Устройство для преобразования поляризации электромагнитной волны

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(72) Авторы Семченко Игорь Валентинович Хахомов Сергей Анатольевич Подалов Максим Александрович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) 1. Устройство для преобразования поляризации электромагнитной волны, содержащее диэлектрический слой с решетчатой структурой, выполненной из одинаковых проводящих элементов, отличающееся тем, что проводящие элементы выполнены в виде -элементов с симметричными относительно петель плечами и размещены в диэлектрическом слое на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом оси -элементов, проходящие через центры петель ортогонально их плоскости, ориентированы перпендикулярно диэлектрическому слою, плечи -элементов лежат в плоскости падения, образованной волновыми векторами падающей и отраженной волн, угол падения, образованный волновым вектором падающей волны и перпендикуляром к диэлектрическому слою, равен 45, при этом радиуспетли и длину а- плеча -элемента определяют по формулам 37832007.08.30 где- радиус петли -элемента,а - длина плеча -элемента, - длина волны. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длина проводника , из которого изготовлен -элемент, равна половине длины электромагнитной волны. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диэлектрический слой является радиопрозрачным. Полезная модель относится к антенной технике и предназначена, в частности, для преобразования линейно-поляризованной электромагнитной волны в электромагнитную волну с круговой поляризацией, и может применяться, например, для передачи сигналов с круговой поляризацией в СВЧ диапазоне в системах космической связи. Современный уровень техники характеризуется рядом устройств, способных решить данную задачу в различных областях длин волн. Из оптики известно классическое устройство для получения волны, поляризованной по кругу, выполненное в виде кристаллической пластинки, вырезанной параллельно оптической оси, при этом толщина пластинки такова, что оптическая разность хода двух лучей, прошедших через пластинку, колебания светового вектора которых совершаются во взаимно перпендикулярных направлениях, составляет четверть длины волны падающего излучения 1. При этом амплитуды колебаний взаимно перпендикулярных волн должны быть равны. Равенство амплитуд достигается падением линейно-поляризованной электромагнитной волны на пластинку в четверть волны таким образом, чтобы направление колебания ее светового вектора составляло угол 45 с направлением оптической оси пластинки. Данное устройство действует преимущественно в оптическом диапазоне, работает только при прохождении волны через устройство и функционирует только при определенном направлении колебания светового вектора. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для преобразования поляризации электромагнитной волны, содержащее диэлектрический слой с решетчатой структурой, выполненной из одинаковых проводящих элементов 2. При этом диэлектрический слой представляет собой плату, на одной стороне которой выполнена решетчатая структура из одинаковых проводящих элементов, представляющих собой меандровые линии, расположенные 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. Принцип работы известного устройства основан на ориентации плоскости линейной поляризации падающей электромагнитной волны, что существенно сужает область его применения. Известное устройство обеспечивает получение волны с круговой поляризацией лишь при прохождении электромагнитной волны через устройство, что делает невозможным его применение в отражающих системах. Процесс изготовления решетчатой структуры - химический, в соответствии с технологией изготовления печатных плат. 2 37832007.08.30 Техническая задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в создании устройства для преобразования поляризации электромагнитной волны из линейной в круговую вне зависимости от ориентации плоскости линейной поляризации падающей электромагнитной волны при заданном направлении распространения падающей волны. Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели формирование циркулярно-поляризованной волны благодаря излучению связанных между собой электрического дипольного момента и магнитного момента каждого элемента, которые дают равные по абсолютной величине вклады в отраженную волну формирование взаимно ортогональных электрических полей, создаваемых электрическим дипольным моментом и магнитным моментом каждого -элемента упрощение процесса изготовления решетчатой структуры. Технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования поляризации электромагнитной волны, содержащем диэлектрический слой с решетчатой структурой,выполненной из одинаковых проводящих элементов, проводящие элементы выполнены в виде -элементов с симметричными относительно петель плечами и размещены в диэлектрическом слое на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом оси -элементов, проходящие через центры петель ортогонально их плоскости, ориентированы перпендикулярно диэлектрическому слою, плечи -элементов лежат в плоскости падения, образованной волновыми векторами падающей и отраженной волн, угол падения, образованный волновым вектором падающей волны и перпендикуляром к диэлектрическому слою, равен 45,при этом радиуспетли и длину а плеча -элемента определяют по формулам где- радиус петли -элемента,а - длина плеча -элемента, - длина волны. Кроме того, длинапроводника, из которого изготовлен -элемент, равна половине длины электромагнитной волны. Кроме того, диэлектрический слой является радиопрозрачным. Сущность полезной