RU2571582C2 - Deflection system for controlling plane electromagnetic wave - Google Patents
Deflection system for controlling plane electromagnetic wave Download PDFInfo
- Publication number
- RU2571582C2 RU2571582C2 RU2013137776/08A RU2013137776A RU2571582C2 RU 2571582 C2 RU2571582 C2 RU 2571582C2 RU 2013137776/08 A RU2013137776/08 A RU 2013137776/08A RU 2013137776 A RU2013137776 A RU 2013137776A RU 2571582 C2 RU2571582 C2 RU 2571582C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layers
- ferroelectric
- linear dielectric
- electromagnetic wave
- ferrielectric
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области телекоммуникационных технологий, а более конкретно к устройствам для управления электромагнитными волнами, и может найти применение в радиолокационных и сходных с ними устройствах.The invention relates to the field of telecommunication technologies, and more particularly to devices for controlling electromagnetic waves, and can find application in radar and similar devices.
Устройства для управления направленными электромагнитными волнами, то есть лучами, как правило, конструируются на основе принципа фазированной антенной решетки. В теории антенн фазированной решеткой принято называть набор антенн, в котором величина относительного фазового сдвига в каждой антенне устанавливается таким образом, что диаграмма направленности всего набора антенн имеет максимум в требуемом направлении, а прием или излучение сигналов с нежелательных направлений подавляется. Типичная фазированная антенная решетка состоит из ряда излучателей и фазовращателей, обычно полупроводниковых, ферритовых или сегнетоэлектрических. В патенте США №4323901 [1] описаны устройство и принцип работы подобного устройства с радикально упрощенной конструкцией. Это устройство в своей основе имеет несколько пластин из сегнетоэлектрической керамики, покрытых проводящими пленками, через которые прикладывается управляющее напряжение. Отдельные участки сегнетоэлектрических слоев могут рассматриваться как фазовращатели, в которых величина фазового сдвига может изменяться при изменении диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического слоя, обусловленной управляющим напряжением, приложенным к проводящим пленкам. В дальнейшем на основе такого технического решения был запатентован ряд устройств, работающих по сходному принципу и имеющих аналогичную конструкцию (см., например, патент США №5309166 [2]).Devices for controlling directed electromagnetic waves, that is, beams, are usually constructed on the basis of the principle of a phased array antenna. In the theory of antennas, a phased array is usually called a set of antennas in which the relative phase shift in each antenna is set so that the radiation pattern of the entire set of antennas has a maximum in the desired direction, and the reception or emission of signals from undesirable directions is suppressed. A typical phased array consists of a series of emitters and phase shifters, usually semiconductor, ferrite or ferroelectric. In US patent No. 4333901 [1] describes the device and the principle of operation of such a device with a radically simplified design. This device basically has several ferroelectric ceramic plates coated with conductive films through which a control voltage is applied. Individual sections of the ferroelectric layers can be considered as phase shifters, in which the magnitude of the phase shift can change with a change in the dielectric constant of the ferroelectric layer due to the control voltage applied to the conductive films. Subsequently, on the basis of such a technical solution, a number of devices were patented that operate on a similar principle and have a similar design (see, for example, US patent No. 5309166 [2]).
Схема прототипа [1] представлена на Фиг.1. Устройство является фазированной решеткой для управления электромагнитными волнами, которая включает первый слой 16 активного (сегнетоэлектрического) материала с параллельными внутренней поверхностью 18 и наружной поверхностью 20, а также второй слой 22 активного (сегнетоэлектрического) материала с параллельными первому слою внутренней поверхностью 24 и наружной поверхностью 26, причем второй слой прилегает к первому. Электропроводящая заземленная поверхность 28, выполненная из оксида олова и индия, расположена между первым слоем 16 и вторым слоем 22 и имеет электрический контакт с первой внутренней поверхностью 18 и второй внутренней поверхностью 24. Первый ряд параллельно расположенных электродов 30, 32, 34, каждый из которых выполнен в виде тонкой полоски из оксида олова и индия, помещен на первой наружной поверхности 20, второй ряд параллельно расположенных электродов 36, 38, 40, каждый из которых также выполнен в виде тонкой полоски из оксида олова и индия расположен аналогично на второй наружной поверхности 26, но при этом перпендикулярно первому ряду электродов. Первое антиотражательное (согласующее) покрытие 42 помещено на первую наружную поверхность 20, второе антиотражательное (согласующее) покрытие 44 помещается на наружной поверхности 26.The prototype diagram [1] is presented in figure 1. The device is a phased array for controlling electromagnetic waves, which includes a
Прототип [1] и основанные на том же принципе аналоги имеют следующие недостатки:The prototype [1] and analogues based on the same principle have the following disadvantages:
- высокий уровень управляющего напряжения;- high level of control voltage;
- большие вносимые потери.- large insertion loss.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке усовершенствованной конструкции отклоняющей системы, обеспечивающей снижение величины управляющего напряжения и вносимых электромагнитных потерь.The problem to which the claimed invention is directed is to develop an improved design of a deflecting system that provides a reduction in the magnitude of the control voltage and the introduced electromagnetic losses.
