РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 52, № 8, с. 917-922
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ^^^^^^^^^^
И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 621.396.67
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ПРИ ПОМОЩИ СПИРАЛЬНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
© 2007 г. И. В. Семченко, С. А. Хахомов, А. Л. Самофалов
Поступила в редакцию 04.07.2005 г.
Теоретически и экспериментально исследовано преобразование поляризации электромагнитной волны двумерной решеткой из двухвитковых металлических спиралей. Определены электрический и магнитный моменты, создаваемые падающей линейно поляризованной волной в уединенной спирали. Установлено универсальное соотношение между проекциями индуцированных моментов на ось спирали. Рассчитаны оптимальные параметры спирали для излучения циркулярно поляризованной волны. Изготовлена двумерная решетка, состоящая из двухвитковых спиральных элементов с оптимальными параметрами. Полученные теоретические результаты проверены экспериментально.
ВВЕДЕНИЕ
Искусственные композитные среды, обладающие киральными свойствами в микроволновом диапазоне, активно исследовали в течение последних пятнадцати лет [1-11]. Предполагали, что на основе искусственных киральных материалов могут быть созданы безотражательные покрытия металлических поверхностей. Исследования возможного использования искусственных киральных материалов для уменьшения отражения электромагнитных волн описаны в работах [4-7]. Однако в [9] сделан вывод, что киральность не является важным свойством при создании безотражательных покрытий. Достичь существенного снижения интенсивности отраженных электромагнитных волн на определенной частоте можно также при помощи некиральных поглощающих слоев. Авторы работы [9] пришли к такому выводу в результате расчета рассеяния электромагнитных волн на металлических спиралях в диэлектрической среде. Такую среду можно создать искусственно, поместив металлические проволочные включения спиральной формы в диэлектрический материал[11].
Цель данной работы - исследование взаимодействия электромагнитного излучения микроволнового диапазона с двумерной решеткой, состоящей из металлических спиралей с предварительно рассчитанными оптимальными параметрами и демонстрация того, что такие структуры можно использовать для преобразования поляризации электромагнитных волн микроволнового диапазона, например, для получения циркулярно поляризованной волны.
В большей части работ, посвященных данному вопросу, рассмотрены цилиндрические спиральные антены, соединенные с питающим фидером (активные спирали), и в таких устройствах реализован режим осевого излучения с эллиптической
поляризацией излучения [12]. В рассмотренной и рассчитанной в данной работе двумерной решетке, состоящей из двухвитковых спиралей, спиральный элемент является пассивным в отличие от известных и обеспечивает формирование циркулярно поляризованной волны в направлении, перпендикулярном осевому, вследствие излучения связанных между собой компонент электрического дипольного и магнитного моментов.
Наиболее близким к рассматриваемому является устройство для преобразования поляризации, содержащее диэлектрический слой с решетчатой структурой, выполненной из одинаковых проводящих элементов [13]. При этом диэлектрический слой представляет собой плату, на одной стороне которой выполнена решетчатая структура из одинаковых проводящих элементов в виде меандровых линий, расположенных под углом 45° к плоскости линейной поляризации электромагнитной волны и параллельно друг другу. Кроме того, решетчатая структура имеет параметры, обеспечивающие изменение фазы двух составляющих вектора напряженности электрического поля электромагнитной волны, проходящей через антенный поляризатор. Устройство обеспечивает получение волны с круговой поляризацией лишь при прохождении электромагнитной волны через поляризатор, в результате чего нельзя применить его в отражающих системах.
В способе, рассмотренном в данной работе, преобразование поляризации электромагнитной волны из линейной в круговую происходит вне зависимости от ориентации плоскости линейной поляризации падающей электромагнитной волны при заданном направлении распространения падающей волны.
Формирование циркулярно поляризованной волны происходит благодаря излучению связанных между собой электрического дипольного момен-
тг
р
Ы/ 2
| евдо ¿у = -вы^ | я,
(V) -Ы/2
где 2 = -в - заряд электрона; ¿V = - объем элемента спирали, ^^ - площадь сечения проволоки, Ыв - объемная концентрация электронов проводимости. Аналогично можно вычислить магнитный момент спирали и, учитывая геометрические параметры спирали, определить проекции моментов на оси координат.
Рассмотрим спираль, образованную витками радиусом г и имеющую длину Ы. Высота спирали Н = кЫс, угол подъема спирали относительно плоскости, перпендикулярной оси спирали, равен а, ось спирали совпадает с осью 0х, Ыс - число витков спирали (см. рис. 1).
Введем удельное кручение спирали д, связанное с шагом спирали к соотношением
Рис. 1. Спираль и ее схематическое изображение развернутом виде.
та и магнитного момента каждой спирали, которые дают равные по абсолютной величине вклады в отраженную волну.
1. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ДИПОЛЬНОГО МОМЕНТА И МАГНИТНОГО МОМЕНТА, ВОЗНИКАЮЩИХ В СПИРАЛИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПАДАЮЩЕЙ ВОЛНЫ
Характеристики электромагнитного излучения, рассеянного на спиральном элементе, зависят от соотношения геометрических размеров спирали и длины волны. Рассмотрим случай, когда линейные геометрические размеры спирали много меньше длины падающей волны, что позволяет применить дипольное приближение теории излучения [14].
Для этого случая найдем электрический ди-польный и магнитный дипольный моменты спирали. Одновременное возникновение в каждом спиральном элементе электрического дипольного и магнитного моментов, связанных между собой и индуцированных внешним полем, есть главное условие проявления гиротропных свойств структуры.
Необходимо вычислить все компоненты электрического дипольного и магнитного моментов спирали, от соотношения которых зависит поляризация излучаемой волны.
Пусть I - координата, отсчитываемая вдоль спирали, Ы - длина спирали, £ (/) - смещение электронов проводимости вдоль спирали. Тогда вектор ди-
польного момента р можно представить в виде
, 2 п
к = м-
(2)
(1)
Знак величины д определяет направление кручения спирали в пространстве. При д > 0 спираль образует правый винт (см. рис. 1).
Будем рассматривать главный резонанс, когда длина спирали приблизительно равна половине длины волны падающего излучения. В этом случае сила тока монотонно убывает при удалении от центра спирали, обращаясь в нуль на ее краях. В работе [16] рассмотрена модель линейного убывания тока от центра к концам спирали [15].
Однако более точной является модель гармонического убывания тока от центра к концам спирали. Это соответствует установившемуся колебанию стоячей волны, причем на концах спирали ток равен нулю, а наибольшее значение интенсивности соответствует колебаниям, половина длины волны которых укладывается на длине спирали. Гармоническая зависимость тока от координаты рассмотрена ниже. Этот пример важен потому, что произвольное распределение тока в спирали может быть сведено при помощи фурье-анализа к гармонической зависимости тока от координаты.
Показано, что ^-компоненты электрического дипольного и магнитного моментов спирали обращаются в нуль независимо от числа витков спирали. Это свойство обусловлено симметричностью распределения тока относительно центра спирали.
По мере возрастания числа витков абсолютные значения ^-компонент электрического дипольного и магнитного моментов спирали уменьшаются по сравнению со значениями х-компонент. Таким образом, главную роль играют составляющие моментов вдоль оси спирали.
Для установления общих закономерностей рассмотрим монохроматическую зависимость смещения электронов проводимости от времени:
£( х, I) = £( х) ехр (— ю^),
где ю - циклическая частота тока в спирали. В этом случае выполняется следующее соотношение между смещением электронов проводимости и силой тока 3:
5 = -
1
ю 5,
3.
(4)
При помощи соотношений (1) и (4) можно получить следующее выражение для х-компоненты электрического дипольного момента спирали:
Ю13( х) Сх.
(5)
2
2 г2д 13( х) Сх.
(6)
Из выражений (5) и (6) следует соотношение между проекциями моментов на ось спирали
21
Рх = —Г тх,
Ю г q
(7)
Плоскость решетки
45°
Падающая волна
Это выражение является достаточно известным [17-19].
Используя соотношения (1) и (5) и учитывая геометрические параметры спирали, вычислим также х-компоненту магнитного момента:
Отраженная волна
Рис. 2. Схема распределения тока в двухвитковой спирали. Направление тока указано стрелками, сила тока пропорциональна длине стрелки, ф - полярный угол.
2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СПИРАЛИ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЦИРКУЛЯРНО ПОЛЯРИЗОВАННОЙ ВОЛНЫ ПРИ УСЛОВИИ РЕЗОНАНСА. УЧЕТ ЧИСЛА ВИТКОВ СПИРАЛИ
В дипольном приближении напряженность электрического поля излучаемой волны имеет вид [14, 20]
Е(Я, ^ =
4пЯ 1[[р' "]П] + С[П т] ''
которое является универсальным, поскольку не зависит от распределения тока в спирали. Именно х-компоненты моментов спирали играют главную роль при излучении циркулярно поляризованной волны в направлении, перпендикулярном оси спирали.
Соотношение (7) проверено нами на примере трех частных случаев распределения тока в спирали: постоянного тока, линейного убывания тока от центра к концам спирали, гармонической зависимости тока от координаты.
Универсальность соотношения (7) следует понимать и в более широком смысле. В искусственной гиротропной структуре ток в каждой спирали может изменяться не только в результате прямого воздействия падающей электромагнитной волны, но и под влиянием других спиралей, образующих структуру. Однако при любых изменениях тока компоненты электрического дипольного момента рх и магнитного момента тх изменяются согласованно, и соотношение (7) остается справедливым. Поэтому геометрические параметры спирали, приведенные ниже, обеспечивают получение циркулярно поляризованной волны даже при значительном возрас
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.