тенденцией, связанной с миниатюризацией устройств, а также с использованием интегральной технологии при их производстве. Доказательством этому служит широкое распространение таких архитектурных принципов, как «система на кристалле» и «система в сборке» [1-3]. Это означает интеграцию антенны или антенной системы в полупроводниковой подложке модуля или как неотъемлемую часть корпуса интегральной схемы, что вынуждает разработчиков отказываться от широко известных и хорошо зарекомендованных антенных решений.

К тому же требование высокой пространственной селективности излучения антенн для устройств миллиметрового диапазона длин волн делает актуальным использование антенн с возможностью электрического управления лучом диаграммы направленности (ДН). На данный момент, фазированные антенные решетки (ФАР) являются наиболее распространёнными антеннами такого типа. ФАР позволяют обеспечивать быстрое и непрерывное сканирование лучом в широком диапазоне углов. Основными недостатками ФАР, особенно характерными для миллиметрового диапазона, являются их высокая стоимость и сравнительно большие потери, определяемые, в основном, фидерной частью антенны. Для управления ДН в составе фидерной части ФАР необходимо использовать устройства, управляющие фазой излучаемой волны — фазовращатели. Как правило, фазовращатели основаны на применении дискретных сосредоточенных элементов с линейными размерами значительно меньше длины электромагнитной волны на рабочих частотах. При переходе в миллиметровый диапазон ха-

рактеристические размеры дискретных элементов становятся сравнимы с длиной волны, что ведет к значительному ухудшению характеристик.

Одним из активно развивающихся направлений антенной техники является разработка линзовых антенн, представляющих собой совокупность линзы и первичного излучателя. Данные антенны позволяют сочетать высокую пространственную селективность излучения при высокой степени интеграции. Использование нелинейных материалов и элементов в конструкции данных антенн позволяет реализовать возможность перестройки их ДН (сканирование луча, формирование двулучевой ДН и т. д.).

Данная диссертационная работа посвящена поиску новых технических решений в области разработки линзовых антенн на основе сегнето-электрических материалов. Одним из наиболее перспективных сегнето-электрических материалов для данных применений является твердый раствор Баж8г1-жТЮз (ББТО), ввиду относительно высокой управляемости под действием электрического поля, малого времени отклика на воздействие электрического поля и отсутствия дисперсии диэлектрической проницаемости в широком частотном диапазоне [4; 5].

Применение электрически управляемых линзовых антенн на основе сегнетоэлектрических материалов в системах телекоммуникации и радиолокации миллиметрового диапазона длин волн позволит значительно упростить архитектуру всей системы за счет отсутствия фазосдвигающих цепей в питающем тракте и использования технологичных печатных антенн в качестве первичного излучателя. Совокупность функциональных возможностей, простоты конструкции и дешевизны изготовления определяет востребованность электрически управляемых линзовых антенн в устройствах СВЧ техники и делает их развитие актуальным.

Целью данной работы является поиск новых технических решений в области разработки антенных устройств миллиметрового диапазона длин волн на основе нелинейных диэлектриков с возможностью электрического управления их диаграммой направленности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать конструкцию электрически управляемого квазиоптического антенного устройства, позволяющую реализовывать различные режимы диаграммообразования.

2. Найти способ увеличения эффективности электрического управления диаграммой направленности сегнетоэлектрических квазиоптических антенных устройств миллиметрового диапазона длин волн.

3. Разработать конструкцию электрически управляемого квазиоптического антенного устройства для формирования различных мод электромагнитных волн с ненулевым орбитальным угловым моментом.

4. Разработать топологию радиопрозрачных электродов для эффективного управления параметрами диаграммы направленности за счет формирования необходимого распределения управляющего электрического поля в нелинейном диэлектрике.

5. Исследовать электрофизические свойства линейных (для радиопрозрачных электродов) и сегнетоэлектрических материалов в миллиметровом диапазоне длин волн для создания электрически управляемых антенных устройств на их основе.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Использование топологии дискретных эквипотенциальных радиопрозрачных электродов с периодом дискретизации менее половины рабочей длины волны в свободном пространстве для формирования заданного распределения электрического поля в сегне-тоэлектрическом слое квазиоптического устройства не искажает форму диаграммы направленности и позволяет избежать негативных эффектов, связанных с нагревом сегнетоэлектрика, по сравнению со сплошной топологией электродов.

2. Электрически управляемая линза на основе сегнетоэлектрических материалов с дискретной топологией радиопрозрачных электродов является многофункциональным диаграммообразущим устройством, реализующим различные режимы работы, в том числе фокусирование и сканирование луча диаграммы направленности;

формирование двулучевой диаграммы направленности с независимым управлением лучами.

3. Дефлектор на основе многослойной сегнетоэлектрической пространственно-периодической структуры позволяет более чем на порядок повысить максимальный угол отклонения луча диаграммы направленности, сформированной первичной антенной, по сравнению с его однослойным аналогом.

4. Использование электрически управляемой фазовой пластины на основе сегнетоэлектрических материалов позволяет формировать различные моды электромагнитных волн миллиметрового диапазона с заданным ненулевым орбитальным угловым моментом за счет распределения управляющего электрического поля в сегне-тоэлектрической пластине.

Научная новизна:

1. В данной работе впервые был предложен способ увеличения эффективности электрического управления отклонением луча диаграммы направленности дефлектора за счет использования многослойной сегнетоэлектрической периодической структуры в его конструкции.

2. Сформулированы основные требования к конструкции и параметрам сегнетоэлектрических материалов многослойного периодического дефлектора для достижения заданной эффективности управления отклонением луча диаграммы направленности.

3. Для получения экспериментальных оценок максимального угла отклонения луча диаграммы направленности был разработан и изготовлен оригинальный экспериментальный макет трехслойного периодического дефлектора на основе сегнетокерамических материалов.

4. Впервые была предложена топология дискретных управляющих радиопрозрачных электродов электрически управляемой сегнето-электрической линзы, позволяющая реализовывать различные режимы диаграммообразования.

5. Впервые был предложен способ формирования и изменения моды электромагнитной волны с ненулевым орбитальным угловым моментом электрическим способом с помощью сегнетоэлектриче-ского квазиоптического устройства.

6. Разработан макет электрически управляемой сегнетоэлектриче-ской фазовой пластины, и экспериментально показана возможность формирования электромагнитной волны с ненулевым орбитальным угловым моментом.

Научная и практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Показано, что использование пространственно-периодической структуры в конструкции дефлектора на основе сегнетоэлектри-ческого материала позволяет достичь высоких значений угла отклонения луча диаграммы направленности при малых величинах коэффициента управляемости сегнетоэлектрика 1,1).

2. Предложена новая конструкция электрически управляемой се-гнетоэлектрической линзы для обеспечения непрерывной связи за счет адаптивной подстройки диаграммы направленности в телекоммуникационных системах миллиметрового диапазона длин волн.