Технический результат достигается за счет разработки отклоняющей системы для управления электромагнитной плоской волной на основе микроволновой периодической структуры, при этом отклоняющая система состоит из n слоев сегнетоэлектрического материала с размещенными по обеим сторонам каждого слоя электродами, разделенными между собой n+1 слоями линейного диэлектрического материала, где n>1 положительное целое число, причем отклоняющая система выполнена с возможностью подачи управляющего напряжения к электродам с формированием градиента электрического поля в сегнетоэлектрической пластине в направлении, перпендикулярном к направлению распространения плоской волны.The technical result is achieved by developing a deflecting system for controlling an electromagnetic plane wave based on a microwave periodic structure, while the deflecting system consists of n layers of ferroelectric material with electrodes placed on both sides of each layer, separated by n + 1 layers of linear dielectric material, where n> 1 is a positive integer, and the deflecting system is configured to supply a control voltage to the electrodes with the formation of a gradient and the electric field in the ferroelectric plate in a direction perpendicular to the direction of propagation of the plane wave.
Иными словами, заявляемое изобретение, так же как и прототип [1], основано на использовании сегнетоэлектрических материалов, однако принцип его работы основан на эффекте распространения медленных волн в периодической структуре.In other words, the claimed invention, as well as the prototype [1], is based on the use of ferroelectric materials, however, the principle of its operation is based on the effect of the propagation of slow waves in a periodic structure.
Для лучшего понимания существа заявляемого изобретения далее приводится его детальное описание с привлечением графических материалов.For a better understanding of the essence of the claimed invention, the following is a detailed description with the use of graphic materials.
Фиг.1 Прототип (патент США №4323901).Figure 1 Prototype (US patent No. 4333901).
Фиг.2 Отклоняющая система, основанная на периодической сегнетоэлектрической структуре с согласующими слоями.Figure 2 A deflecting system based on a periodic ferroelectric structure with matching layers.
Фиг.3 Отклоняющая система, основанная на периодической сегнетоэлектрической структуре с воздушными зазорами.Figure 3 A deflecting system based on a periodic ferroelectric structure with air gaps.
Один из реализованных вариантов заявляемой системы представлен на Фиг.2. Основная функция системы - отклонение падающей плоской электромагнитной волны, сформированной вне предлагаемой системы. Предлагаемая конструкция состоит из согласующих слоев (201 и 202) и ряда сегнетоэлектрических слоев (203, 204, 205), разделенных слоями линейного диэлектрического материала (206, 207). При определенных параметрах линейных и сегнетоэлектрических слоев (диэлектрическая проницаемость и электрическая длина) такая конструкция имеет свойства микроволновой периодической структуры: наличие так называемых «медленных волн» (фазовая скорость в периодической структуре медленнее, чем в регулярной линии), полосно-пропускающие и полосно-запирающие частотные характеристики. При этом фазовая скорость сигналов (для частот, соответствующих полосно-пропускающей частотной характеристике структуры), распространяющихся в предлагаемой системе, зависит от разности характеристических импедансов соседних слоев (сегнетоэлектрических и линейных диэлектрических). Волновое сопротивление сегнетоэлектрического слоя, определяемое диэлектрической постоянной, может изменяться под действием приложенного электрического поля между слоями электродов 208, 209, 210 и заземленных слоев 211, 212, 213 расположенных на поверхности сегнетоэлектрических слоев. Для уменьшения вносимых потерь в системе слои 208-213 должны быть выполнены из материала с высоким сопротивлением и прозрачного для микроволн; допускается выполнение этих поверхностей в виде совокупности полосок. Тем самым формируется градиент электрического поля в сегнетоэлектрической пластине в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны, что приводит к изменению фазовой скорости волны в различных частях системы и, как следствие, приводит к отклонению фазового фронта волны. Следует отметить, что снижение значения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической керамики приводит к перемещению полосы пропускания предлагаемой структуры на более высокие частоты. Для достижения максимальной эффективности отклонения волны от дефлектора рабочая частота должна быть выбрана вблизи правой частоты среза полосы пропускания. Максимальная частота настройки определяется из условия совпадения правой и левой частоты среза полосы пропускания для структуры, как без управляющего напряжения, так и под управляющим напряжением.One of the implemented variants of the inventive system is presented