модели заключается в следующем. При излучении циркулярно-поляризованной электромагнитной волны основную роль играют компонента электрического дипольного момента , направленная вдоль плеч-элементов, и компонента магнитного момента , направленная на ось -элемента. Геометрия расположения -элемента относительно падающей и отраженной волны подобрана таким образом, чтобы формирование циркулярно-поляризованной волны происходило благодаря излучению этих компонент. Симметрия распределения тока в каждом-элементе приводит к тому, что другие компоненты электрического дипольного момента и магнитного момента не возникают. Для того, чтобы происходило формирование циркулярно-поляризованной отраженной волны, необходимо не только специальное расположение -элементов, описанное выше,но и оптимальные геометрические параметры -элементов. Радиуспетли -элемента и длину а плеча определяют по теоретически рассчитанным формулам где- радиус петли -элемента,а - длина плеча- элемента, - длина волны. Данные формулы получены путем применения дипольного приближения при рассмотрении излучения -элемента в случае главного частотного резонанса и при условии,что электрический дипольный момент и магнитный момент -элемента дают равные по абсолютной величине вклады в отраженную волну, вследствие чего эта волна приобретает циркулярную поляризацию. Длинапроводника, из которого изготовлены -элементы, рассчитана из условия главного частотного резонанса, из которого следует, что ток в проводнике достигает наибольшего значения при равенстве длиныпроводника половине длины электромагнитной волны, то есть,2 где- длина проводника, - длина волны. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от известного геометрической формой проводящих элементов, взаимосвязью параметров и их расположением в диэлектрическом слое, а также отсутствием зависимости от ориентации плоскости поляризации падающей электромагнитной волны. Таким образом, заявляемое устройство для преобразования поляризации является новым. Анализ научно-технической и патентной информации не выявил в известных технических решениях заявляемой совокупности существенных признаков, и полезная модель явным образом не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство для преобразования поляризации имеет изобретательский уровень. Заявляемое устройство для преобразования поляризации электромагнитной волны является промышленно применимым, так как в случае его использования возможна реализация указанной области назначения. На фиг. 1 изображена схема заявляемого устройства для преобразования поляризации электромагнитной волны. На фиг. 2 - -элемент. На фиг. 3 - график зависимости коэффициента К эллиптичности отраженной волны от частоты в двух случаях различной ориентации плоскости поляризации падающей волны. Заявляемое устройство для преобразования поляризации содержит радиопрозрачный диэлектрический слой 1 (фиг. 1) и -элементы 2, образующие решетчатую структуру. элементы 2 расположены на одинаковом расстоянии друг от друга так, что оси 3 всех элементов 2 ориентированы в одном направлении и лежат перпендикулярно плоскости диэлектрического слоя 1. Плечи -элементов лежат в плоскости падения, угол падения равен 45 (подробнее см. стр. 3). Расстояниепо возможности минимально. Кроме того, на фиг. 1 позициями 4, 5 обозначены соответственно излучающая и приемная рупорные антенны, которые не относятся к заявляемой полезной модели и приведены для описания работы заявляемой полезной модели. Каждый -элемент (фиг. 2) выполнен со следующими параметрами радиуспетли, длина а плеча, расстояниемежду плечами,длинапроводника, диаметр медной проволоки . Было изготовлено устройство для преобразования падающей линейно-поляризованной электромагнитной волны в электромагнитную волну с круговой поляризацией. В качестве радиопрозрачного диэлектрического слоя использовали пенопласт. Параметры решетчатой структуры были рассчитаны для частоты 3 ГГц. 4 37832007.08.30 Решетчатая структура выполнена из одинаковых медных -элементов, имеющих радиус петли 6,610-3 м и длину плеча а 410-3 м, при этом расстояниемежду плечами составляло 110-3 м. Длина проводникабыла равна 0,05 м толщина медной проволоки 15,510-4 м. Для измерения поляризационной характеристики применяли метод, основанный на использовании приемной 5 антенны с линейной поляризацией поля (рупорная антенна). Заявляемая полезная модель устройства работает следующим образом. Рупорная антенна 4 излучает линейно-поляризованную электромагнитную волну, которая падает на решетчатую структуру полезной модели, угол падения 45. Векторколеблется в любой плоскости, -элементы 2 трансформируют падающую волну в циркулярно-поляризованную отраженную волну, где векторсовершает круговое движение в пространстве, приемная антенна 5 регистрирует отраженную волну. Для -элементов, показанных на фиг. 1 и 2, отраженная волна имеет правостороннюю циркулярную поляризацию, то есть вектор напряженности электрического поля этой волны образует в пространстве правый винт. Результаты испытаний приведены на графике фиг. 3, иллюстрирующем зависимость коэффициента эллиптичности от частоты падающей электромагнитной волны. В области резонансной частоты 2,8-2,9 ГГц устройство обеспечивает получение электромагнитной волны с круговой поляризацией, с коэффициентом эллиптичности, близким к единице (порядка 0,96). При этом максимальный коэффициент эллиптичности не зависит от ориентации плоскости поляризации падающей волны. Следовательно, рассмотренные оптимальные -излучатели могут быть активированы как электрическим, так и магнитным полем падающей волны. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5