3. Предложен способ электрического управления модой электромагнитной волны с ненулевым орибитальным угловым моментом с помощью сегнетоэлектрической фазовой пластины, что может быть использовано в высокоскоростных системах связи для увеличения спектральной эффективности, путем создания множества подканалов связи на одной несущей частоте.

4. Предложен и экспериментально подтвержден способ формирования электромагнитных волн с ненулевым орбитальным угловым моментом с помощью сегнетоэлектрической фазовой пластины.

5. Разработана топология управляющих радиопрозрачных электродов, позволяющая реализовывать различные режимы работы электрически управляемой сегнетоэлектрической линзы.

Основные результаты работы внедрены в следующих отечественных организациях: ООО «Керамика», ООО «Резонанс», СПбГЭТУ (ЛЭТИ).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях.

Международные конференции:

European Conference on Application of Polar Dielectrics (ECAPD): 2014 (Lithuania); Electroceramics Conference: 2014 (Romania); Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS): 2015 (Czech Republic); Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP): 2016 (Taiwan).

Всероссийские конференции:

Электроника и микроэлектроника СВЧ: 2014, 2015, 2016 Санкт-Петербург

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 14 печатных изданиях [6—19], 4 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК [6; 8-10], 1 — патент РФ [7], 9 — в тезисах докладов [11— 19].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 138 страниц с 82 рисунками и 10 таблицами. Список литературы содержит 96 наименований.

Глава 1. Квазиоптические антенные устройства с управляемой диаграммой направленности на основе нелинейных элементов и

материалов

Первые работы, посвященные созданию антенных систем с немеханическим способом управления диаграммой направленности (ДН), стали появляться еще в первой половине ХХ столетия. Однако наиболее интенсивный период исследований связан с активным развитием радиолокационных станций (РЛС) в середине прошлого века. Исторически электрический способ управления ДН был обусловлен невозможностью или малой эффективностью механического перемещения антенны или частей её конструкции. Во второй половине 1960х годов выходят работы проф. О. Г. Вен-дика [20] и Р. Хансена [21—23], впоследствии ставшие классическими. Это первые книги, посвящённые систематическому изложению теоретических и практических аспектов создания антенных систем с электрическим управлением ДН. Развитие теории информации и методов обработки сигналов РЛС, наряду с постоянным совершенствованием устройств электроники и микроэлектроники, позволили раскрыть потенциал данного способа управления ДН на примере фазированной антенной решетки (ФАР), на долгие годы ставшей не только наиболее распространённой электрически управляемой антенной, но и, де-факто, синонимом этого термина.

Однако переход в миллиметровый диапазон длин волн связан с проявлением недостатков ФАР в данном диапазоне, заключающихся в сложности, и, следовательно, высокой стоимости создания фидерной части, содержащей элементы управления фазой и амплитудой волны. Как уже отмечалось ранее, переход в миллиметровый диапазон связан с непрерывно увеличивающимися потоками данных, передающихся беспроводным способом, и с развитием таких концепций, как сети пятого поколения (50), интернет вещей (1оТ), дополненная и виртуальная реальность (ЛЯ и УЯ) [24], которые, в свою очередь, являются основой концепций беспилотного транспорта, «умного дома», «умного города» [25-30]. Перечисленные концепции ориентированы на широкий рынок потребителей и повсеместное внедре-

ние устройств, обеспечивающих инфраструктуру сетей нового поколения (базовые станции, смартфоны и т. д.), что накладывает на технические реализации устройств такие требования, как технологичность производства и низкая себестоимость.

Одно из направлений, потенциально удовлетворяющее данным требованиям и лишенное недостатков ФАР, заключается в создании управляемых антенных систем квазиоптического типа, обеспечивающих пространственное сканирование ДН [31]. В общем случае антенна оптического типа состоит из первичного источника излучения и квазиоптического устройства (КОУ), преобразующего амплитудно-фазовое пространственное распределение волны первичного излучателя. В качестве первичного излучателя, как правило, используется слабонаправленная антенна (например, диполь, открытый конец волновода), осуществляющий широкоугольное облучение КОУ. Под КОУ подразумеваются устройства различных конструкций, типов и функциональных возможностей, при этом по характеру преобразования фазового фронта падающей волны КОУ могут быть классифицированы подобно аналогичным устройствам и элементам, используемым в оптическом диапазоне, а именно: линзы, фазовые пластинки, поляризаторы, фильтры и т. д. Таким образом, совокупность КОУ, перспективных для использования в СВЧ/КВЧ антенных системах, не ограничивается только фокусирующими (линзовыми) устройствами. В частности, стоит выделить дефлекторные устройства, функция которых заключается в отклонении луча ДН, сформированной высоконаправленной первичной антенной. Дефлекторы являются перспективными аналогами ФАР, особенно в миллиметровом диапазоне длин волн.

1.1 Объемные квазиоптические устройства

Классическими и широко известными КОУ являются объемные диэлектрические линзы (ОДЛ). Использование радиолинз, аналогичных оптическим, для формирования диаграммы направленности антенной систе-

мы уходит корнями в эпоху становления антенной техники как самостоятельной технической дисциплины. Несмотря на то, что, в отличие от оптических аналогов, характерные размеры апертуры ОДЛ составляют всего десятки длин волн на центральной рабочей частоте, принцип расчета преломляющего профиля, основанный на применении приближения геометрической оптики (лучевое распространение электромагнитных волн), способен обеспечить необходимую точность при проектировании линзовой антенны [32].

На рисунке 1.1 схематически представлена антенная система на основе ОДЛ. В качестве первичного излучателя используется антенна с низкой направленностью (диполь, открытый конец волновода и т. д.). В зависимости от величины отношения фокусного расстояния к размеру апертуры различают длиннофокусные и короткофокусные антенные системы. Последние характеризуются компактностью и меньшим «переливом» мощности излучаемой первичным излучателем, однако при уменьшении фокусного расстояния ОДЛ приближается к границе дальней зоны антенны, что приводит к необходимости учета размеров источника и волнового характера распространения электромагнитных волн. ОДЛ характеризуются высокой направленностью, широкой полосой рабочих частот и низкими вносимыми потерями, зависящими только от параметров материала ОДЛ.