in Figure 2. The main function of the system is the deviation of the incident plane electromagnetic wave generated outside the proposed system. The proposed design consists of matching layers (201 and 202) and a series of ferroelectric layers (203, 204, 205), separated by layers of linear dielectric material (206, 207). For certain parameters of linear and ferroelectric layers (permittivity and electric length), this design has the properties of a microwave periodic structure: the presence of so-called “slow waves” (phase velocity in a periodic structure is slower than in a regular line), band-pass and band-block frequency characteristics. Moreover, the phase velocity of the signals (for frequencies corresponding to the bandwidth frequency response of the structure) propagating in the proposed system depends on the difference in the characteristic impedances of neighboring layers (ferroelectric and linear dielectric). The wave resistance of the ferroelectric layer, determined by the dielectric constant, can change under the action of an applied electric field between the layers of
Предпочтительный вариант предлагаемой структуры дефлектора схематично представлен на Фиг.3. Основным отличием от ранее упомянутого варианта является отсутствие согласующих слоев и использование воздушных зазоров вместо линейных диэлектрических слоев. Такая конструкция должна иметь следующие параметры: электрическая длина сегнетоэлектрических слоев 203, 204, 205 и воздушных зазоров 301, 302 соответствует ¼ и ½ λт соответственно, где λт - длина волны в соответствующей среде при рабочей частоте. Для подачи управляющего напряжения прозрачные для микроволн электроды 208, 209, 210, 211, 212, 213 наносят на обе стороны сегнетоэлектрических слоев 203, 204, 205. По сравнению с первым вариантом предлагаемая структура дефлектора является более привлекательной с точки зрения упрощения изготовления (отсутствие согласующих и линейных диэлектрических слоев), снижения потерь и величины управляющего напряжения.A preferred embodiment of the proposed deflector structure is shown schematically in FIG. 3. The main difference from the previously mentioned option is the absence of matching layers and the use of air gaps instead of linear dielectric layers. Such a design should have the following parameters: the electric length of the
В практической реализации заявляемой отклоняющей системы элементы 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207 изготовляются с помощью традиционной технологии для керамики. Для изготовления согласующих слоев 201, 202 и слоев 206, 207, разделяющих сегнетоэлектрические слои, используется линейный диэлектрик. Активные слои 203, 204, 205 изготавливаются из сегнетоэлектрических материалов. Слои 208, 209, 210, 211, 212, 213 электродов должны иметь толщину t<<δ (где t - толщина, δ - глубина скин-слоя) для уменьшения потерь сигнала, поэтому для их изготовления используется технология осаждения тонких пленок (магнетронное напыление, соль-гель технология или лазерная абляция). Слои 208, 209, 210, 211, 212, 213 электродов должны быть размещены с обеих сторон активных слоев 203, 204, 205. После нанесения слоя электродов формирование полосковой структуры электродов выполняется, например, с помощью фотолитографии. В качестве материала электродов 208, 209, 210, 211, 212, 213 используются, в частности, ZnO, TiO2, TaN и твердые растворы Si, Ti и Ce.In the practical implementation of the inventive deflecting system, the
Изобретение может быть использовано в области телекоммуникаций и радарных сканирующих систем.The invention can be used in the field of telecommunications and radar scanning systems.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013137776/08A RU2571582C2 (en) | 2013-08-13 | 2013-08-13 | Deflection system for controlling plane electromagnetic wave |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013137776/08A RU2571582C2 (en) | 2013-08-13 | 2013-08-13 | Deflection system for controlling plane electromagnetic wave |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013137776A RU2013137776A (en) | 2015-02-20 |
RU2571582C2 true RU2571582C2 (en) | 2015-12-20 |
Family
ID=53282033
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013137776/08A RU2571582C2 (en) | 2013-08-13 | 2013-08-13 | Deflection system for controlling plane electromagnetic wave |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2571582C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2784530C1 (en) * | 2022-07-25 | 2022-11-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбТЭТУ "ЛЭТИ") | Device for the simultaneous formation of electromagnetic waves with different non-zero orbital angular momentum at the same carrier frequency |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU765774A1 (en) * | 1978-01-31 | 1980-09-23 | Предприятие П/Я А-7501 | Electrooptical deflector |
US4323901A (en) * | 1980-02-19 | 1982-04-06 | Rockwell International Corporation | Monolithic, voltage controlled, phased array |
