CC BY
57
УДК 336.77:631.396
А.П. Зверев, И.Н. Кабанов, В.В. Комаров, В.П. Мещанов
РАСЧЁТ И ОПТИМИЗАЦИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ И ТЕРАГЕРЦЕВЫХ ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНЫХ СТРУКТУР ДЛЯ СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ МЧС
В статье представлены результаты математического моделирования одномерных и двумерных периодических структур для управления параметрами электромагнитных сигналов в системах специальной техники. Анализируемые частотно-селективные структуры были успешно адаптированы для разработки сеточных поляризаторов и полосно-пропускающих фильтров различных частотных диапазонов. Данные устройства демонстрируют стабильные электродинамические характеристики в условиях вибрации, сильных перепадов температуры и высокой влажности.
Ключевые слова: частотно-селективные структуры, сеточные поляризаторы, полосно-пропускающие фильтры, электромагнитный сигнал.
А. Zverev, I. Kabanov, V. Komarov, V. Meshanov
CALCULATION AND OPTIMIZATION OF MICROWAVE AND TERAHERTZ FREQUENCY-SELECTIVE STRUCTURES FOR THE SYSTEMS OF EMERCOM
SPECIAL ENGINEERING
Results of mathematical modeling of 1D and 2D periodic structures for control of parameters of electromagnetic signals in the systems of special engineering are represented in the paper. Analyzed frequency-selective structures are adapted for design of mesh polarizers and band-pass filters of various frequency ranges. Given devices demonstrate stable electrodynamic characteristics in conditions of vibration, strong variations of temperature and high humidity.
Keywords: frequency-selective structures, mesh polarizer, band-pass filters, electromagnetic signals.
В настоящее время одномерные и двумерные периодические структуры находят широкое применение в различных микроволновых и терагерцевых системах управления параметрами электромагнитных (ЭМ) сигналов. На их основе создаются полосовые фильтры, сеточные поляризаторы, поглотители, модуляторы, сенсоры и другие приборы с уникальными электродинамическими характеристиками.
Для изучения дифракционных явлений в таких частотно-селективных структурах (ЧСС), как правило, применяются либо экспериментальные методы, либо методы математического моделирования, в том числе численные алгоритмы дискретизации уравнений математической физики: метод интегральных уравнений, метод конечных элементов (МКЭ) и метод конечных разностей во временной области (МКРВО).
Технологически ЧСС могут быть реализованы либо в виде слоев металлизации на диэлектрической основе с привлечением методов фотолитографии, либо в виде перфорированных экранов с использованием технологии струйного травления. Как было показано в работе [1], вторая технология является более перспективной с точки зрения повышения надежности и термостойкости данных устройств, что особенно важно для бортовой аппаратуры.
Явление поляризации ЭМ волн лежит в основе функционирования многих узлов и элементов современных систем связи, радиолокации и управления различных частотных диапазонов. В частности, в антенных системах наряду с ферритовыми фазовращателями на эффекте Фарадея и поляризационными диплексерами для управления параметрами ЭМ сигналов широко применяются разнообразные сеточные поляризаторы (СП).
При взаимодействии одномерной периодической структуры (дифракционной решетки) с линейно поляризованными ЭМ волнами наблюдается как пропускание таких волн, так и их
отражение. Когда вектор напряженности электрического поля (Е) параллелен перемычкам решетки, в области взаимодействия возникает ЭМ поле, препятствующее распространению сигнала. Затухание
сигнала минимально, если вектор Е перпендикулярен перемычкам и поле в области взаимодействия не влияет на распространение сигнала. Данный эффект лежит в основе функционирования СП. ЭМ волны с эллиптической поляризацией проходят сквозь решетку, теряя пятьдесят процентов своей мощности.
В данной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований одномерных металлических решеток СП с прямоугольными перемычками (рис. 1, рис. 2), используемых в радиолокационной и коммуникационной технике.
Рис. 1. Конфигурация поляризационной Рис. 2. Размеры решетки
решетки
Базовые размеры прибора: толщина перемычек (м>), их ширина (0 и период решетки (5) определяют его электродинамические и механические характеристики. Для расчёта передаточных характеристик таких решеток разработана двумерная конечно-элементная модель с условиями периодичности Флоке, учитывающая параметры сигнала на входе решетки. Помимо численного моделирования,
также были проведены измерения. Достигнуто хорошее согласование теоретических и экспериментальных данных. Установлено влияние трех основных размеров решетки на уровень пропускаемой мощности для ЭМ волн с Е-поляризацией.
На рис. 3 в качестве примера показаны передаточные характеристики СП с периодом 5 = 50 мкм [2].
Рассматриваемые устройства поляризации устанавливаются в антенных переключателях приемных
200 225 Частота, ГГц
Рис. 3. Коэффициент передачи металлической решетки с размерами: í = 50 мкм; w = 4 (1), 8 (2), 16 (3), 25 (4) и 35 мкм (5) для случая Е-поляризации плоской волны.
устройств радиолокационной станции ближнего радиуса действия многоцелевого назначения. Применение данных приборов позволило увеличить дальность разведки цели за счет уменьшения потерь в тракте; повысить угловую точность сопровождения цели за счет увеличения развязки; повысить величину пропускаемой мощности терагерцевого тракта передающей системы. Кроме того, как показали испытания, эти приборы могут работать при температурах от -60°С до +85°С, при высоких уровнях мощности, повышенной влажности и в условиях вибрации, что выгодно отличают их от аналогов.