Ненаправленный излучатель

Диэлектрическая линза

к

Фазовый центр Сферический

излучателя фазовый фронт

волны

Плоский фазовый фронт волны

Рисунок 1.1 — Антенная система на основе ОДЛ

Однако среди недостатков ОДЛ следует отметить массогабаритные характеристики. Одним из методов снижения массы и объема ОДЛ является зонирование линзы, заключающееся в удалении объема линзы, не влияющего на фазу проходящей волны. Такие линзы также называют линзами Френеля [33]. Однако зонирование линзы приводит к необходимости создания линзы еще более сложного профиля, чем ОДЛ. Упрощения профиля радиолинз заключается в формировании фазокорректирующего профиля за счет внесения неоднородностей в объем линзы. Примером может являться линза, выполненная в качестве перфорированного диэлектрического диска [34; 35] или составная линза, выполненная из нескольких материалов [36; 37]. Однако для всех перечисленных типов линз характерно наличие неоднородностей, обуславливающих дифракцию излучения, а, следовательно, и снижение эффективности.

Другим существенным недостатком ОДЛ является ограниченные возможности управления диаграммой направленности. В работах [38-40] авторы предлагают различные конструкции линзовых антенн миллиметрового диапазона длин волн с возможностью механического управления ДН. Однако данный метод перестройки ДН является относительно медленным и требует применения электромеханических устройств, что влечет за собой низкое быстродействие, а также увеличение стоимости и габаритов системы.

Электрическая перестройка ДН возможна в линзовых антеннах за счет использования нескольких первичных излучателей, расположенных в фокальной плоскости диэлектрической линзы [41-43]. В работе [41] авторы используют в качестве первичного излучателя антенную решетку, состоящую из 16 элементов (см. рисунок 1.2а). Переключение активного излучателя в решетке осуществляется с помощью СВЧ ключей, реализованных в качестсве монолитной интегральной схемы. На рисунке 1.2б показана собранная линзовая антенна с цепями управления. Полусферическая линза была изготовлена из кварцевого стекла. На рисунке 1.2в представлен коэффициент отражения одного из элементов решетки и коэффициенты связи между соседними элементами.

-50

60 65 70 75 80 85 90 95 100 Frequency, GHz

в)

Рисунок 1.2 — Линзовая антенна с электрическим переключением лучей ДН - а); фотография прототипа - б); Б-параметры одного элемента

решетки - в) [41]

Каждый элемент решетки обеспечивает один луч, имеющий наклон по отношению к оси линзы в соответствии со своим положением, что реализует режим дискретного двумерного сканирования. На рисунке 1.3 представлены результаты измерений КНД для нескольких лучей. При этом угол сканирования не превышает 18 градусов в обеих плоскостях. Увеличение сектора сканирования без увеличения количества элементов в решетке возможно за счет увеличения радиуса полусферической линзы, однако это приведет к уменьшению КНД.

а)

Рисунок 1.3 — Результаты измерений диаграммы направленности в Н-плоскости на частотах 76 ГГц - а) и 81 ГГц - б) [41]

Как уже отмечалось ранее, линзовые антенны на основе объемных диэлектрических линз обеспечивают высокое значение КНД, широкую полосу рабочих частот, относительно простую конструкцию, что обуславливает их применение в миллиметровом диапазоне. Однако одним из недостатков данных систем является сложность создания быстрого и непрерывного сканирования лучом ДН. Рассмотренные системы подразумевают либо механическое сканирование, что ограничивает время перестройки ДН до нескольких сотен миллисекунд, либо дискретное сканирование за счет использования антенной решетки в качестве первичного излучателя. Такие антенные устройства также позволяет формировать многолучевые ДН, что требует использования цепей питания и коммутации излучателей для электрического управления ДН, экономическая целесообразность и реализуемость которых в значительной степени зависит от рабочего диапазона частот.

1.2 Квазиоптические устройства на основе частотно-селективных поверхностей

Для сантиметрового диапазона длин волн (вплоть до 30 ГГц) в качестве КОУ перспективным является использование структур на основе

метаповерхностей (двухмерных метаматериалов) и частотно-селективных поверхностей (ЧСП) [44; 45]. На основе таких КОУ можно создать устройства для изменения поляризации проходящей волны, частотной фильтрации сигнала, преобразования фазового фронта волны. Данные устройства, как правило, основаны на технологии изготовления печатных плат.

В зарубежной литературе такие устройства могут встречаться под названиями antenna-filter-antenna (AFA) [46-49] и frequency selective surfaces (FSS) [50-54]. При этом AFA, как правило, представляют собой переизлучающую антенную решетку с интегрированными фазосдвигающими цепями, при этом принимающие и переизлучающие поверхности сформированы на основе решетки типичных печатных антенн, имеющих размер порядка половины длины волны на центральной рабочей частоте. В то время как FSS (частотно-селективные поверхности - ЧСП) формируются из множества многослойных элементарных ячеек, каждая из которых может быть существенно меньше длины волны. Такие устройства, как правило, не имеют ярко выраженных переизлучающих и/или принимающих антенн (см. рисунок 1.4). Несмотря на вышеуказанное отличие, оба типа устройств часто классифицируются как transmitarray (решетка пропускающего типа -TA) [46; 51; 53; 55-57], для отличия от устройств типа reflectarray [58] (решетки отражающего типа - RA).

а)

Рисунок 1.4 — Дефлектор на основе переизлучающей решетки (АРА) - а) и на основе частотно-селективной поверхности (ЧСП) - б) [50]

Преимущество ТА заключается в плоском профиле, возможности электрического управления и широком спектре реализуемых функций диа-граммообразования. В самом простом случае данные устройства осуществляют функцию дефлектора, т. е. позволяют отклонять луч, сформированный первичной высоконаправленной антенной.

На рисунке 1.5 показана трехслойная элементарная ячейка ЧСП дефлектора работающего в Ки диапазоне частот [50]. Элементарная ячейка ЧСП может быть представлена эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 1.6, состоящей из сосредоточенных емкостных и индуктивных элементов. Данная топология характерна для полосовых фильтров, что и обуславливает частотные характеристики ЧСП. В работе [50] авторы использовали сегнетокерамические варакторы в составе ёмкостных слоев ячейки ЧСП (см. вырезку на рисунке 1.5) для управления фазой, проходящей сквозь структуру СВЧ волны. На рисунке 1.7а показан изготовленный прототип дефлектора на основе ЧСП вместе с цепями управления варактора-ми. Результаты измерений демонстрируют отклонение луча ДН в диапазоне ± 10 градусов при градиенте управляющего напряжения (0^ 120) В (см. рисунок 1.7б) и (120^0) В (см. рисунок 1.7в).

Рисунок 1.5 — Элементарная ячейка электрически управляемого дефлектора ЧСП с использованием сегнетоэлектрических

конденсаторов [50]

Рисунок 1.6 — Эквивалентная схема элементарной ячейки ЧСП [50]

а) б) в)

Рисунок 1.7 — Прототип дефлектора на основе ЧСП с сегнетоэлектрическими конденсаторами - а); результаты измерений диаграммы направленности в режиме сканирования — б) и в) [50]

Однако распространённым недостатком всех подобных структур является необходимость большого количества управляемых элементов (3200 управляемых конденсторов в работе [50]), что существенно усложняет цепь управления и приводит к увеличению потерь проходящей через структуру волны.