SU1030889A1 (en) * | 1982-01-18 | 1983-07-23 | Ростовский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет | Microwave phase shifter |
US4706094A (en) * | 1985-05-03 | 1987-11-10 | United Technologies Corporation | Electro-optic beam scanner |
US4930853A (en) * | 1988-07-04 | 1990-06-05 | Cselt - Centro Studi E Laboratori Telecomunicazioni S.P.A. | Electrooptic deflector |
US5729239A (en) * | 1995-08-31 | 1998-03-17 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Voltage controlled ferroelectric lens phased array |
CA2362145A1 (en) * | 1999-02-16 | 2000-08-24 | Mykola Kulishov | Electrically adjustable diffraction grating |
US6433375B1 (en) * | 1999-04-13 | 2002-08-13 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) | Tunable microwave devices |
US6456236B1 (en) * | 2001-04-24 | 2002-09-24 | Rockwell Collins, Inc. | Ferroelectric/paraelectric/composite material loaded phased array network |
-
2013
- 2013-08-13 RU RU2013137776/08A patent/RU2571582C2/en active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU765774A1 (en) * | 1978-01-31 | 1980-09-23 | Предприятие П/Я А-7501 | Electrooptical deflector |
US4323901A (en) * | 1980-02-19 | 1982-04-06 | Rockwell International Corporation | Monolithic, voltage controlled, phased array |
SU1030889A1 (en) * | 1982-01-18 | 1983-07-23 | Ростовский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет | Microwave phase shifter |
US4706094A (en) * | 1985-05-03 | 1987-11-10 | United Technologies Corporation | Electro-optic beam scanner |
US4930853A (en) * | 1988-07-04 | 1990-06-05 | Cselt - Centro Studi E Laboratori Telecomunicazioni S.P.A. | Electrooptic deflector |
US5729239A (en) * | 1995-08-31 | 1998-03-17 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Voltage controlled ferroelectric lens phased array |
CA2362145A1 (en) * | 1999-02-16 | 2000-08-24 | Mykola Kulishov | Electrically adjustable diffraction grating |
US6433375B1 (en) * | 1999-04-13 | 2002-08-13 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) | Tunable microwave devices |
US6456236B1 (en) * | 2001-04-24 | 2002-09-24 | Rockwell Collins, Inc. | Ferroelectric/paraelectric/composite material loaded phased array network |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2784530C1 (en) * | 2022-07-25 | 2022-11-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбТЭТУ "ЛЭТИ") | Device for the simultaneous formation of electromagnetic waves with different non-zero orbital angular momentum at the same carrier frequency |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013137776A (en) | 2015-02-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5739796A (en) | Ultra-wideband photonic band gap crystal having selectable and controllable bad gaps and methods for achieving photonic band gaps | |
US7692516B2 (en) | Phase shifter with photonic band gap structure using ferroelectric thin film | |
US20060256014A1 (en) | Frequency agile, directive beam patch antennas | |
Tang et al. | Improved performance of a microstrip phased array using broadband and ultra-low-loss metamaterial slabs | |
CN104752820A (en) | Back-cavity slot antenna array | |
CA2405794A1 (en) | Waveguide-finline tunable phase shifter | |
RU2571582C2 (en) | Deflection system for controlling plane electromagnetic wave | |
CN110739540B (en) | Artificial dielectric medium | |
Mukherjee et al. | Implementation of dual-frequency longitudinal slot array antenna on substrate integrated waveguide at X-band | |
JP5836875B2 (en) | Frequency selection plate | |
Jin et al. | Analysis and design of a slotted waveguide antenna array using hollow substrate integrated waveguide | |
CN107959123B (en) | Magnetic control function reconfigurable device based on plasma/medium multilayer structure | |
Ikhyari et al. | Design and characterization of ADM-based dual-band SIW bandpass filter | |
KR101401251B1 (en) | A phase shifter using metamaterial transmission line unit cells | |
US20200326607A1 (en) | Dielectric travelling wave time domain beamformer | |
WO2018144801A1 (en) | Dielectric travelling waveguide with varactors to control beam direction | |
JP6478397B2 (en) | Phased array antenna | |
Hirokawa et al. | 94GHz fabrication of a slotted waveguide array antenna by diffusion bonding of laminated thin plates | |
RU2784530C1 (en) | Device for the simultaneous formation of electromagnetic waves with different non-zero orbital angular momentum at the same carrier frequency | |
RU2258279C1 (en) | Slotted line | |
Platonov et al. | Tunable Periodic Deflector Structure Based on Ferroelectric Materials | |
RU2526770C2 (en) | Electromagnetic radiation deflector (versions) | |
Nadaud et al. | A simple Phase-Shifting cell for reflectarray using a slot loaded with a ferroelectric capacitor | |
US9591793B2 (en) | Deflecting device for electromagnetic radiation | |
Trampler et al. | Tunable ring-loaded patch element for beam-steerable reflectarray applications |