Используемая для изготовления таких устройств новая технология позволяет создавать многофункциональные компоненты квазиоптических и волноводных трактов, таких как полосовые фильтры, аттенюаторы, направленные ответвители, фазосдвигатели. Она дает существенный экономический эффект как за счет снижения затрат на производство поляризаторов, так и за счет увеличения срока их службы. Реализация терагерцевых поляризаторов осуществляется только на отечественной электронной компонентной базе.
С помощью поляризационных решеток можно осуществлять поиск и распознавание различных объектов в условиях сильного задымления или загрязнения (запыления) для оперативной оценки ситуации. В ряде случаев такие цели ставят перед собой подразделения МЧС РФ, занимающиеся ликвидацией последствий стихийных бедствий, террористических актов и техногенных катастроф. Внедрение таких ЧСС в системах мониторинга и связи многоцелевых сухопутных, водных и воздушных средств Ми-8МТВ-1, КА-32А, Бе-2004С МЧС РФ даст возможность расширить их функциональные возможности в условиях плохой видимости.
Еще одно важное направление использования таких систем связано с дистанционным зондированием и оценкой химического состава газов (в том числе и вредоносных) в зонах катастроф, например в районах повреждения газопроводов или других местах утечки газов.
Другая ЧСС, представляющая собой металлический экран малой толщины с крестообразными периодическими отверстиями (рис. 4), также рассматривается в данной работе.
Базовое направление использования двумерных ЧСС - фильтрация ЭМ сигналов. Основными электродинамическими характеристиками двумерных ЧСС являются частотные зависимости параметров матрицы рассеяния, фазовый сдвиг, затухание, диаграмма направленности (для антенных систем), глубина модуляции и полоса пропускания.
Для исследования электродинамических характеристик ЧСС, показанных на рис. 4, была построена трехмерная численная модель на МКРВО, позволяющая проводить не только анализ, но и оптимизацию параметров ЧСС. Расчёт двух наиболее важных параметров: коэффициента передачи и полосы пропускания, выполнялся в различных частотных диапазонах от 70 ГГц до 260 ГГц. Высокая точность анализа была подтверждена результатами измерений в '-диапазоне частот.
В качестве примера на рис.5 приведены передаточные характеристики исследуемой ЧСС с толщиной металлизации 150 мкм и определяющим размером крестообразного АЭ, варьируемом в интервале 1633 < а, мкм <1650 [3].
Результаты исследований подобных ЧСС как в микроволновом, так и в терагерцевом диапазоне частот показывают, что они могут быть успешно адаптированы для создания фильтров с очень узкой полосой пропускания. В частности, фильтры, построенные на основе ЧСС, представленной на рис.4, демонстрируют значения полосы пропускания 8...20% на уровне 3 дБ по мощности.
Полученные данные были использованы для разработки сверхузкополосных фильтров с центральной частотой 90 ГГц, 140 ГГц и 215 ГГц. Такие устройства могут быть успешно
адаптированы для создания полосовых фильтров в системах радиосвязи многоцелевого самолета-амфибии Бе-2004С и мобильных пунктов управления, созданных специально для работы в кризисных ситуациях. Они позволяют снизить массогабаритные показатели радиоаппаратуры, что особенно важно для бортовых систем воздушного и морского базирования.
1444441 ,[-П
4=4-4=4=4=- / 4=4=4=44 С 44444 \ 44444
а
Рис. 4. Частотно-селективная поверхность с крестообразными
апертурными элементами
Результаты исследований некоторых ЧСС, созданных в НПП «НИКА-СВЧ» г. Саратов, можно найти в работах [1-6].
Литература
1. Устройства поляризации радиоволн в терагерцевом диапазоне частот / под ред. А.С. Якунина и В.П. Мещанова - М.: Радиотехника, 2012. - 256 с.
2. Алавердян С.А., Кабанов И.Н., Комаров В.В., Мещанов В.П. Математическое моделирование дифракции электромагнитных волн на сеточных поляризационных структурах // Радиотехника и электроника, 2014, том. 59, № 9, с. 925-931.
3. Мещанов В.П., Алавердян С.А., Кабанов И.Н., Комаров В.В. Разработка и моделирование двумерных периодических структур для узкополосной фильтрации сигналов // Радиотехника, 2014, № 10, с. 9-13.
4. Алавердян С.А., Боков С.И., Зайцев Н.А., Исаев В.М., Кабанов И.Н., Креницкий А.П., Мещанов В.П. Сеточные структуры поляризации электромагнитных волн в терагерцовом диапазоне частот // Электромагнитные волны и электронные системы, 2012, т. 17, № 12, с. 47-50.
5. Креницкий А.П., Алавердян С.А., Мещанов В.П. Квазиоптические и волноводные компоненты на основе пленочных структур для диапазона СВЧ, КВЧ и ТГЧ // Антенны, 2012, № 3, с. 15-17.
6. Алавердян С.А., Боков С.И., Исаев В.М., Кабанов И.Н., Комаров В.В., Креницкий А.П., Мещанов В.П., Савушкин С.А., Якунин А.С. Передаточные характеристики сеточных поляризаторов терагерцового диапазона // Динамика сложных систем - XXI век, 2012, № 4, с. 89-94.
Рецензент: кандидат технических наук, профессор Носов М.В.
ю
0
-3
я -6 т
га и
* -9
Я
¡- -12 я
§ -15 я
1Э -18 ©
^ -21 -24
- 100 мкм Уу///
- 70 мкм V"''////
50 мкм N.
40 мкм ^^^^
Ь = 30 мкм
75 80 85 90 95 100 105 110
Частота, ГГц
Рис. 5. Коэффициент передачи ЧСС
70