Применение ЧСП, ДЕЛ, и подобных структур не ограничено только дефлекторными устройствами, на их основе также возможно создание устройств, управляющих поляризацией проходящей волны [59; 60] и шириной луча ДН [52].

На рисунке 1.8а показан принцип преобразования линейно поляризованной волны с наклоном плоскости поляризации в 45 градусов к поверхности ЧСП, состоящей из емкостных и индуктивных слоев, как показано на рисунке 1.8б. Анизотропия ЧСП достигается за счет различного периода между элементами емкостного слоя и различной ширины металлических

полосок на индуктивном слое по направлениям осей О У и ОХ. Многослойная структура обладает фильтровым частотным откликом по типу Чебы-шева с относительной полосой пропускания порядка 40 % при центральной частоте ~ 10 ГГц.

а)

Рисунок 1.8 — Принцип работы РЯБ преобразующей волну с линейной поляризацией в волну с круговой поляризацией - а); структура слоев

ЧСП - б) [59]

Авторы работы [60] демонстрируют возможность создания ТА на основе АРА структуры, позволяющей не только управлять поляризацией волны, но и осуществлять сканирование в достаточно широком секторе ± 60 градусов. Структура многослойной элементарной ячейки решетки АРА представлена на рисунке 1.9а. Падающая волна возбуждает резонансные колебания в связанных патч-антеннах, расположенных на нижних слоях структуры, резонансные колебания возбуждают распространение волны в микрополосковой фазосдвигающей цепи (см. рисунок 1.9б), сформированной в промежуточном слое структуры. Посредством металлизированного межслойного перехода электрический сигнал возбуждает переизлучающий патч на верхней плоскости структуры. Фазосдвигающая цепь отражательного типа основана на двух микрополосковых мостах в заземленных плечах, в которых расположены варакторы. В зависимости от значения электрически управляемой емкости варактора принятый сигнал приобретает фазовый сдвиг в диапазоне 360 градусов. Переизлучающая антенна представляет собой квадратный патч с О-образной щелью, при этом внутренняя часть патча коммутируется с внешней с помощью двух СВЧ

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Платонов Роман Андреевич, 2018 год

Список литературы

1. Samanta K. K., Robertson I. D. Surfing the Millimeter-Wave: Multilayer Photoimageable Technology for High Performance SoP Components in Systems at Millimeter-Wave and Beyond // IEEE Microwave Magazine. — 2016. — Vol. 17, no. 1. — P. 22-39.

2. Liu Y., Agrawal A., Natarajan A. Millimeter-Wave IC-Antenna Coin-tegration for Integrated Transmitters and Receivers // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2016. — Vol. 15. — P. 18481852.

3. On-Chip Antenna Integration for Millimeter-Wave Single-Chip FMCW Radar, Providing High Efficiency and Isolation / B. B. Adela [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2016. — Vol. 64, no. 8. — P. 3281-3291.

4. Gevorgian S. Ferroelectrics in microwave devices, circuits and systems: physics, modeling, fabrication and measurements. — Springer Science, Business Media, 2009. — 393 p.

5. Temperature stable BaSrTiO3 thin films suitable for microwave applications / K. Nadaud [et al.] // Thin Solid Films. — 2015. — Vol. 591. — P. 90-96.

6. Tunable Periodic Deflector Structure Based on Ferroelectric Materials / R. A. Platonov [et al.] // PIERS Proceedings, Prague, Czech Republic, July 6-9, 2015. — 07/2015. — P. 908-912.

7. Отклоняющая система для управления плоской электромагнитной волной : Patent RU 2571582 RU / А. Б. Козырев [и др.]. — Заявл. 02.2015.

8. Электрически управляемая структура с периодическим изменением волнового сопротивления для отклонения основного луча высоконаправленного излучателя миллиметрового диапазона длин волн / Р. А. Платонов [и др.] // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. — 2016. — Окт. — № 3. — С. 67—70.

9. Beamforming and scanning lens based on ferroelectric material for millimeter-wave application / R. Platonov [et al.] // 2016 IEEE 5th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), Proceedings. — 07/2016. — P. 155-156.

10. Separation of the Metallic and Dielectric Losses of Tunable Ferroelectric Capacitors Under Control DC Voltage / I. V. Kotelnikov [et al.] // Progress In Electromagnetics Research Letters. — 2018. — Oct. — Vol. 73. — P. 127-131.

11. Электрически перестраиваемая линза СВЧ диапазона на основе сегне-тоэлектрических материалов / Р. А. Платонов [и др.] // Электроника и микроэлектроника СВЧ, Санкт-Петербург. — 2014.

12. Suppression of slow capacitance relaxation phenomenon in M/BaxSr1-xTiO3/M ceramic ferroelectric structures by annealing in oxygen atmosphere / V. N. Osadchy [et al.] // European Conference on Application of Polar Dielectrics, Vilnius. — 2014.

13. Suppression of slow capacitance relaxation phenomenon in thin film ferroelectric capacitor structures by annealing in oxygen atmosphere / R. A. Platonov [et al.] // Electroceramics XIV Conference, Bucharest. — 2014.

14. Electronically scan antenna based on ferroelectric ceramic structure / A. B. Kozyrev [et al.] // Electroceramics XIV Conference, Bucharest. —

2014.

15. Электрофизические характеристики сегнетоэлектрической керамики состава BaxSr1-xCayTiO3 / В. А. Вольпяс [и др.] // Электроника и микроэлектроника СВЧ, Санкт-Петербург. — 2015.

16. Электрически управляемая линза на основе сегнетоэлектрических материалов миллиметрового диапазона длин волн / Р. А. Платонов [и др.] // Электроника и микроэлектроника СВЧ, Санкт-Петербург. —

2015.

17. Tunable Periodic Deflector Structure Based on Ferroelectric Materials / R. A. Platonov [et al.] // The 36th Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS), Prague. — 2015.

18. Beamforming and Scanning Lens Based on Ferroelectric Material for Millimeter-wave Application / R. Platonov [et al.] // 2016 IEEE 5th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), Kaoh-siung, Taiwan. — 2016.

19. Электрически управляемая диаграммообразующая линза миллиметрового диапазона на основе сегнетоэлектрических материалов / Р. А. Платонов [и др.] // Электроника и микроэлектроника СВЧ, Санкт-Петербург. — 2016.

20. Вендик О. Г., Парнес М. Д. Антенны с электрическим сканированием: Введение в теорию. — Москва : Советское радио, 1965. — 360 с.

21. Хансен Р. С. Сканирующие антенные системы СВЧ. Т. 1 / под ред. Г. Т. Маркова, А. Ф. Чаплина. — Москва : Советское радио, 1966. — 536 с.

22. Хансен Р. С. Сканирующие антенные системы СВЧ. Т. 2 / под ред. Г. Т. Маркова, А. Ф. Чаплина. — Москва : Советское радио, 1969. — 496 с.

23. Хансен Р. С. Сканирующие антенные системы СВЧ. Т. 3 / под ред. Г. Т. Маркова, А. Ф. Чаплина. — Москва : Советское радио, 1971. — 464 с.

24. 5G Vision. — 03.2015. — [Электронный ресурс] Режим доступа: https: / / www.samsung.com / global/business / networks / insights / white-paper/5g-vision/. Samsung Electronics, Co. Ltd.

25. Hossein Motlagh N., Taleb T., Arouk O. Low-Altitude Unmanned Aerial Vehicles-Based Internet of Things Services: Comprehensive Survey and Future Perspectives // IEEE Internet of Things Journal. — 2016. — Dec. — Vol. 3, no. 6. — P. 899-922.

26. Mobile Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) for Energy-Efficient Internet of Things Communications / M. Mozaffari [et al.] // IEEE Transactions on Wireless Communications. — 2017. — Nov. — Vol. 16, no. 11. — P. 7574-7589.

27. Thapliyal H. Internet of Things-Based Consumer Electronics: Reviewing Existing Consumer Electronic Devices, Systems, and Platforms and Exploring New Research Paradigms // IEEE Consumer Electronics Magazine. — 2018. — Jan. — Vol. 7, no. 1. — P. 66-67.

28. Implemented IoT-Based Self-Learning Home Management System (SHMS) for Singapore / W. Li [et al.] // IEEE Internet of Things Journal. — 2018. — June. — Vol. 5, no. 3. — P. 2212-2219.

29. Bates O., Friday A. Beyond Data in the Smart City: Repurposing Existing Campus IoT // IEEE Pervasive Computing. — 2017. — Apr. — Vol. 16, no. 2. — P. 54-60.

30. Ahlgren B., Hidell M., Ngai E. C. Internet of Things for Smart Cities: Interoperability and Open Data // IEEE Internet Computing. — 2016. — Nov. — Vol. 20, no. 6. — P. 52-56.

31. Корнблит С. СВЧ оптика. Оптические принципы в приложении к конструированию СВЧ антенн / под ред. О. П. Фролов. — Москва : Связь, 1980. — 360 с.

32. Зелкин Е. Г., Петрова Р. А. Линзовые антенны. — Москва : Сов. радио, 1974. — 280 с.

33. Rodriguez J. M., Hristov H. D., Grote W. Fresnel zone plate and ordinary lens antennas: Comparative study at microwave and terahertz frequencies // 2011 41st European Microwave Conference. — 10/2011. — P. 894-897.

34. Al-Nuaimi M. K. T., Hong W., Zhang Y. Design of High-Directivity Compact-Size Conical Horn Lens Antenna // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2014. — Vol. 13. — P. 467-470.

35. Assessment of LTCC-Based Dielectric Flat Lens Antennas and Switched-Beam Arrays for Future 5G Millimeter-Wave Communication Systems / M. Imbert [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2017. — Dec. — Vol. 65, no. 12. — P. 6453-6473.

36. Hristov H. D., Rodriguez J. M. Design Equation for Multidielectric Fresnel Zone Plate Lens // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. — 2012. — Nov. — Vol. 22, no. 11. — P. 574-576.

37. Zhang S., Whittow W., Vardaxoglou Y. 3D-printed Fresnel zone plate lens // 2016 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP). — 10/2016. — P. 88-89.

38. Costa J. R., Lima E. B., Fernandes C. A. Compact Beam-Steerable Lens Antenna for 60-GHz Wireless Communications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2009. — Oct. — Vol. 57, no. 10. — P. 2926-2933.

39. 3D printed plastic 60 GHz lens: Enabling innovative millimeter wave antenna solution and system / A. Bisognin [et al.] // 2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2014). — 06/2014. — P. 14.

40. Millimeter-wave antenna-in-package solutions for WiGig and backhaul applications / A. Bisognin [et al.] // 2015 International Workshop on Antenna Technology (iWAT). — 03/2015. — P. 52-55.

41. Experimental Characterization of E-Band Two-Dimensional Electronically Beam-Steerable Integrated Lens Antennas / A. Artemenko [et al.] // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2013. — Vol. 12. — P. 1188-1191.

42. Millimeter-Wave Electronically Steerable Integrated Lens Antennas for WLAN/WPAN Applications / A. Artemenko [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2013. — Apr. — Vol. 61, no. 4. — P. 1665-1671.

43. Electronically beam steerable lens antenna for 71-76/81-86 GHz backhaul applications / A. Artemenko [et al.] // 2015 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. — 05/2015. — P. 1-4.

44. Metasurfaces: From microwaves to visible / S. B. Glybovski [et al.] // Physics Reports. — 2016. — Vol. 634. — P. 1-72. — Metasurfaces: From microwaves to visible.

45. Free-Space Focusing at C-Band Using a Flat Fully Printed Multilayer Metamaterial Lens / S. Das [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2015. — Nov. — Vol. 63, no. 11. — P. 4702-4714.

46. Multilayer Antenna-Filter Antenna for Beam-Steering Transmit-Array Applications / L. Boccia [et al.] // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. — 2012. — July. — Vol. 60, no. 7. — P. 2287-2300.

47. Analysis of Miniature Frequency Selective Surfaces Based on Fractal Antenna-Filter-Antenna Arrays / S. Zheng [et al.] // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2012. — Vol. 11. — P. 240-243.

48. Design and Synthesis of Multilayer Frequency Selective Surface Based on Antenna-Filter-Antenna Using Minkowski Fractal Structures / Y. Li [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2015. — Jan. — Vol. 63, no. 1. — P. 133-141.

49. Naseri P., Khosravi F., Mousavi P. Antenna-Filter-Antenna-Based Transmit-Array for Circular Polarization Application // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2017. — Vol. 16. — P. 13891392.

50. Beam Steering Transmitarray Using Tunable Frequency Selective Surface With Integrated Ferroelectric Varactors / M. Sazegar [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2012. — Dec. — Vol. 60, no. 12. — P. 5690-5699.

51. Abdelrahman A. H., Elsherbeni A. Z., Yang F. Transmission Phase Limit of Multilayer Frequency-Selective Surfaces for Transmitarray Designs // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2014. — Feb. — Vol. 62, no. 2. — P. 690-697.

52. Controlling Beamwidth of Antenna Using Frequency Selective Surface Superstrate / M. Wang [et al.] // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2014. — Vol. 13. — P. 213-216.

53. Broadband Transmitarray Antenna Design Using Polarization-Insensitive Frequency Selective Surfaces / M. Niroo Jazi [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2016. — Jan. — Vol. 64, no. 1. — P. 99-108.

54. FSS-Inspired Transmitarray for Two-Dimensional Antenna Beamsteer-ing / J. R. Reis [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2016. — June. — Vol. 64, no. 6. — P. 2197-2206.

55. Focal Distance Reduction of Transmit-Array Antennas Using Multiple Feeds / A. Clemente [et al.] // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2012. — Vol. 11. — P. 1311-1314.

56. Abdelrahman A. H., Elsherbeni A. Z., Yang F. Transmitarray Antenna Design Using Cross-Slot Elements With No Dielectric Substrate // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2014. — Vol. 13. — P. 177-180.

57. Yeap S. B., Qing X., Chen Z. N. 77-GHz Dual-Layer Transmit-Array for Automotive Radar Applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2015. — June. — Vol. 63, no. 6. — P. 2833-2837.

58. Lau J. Y., Hum S. V. A Planar Reconfigurable Aperture With Lens and Reflectarray Modes of Operation // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. — 2010. — Dec. — Vol. 58, no. 12. — P. 35473555.

59. Momeni Hasan Abadi S. M. A., Behdad N. Wideband Linear-to-Circular Polarization Converters Based on Miniaturized-Element Frequency Selective Surfaces // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2016. — Feb. — Vol. 64, no. 2. — P. 525-534.

60. Using Reconfigurable Transmitarray to Achieve Beam-Steering and Polarization Manipulation Applications / C. Huang [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2015. — Nov. — Vol. 63, no. 11. — P. 4801-4810.

61. Optical communications using orbital angular momentum beams / A. E. Willner [et al.] // Adv. Opt. Photon. — 2015. — Mar. — Vol. 7, no. 1. — P. 66-106.

62. Simulation of orbital angular momentum radio communication systems based on partial aperture sampling receiving scheme / Y. Hu [et al.] // IET Microwaves, Antennas Propagation. — 2016. — Vol. 10, no. 10. — P. 1043-1047.

63. Demonstration of tunable steering and multiplexing of two 28 ghz data carrying orbital angular momentum beams using antenna array / G. Xie [et al.] // Scientific reports. — 2016. — Vol. 6. — P. 37078.

64. Liu B, Cui Y., Li R. A Broadband Dual-Polarized Dual-OAM-Mode Antenna Array for OAM Communication // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2017. — Vol. 16. — P. 744-747.

65. Study on the theory and method of vortex-electromagnetic-wave-based radar imaging / K. Liu [et al.] // IET Microwaves, Antennas Propagation. — 2016. — Vol. 10, no. 9. — P. 961-968.

66. Electromagnetic Vortex Imaging Using Uniform Concentric Circular Arrays / T. Yuan [et al.] // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2016. — Vol. 15. — P. 1024-1027.

67. Orbital-Angular-Momentum-Based Electromagnetic Vortex Imaging / K. Liu [et al.] // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2015. — Vol. 14. — P. 711-714.

68. Klemes M., Boutayeb H., Hyjazie F. Orbital angular momentum (OAM) modes for 2-D beam-steering of circular arrays // 2016 IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE). — 05/2016. — P. 1-5.

69. A Flat-Lensed Spiral Phase Plate Based on Phase-Shifting Surface for Generation of Millimeter-Wave OAM Beam / Y. Chen [et al.] // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2016. — Vol. 15. — P. 1156-1158.

70. Zelenchuk D, Fusco V. Split-Ring FSS Spiral Phase Plate // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. — 2013. — Vol. 12. — P. 284-287.

71. Zhang C., Ma L. Millimetre Wave with Rotational Orbital Angular Momentum // Scientific Reports. — 2016. — No. 6. — P. 31921.

72. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики / под ред. Г. А. Смоленский. — Ленинград : Наука, 1985. — 396 с.

73. Ferroelectric tuning of planar and bulk microwave devices / O. G. Vendik [et al.] // Journal of Superconductivity. — 1999. — Vol. 12, no. 2. — P. 325-338.

74. Noren B. Thin film barium strontium titanate (BST) for a new class of tunable RF components // Microwave Journal. — 2004. — Vol. 47, no. 5. — P. 210-216.

75. Антонов Н. Н., Бузин И. М., Вендик О. Г. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / под ред. О. Г. Вендика. — Сов. радио, 1979. — 272 с.

76. Леманов В. В. Фазовые переходы в твердых растворах на основе SrTiO3 // Физика твердого тела. — 1997. — Т. 39, № 9. — С. 1645— 1651.

77. Вербицкая Т., Соколова Л. Исследование электрических свойств тонкопленочных варикондов // Электронная техника. Сер. 5. Радиодетали и компоненты. — 1974. — Т. 6, № 8.

78. Электрически управляемые компоненты на основе керамики BST-Mg / Е. А. Ненашева [и др.] // Физика твердого тела. — 2009. — Т. 51, № 8. — С. 1468—1471.

79. Low loss microwave ferroelectric ceramics for high power tunable devices / E. Nenasheva [et al.] // Journal of the European Ceramic Society. — 2010. — Vol. 30, no. 2. — P. 395-400. — Electroceramics XI Special Issue.

80. Continuous ferrite aperture for electronic scanning antennas : Patent US 4588994 US / R. Tang, J. M. Hellums. — 05/1986.

81. Electronic beam steering methods and apparatus : Patent US 4480254 US / D. B. Spencer, J. L. Fitch. — 10/1984.

82. Variable fresnel lens device : Patent US 4576441 US / F. Kubick. — 03/1986.

83. Voltage controlled ferroelectric lens phased array : Patent US 5729239 US / J. B. L. Rao. — 03/1998.

84. Scanning lens antenna : Patent US 6195059 US / K. O. Falk. — 02/2001.

85. Ferroelectric lens : Patent US 2009/0237322 US / V. Cherman [et al.]. — 09/2009.

86. Deflecting device for electromagnetic radiation : Patent US 9591793 US / A. B. Kozyrev [et al.]. — 12/2013.

87. Electrical steering lens antenna : Patent US 9490547 US / A. G. Cher-nokalov. — 01/2011.

88. Ferroelectric materials for phased array applications / J. B. L. Rao [et al.] // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 1997. Digest. Vol. 4. — 07/1997. — P. 2284-2287.

89. Rao J. B. L., Patel D. P., Krichevsky V. Voltage-controlled ferroelectric lens phased arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 1999. — Mar. — Vol. 47, no. 3. — P. 458-468.

90. Rao J. B. L., Trunk G. V., Patel D. P. Two low-cost phased arrays // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. — 1997. — July. — Vol. 12, no. 6. — P. 39-44.

91. Minami T. Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes // Semiconductor Science and Technology. — 2005. — Vol. 20, no. 4. — S35.

92. All-ZnO-based transparent resistance random access memory device fully fabricated at room temperature / X. Cao [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2011. — Vol. 44, no. 25. — P. 255104.

93. Shen H., Ramanathan R. Fabrication of a low resistivity tantalum nitride thin film // Microelectronic Engineering. — 2006. — Vol. 83, no. 2. — P. 206-212.

94. Booker H. G., Clemmow P. C. The concept of an angular spectrum of plane waves and its relation to that of polar diagram and aperture distribution // Proceedings of the IEE - Part III: Radio and Communication Engineering. — 1950. — Jan. — Vol. 97, no. 45. — P. 11-17.

95. Li J., Zhu S., Lu B. The rigorous electromagnetic theory of the diffraction of vector beams by a circular aperture // Optics Communications. — 2009. — Vol. 282, no. 23. — P. 4475-4480.

96. Маттей Д. Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т. 1 / под ред. Л. В. Алексеева, Ф. В. Кушнира. — Москва : Связь, 1971. — 440 с.

Список рисунков

1.1 Антенная система на основе ОДЛ ............... 13

1.2 Линзовая антенна с электрическим переключением лучей ДН - а); фотография прототипа - б); Б-параметры одного элемента решетки - в) [41].................... 15

1.3 Результаты измерений диаграммы направленности в Н-плоскости на частотах 76 ГГц - а) и 81 ГГц - б) [41] ... 16

1.4 Дефлектор на основе переизлучающей решетки (ДЕЛ) - а)

и на основе частотно-селективной поверхности (ЧСП) - б) [50] 17

1.5 Элементарная ячейка электрически управляемого дефлектора ЧСП с использованием сегнетоэлектрических конденсаторов [50] ........................ 18

1.6 Эквивалентная схема элементарной ячейки ЧСП [50] .... 19

1.7 Прототип дефлектора на основе ЧСП с сегнетоэлектрическими конденсаторами - а); результаты измерений диаграммы направленности в режиме сканирования — б) и в) [50]................... 19

1.8 Принцип работы ЕББ преобразующей волну с линейной поляризацией в волну с круговой поляризацией - а); структура слоев ЧСП - б) [59] ................. 20

1.9 Топология ячейки ДЕЛ для сканирования и управления поляризацией волны - а); топология микрополосковой фазосдвигающей цепи отражательного типа - б) [60]..... 21

1.10 Прототип квазиоптической переизлучающей антенной решетки - а); результаты измерений ДН в режиме сканирования для вертикальной - б) и горизонтальной - в) поляризации переизлучаемой волны [60] ............ 22

1.11 Принцип формирования электромагнитных волн с ненулевым орбитальным угловым моментом [61]....... 24

1.12 Круговая фазированная антенная решетка для формирования волн со спиральным фазовым фронтом [65] . 25

1.13 Квазиоптическое устройство для формирования волны

с вихревым фазовым фронтом на основе ЧСП [69]...... 26

1.14 Объемные диэлектрические фазовые пластины для формирования волн с различной величиной топологического заряда (1) [71]................. 26

1.15 Температурные зависимости диэлектрической проницаемости для различных напряженностей

электрического поля - а) и стехиометрических составов - б); температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для различных стехиометрических составов объемных образцов твердого раствора Вах8г1-жТЮ3 - в) [76] 28 1.16 Частотная зависимость диэлектрической

проницаемости - а) и добротности - б) сегнетокерамических

образов с различным содержанием М§2ТЮ4 и М§0 [79] ... 29

1.17 Конструкция рупорной антенны с ферритовой линзой - а); распределенный нелинейный элемент на основе

феррита - б) [80]......................... 31

1.18 Антенная система на основе СЭ КОУ - а); конструкция

КОУ на основе СЭ РНЭ - б) [83]................ 33

1.19 Конструкция электрически управляемой сегнетоэлектричсекой линзы - а); распределение управляющего напряжения - б); управление шириной луча

ДН - б); двулучевая ДН - б) [87]................ 34

2.1 Конструкция СЭ ЭУЛ - а); формирование плоской

волны - б) и отклонение луча -в) с помощью ЭУЛ...... 37

2.2 Топология прозрачных для СВЧ излучения электродов с непрерывной пленкой — а) и с дискретными секциями - б) . 39

2.3 Двухмерная модель СЭ ЭУЛ - а); изменение фазы волны на облучаемой поверхности СЭ ЭУЛ - б); изменение экваивалентной электрической длины СЭ ЭУЛ - в)..... 40

2.4 Сегнетокерамическая пластина с нанесенными медными электродами - а); измерительная установка для подачи измерительного и управляющего полей - б); установленный образец во время измерений - в)................ 46

2.5 Результаты измерения диэлектрической проницаемости от величины электрического поля для образцов сегнетокерамики различного состава.............. 47

2.6 Результаты измерения коэффициента управляемости образцов различных составов сегнетокерамики под

действием электрического поля ................. 47

2.7 Зависимость величины коэффициента управляемости, необходимого для изменения электрической длины СЭ элемента на 360 градусов, от нормированной толщины СЭ

слоя................................ 49

2.8 Зависимость коэффициента отражения от величины коэффициента управляемости СЭ ............... 50

2.9 Частотная зависимость коэффициента отражения

при изменении коэффициента управляемости для керамики с диэлектрической проницаемостью 100 при отсутствии управляющего поля ....................... 51

2.10 Коэффициент отражения при изменении коэффициента управляемости для керамики с диэлектрической проницаемостью 100 (в отсутствии управляющего поля)

при использовании четвертьволновых согласующих слоев . . 52

2.11 Двухмерная электродинамическая модель ОДЛ - а) и результат расчета распределения модуля электрического

поля в расчетной области - б) ................. 55

2.12 Двухмерная электродинамическая модель СЭ ЭУЛ - а) и результат расчета распределения модуля электрического

поля в расчетной области - б) ................. 56

2.13 Распределение коэффициента управляемости

по апертуре СЭ ЭУЛ....................... 57

2.14 Сравнение нормированных ДН волновода, ОДЛ и СЭ ЭУЛ . 57

2.15 Принцип сложения электрических профилей для

отклонения луча с помощью СЭ ЭУЛ..........................58

2.16 Отклонения луча диаграммы направленности за счет ДП . . 59

2.17 Изменение КНД СЭ ЭУЛ при различных величинах градиента линейного ДП ........................................59

2.18 ДП для формирования двулучевой ДН........................60

2.19 Синхронное сканирование двумя лучами ......................61

2.20 ДП для формирования несинхронного сканирования лучами 61

2.21 Несинхронное управление лучами ДН..........................62

3.1 Сканирующая антенная система на основе однослойного сегнетоэлектрического дефлектора с согласующими слоями . 65

3.2 Зависимость максимального угла отклонения луча ДН в зависимости от размера апертуры при различной разнице

фаз волны на краях апертуры дефлектора .......... 65

3.3 Изменение параметра крутизны проводимости СЭ РНЭ резонатора, нормированного к волновой проводимости СЭ материала, при различном коэффициенте кратности (п) полуволновой длины ....................... 70

3.4 Схематическое представление трехслойной периодической стуктры дефлектора на основе СЭ слоев, разделенных линейными диэлектриками (£лд1 =3 и £лд2 = 8,4) ...... 72

3.5 Б-параметры - а) и ФЧХ синтезированной структуры - б) . 73

3.6 Коэффициент передачи трехслойной периодической структуры при различных величинах диэлектрических

потерь в СЭ ............................ 73

3.7 Б-параметры - а), б) и ФЧХ - в) синтезированной структуры при различных величинах коэффициента управляемости СЭ ........................ 74

3.8 Б-параметры - а), б) и ФЧХ - в) трехслойной периодической структуры с воздушными зазорами

при полной перестройке полосы пропускания ......... 78

3.9 Б-параметры - а), б) и ФЧХ - в) трехслойной периодической структуры дефлектора с воздушными зазорами при не полной перестройке полосы пропускания . . 79

3.10 Зависимость фазового набега волны периодической и однослойной структуры дефлектора и полосы рабочих частот периодического трехслойного дефлектора от величины коэффициента управляемости сегнетоэлектрика . 80

3.11 Расчетная модель антенной системы на основе трехслойного дефлектора............................ 82

3.12 Сканирование лучом ДН при изменении коэффициента управляемости .......................... 82

3.13 Изменение луча ДН в полосе частот при формировании градиента диэлектрической проницаемости СЭ (100 ^ 89)

при К = 1,12........................... 83

3.14 Сравнение ДН, сформированных с помощью однослойной и многослойной конструкций СЭ дефлектора.......... 84

3.15 Различные образцы пленок БьТьСе, нанесенных на слюдяные подложки - а); прозрачные электроды на ББТО керамике с контактными площадками

из серебряных чернил - б) .................... 88

3.16 Составные части конструкции периодичесого дефлектора . . 90

3.17 Схема резистивного делителя для формирования ступенчатого градиента управляющих напряжений - а); фотография СЭ пластины с нанесенными РПЭ - б)..... 91

3.18 Изготовленные прототипы дефлектора: трехслойный

(слева), двухслойный (справа) ................. 92

3.19 ДН конического рупора: моделирование и измерения . . . . 93

3.20 Схема стенда для измерения параметров прототипа дефлектора ............................ 94

3.21 Схема поворотного механизма для измерения диаграммы направленности дефлектора - а); фотография поворотного механизма для измерения угла отклонения луча диаграммы направленности дефлектора - б) ................ 95

3.22 Частотные зависимости коэффициентов прохождения и отражения трехслойной дефлекторной структуры ...... 96

3.23 Частотные зависимости коэффициента прохождения трехслойной дефлекторной структуры при приложении управляющего напряжения (без градиента) и в его отсутствии 97

3.24 Сравнение главного луча рупорной ДН с дефлектором и

без - а); изменение ширины луча рупорной ДН - б)..... 98

3.25 Отклонение луча ДН при различной величине градиента управляющего напряжения ................... 99

4.1 Сегнетоэлектрическая фазовая пластинка (СЭ ФП) для формирования электромагнитной волны с ненулевым орбитальным угловым моментом ................ 102

4.2 Конструкция СЭ ФП - а); топология управляющего электрода - б); распределение управляющего напряжения

по электроду - в)......................... 103

4.3 Распределение амплитуды волны - а) и фазы в плоскости апертуры СЭ ФП при д = 1 - б) и д = —1 - в)......... 104

4.4 Диаграммы направленности для мод: д = —1 - а); д = 0 - б);

д = 1 - в).............................. 105

4.5 Распределение амплитуды - а) и фазы - б) волны при д=1

в плоскости удаленной от апертуры СЭ ФП на величину Ло . 105

4.6 Распределение амплитуды - а) и фазы - б) волны при д=1

в плоскости удаленной от апертуры СЭ ФП на величину 5Л0 106

4.7 Распределение амплитуды - а) и фазы - б) волны при д=1

в плоскости удаленной от апертуры СЭ ФП на величину 10Л0 106

4.8 Различные топологии дискретных радиопрозрачных электородов ............................ 108

4.9 Распределение фазы волны в плоскости апертуры СЭ ФП - а), трехмерная - б) и двухмерная - в) ДН при д =1

для трехэлектродной топологии РПЭ ............. 108

4.10 Распределение фазы волны в плоскости апертуры СЭ ФП - а), трехмерная - б) и двухмерная - в) ДН при д =1

для четырехэлектродной топологии РПЭ ........... 109

4.11 Распределение фазы волны в плоскости апертуры СЭ ФП - а), трехмерная - б) и двухмерная - в) ДН при д =1

для топологии с пятью дискретными РПЭ .......... 109

4.12 Распределение фазы волны в плоскости апертуры СЭ ФП - а), трехмерная - б) и двухмерная - в) ДН при д =1

для топологии с восемью дискретными РПЭ ......... 110

4.13 Распределение фазы волны в плоскости апертуры СЭ

ФП - а), трехмерная - б) и двухмерная - в) ДН при д = 2 для топологии с восемью дискретными РПЭ ......... 111

4.14 Распределение фазы волны в плоскости апертуры СЭ

ФП - а), трехмерная - б) и двухмерная - в) ДН при д = —2 для топологии с восемью дискретными РПЭ ......... 111

4.15 Конструкция прототипа электрически управляемой ФП на основе двух сегнетоэлектрических пластин - а); фотография сегнетоэлектричсеких пластин с нанесенными радиопрозрачными электродами - б); фотография пластин ситала, используемых в качестве согласующих слоев - в) . . 113

4.16 Прототип электрически управляемой сегнетоэлектрической фазовой пластины........................ 114

4.17 Сравнение результатов моделирования и измерений луча

ДН сформированного СЭ ФП при д = 1............ 114

Список таблиц

2.1 Результаты измерения диэлектрических потерь сегнетокерамики ..................................................48

2.2 Параметры объемной диэлектрической линзы ................55

2.3 Основные параметры СЭ ЭУЛ..................................56

3.1 Параметры периодической структуры на основе сегнетоэлектрических элементов ................................71

3.2 Резонансные частоты образцов состава № 1....................85

3.3 Результаты измерений пластин СЭ керамики состава № 1 . . 86

3.4 Материалы для производства оптически прозрачных электродов ........................................................87

3.5 Результаты измерения радиопрозрачных электродов..........88

3.6 Геометрические размеры конического рупора..................92

3.7 Результаты моделирования и измерения КНД первичного излучателя ........................................................93