Дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот
В работе рассмотрены искусственные диэлектрические структуры, обладающие двулучепреломлением формы с периодом структуры, соизмеримым с длиной волны (известны классические методы расчета таких структур с периодом, значительно меньшим длины волны). Рассмотрены искусственные диэлектрические структуры,...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106112 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот / В.И. Безбородов, О.С. Косяк, Е.М. Кулешов, В.В Ячин // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 3. — С. 92-97. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106112 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Безбородов, В.И. Косяк, О.С. Кулешов, Е.М. Ячин, В.В. 2016-09-19T09:31:28Z 2016-09-19T09:31:28Z 2014 Дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот / В.И. Безбородов, О.С. Косяк, Е.М. Кулешов, В.В Ячин // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 3. — С. 92-97. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106112 535.515:621.3.072.7 В работе рассмотрены искусственные диэлектрические структуры, обладающие двулучепреломлением формы с периодом структуры, соизмеримым с длиной волны (известны классические методы расчета таких структур с периодом, значительно меньшим длины волны). Рассмотрены искусственные диэлектрические структуры, обладающие двулучепреломлением формы с периодом структуры, соизмеримым с длиной волны. Был применен численный метод интегральных функционалов в частотной области для многомодовой задачи рассеяния. Этот метод основан на трехмерных интегральных уравнениях для эквивалентного электрического и магнитного тока поляризации периодической среды. Также рассмотрены условия согласования таких структур со свободным пространством. Согласование осуществляется с помощью диэлектрических слоев. У роботі розглянуто штучні діелектричні структури з подвійним променезаломленням форми з періодом структури, порівнянним з довжиною хвилі (відомо про класичні методи розрахунку таких структур з періодом, значно меншим довжини хвилі). Розглянуто штучні діелектричні структури з подвійним променезаломленням форми з періодом структури, порівнянним з довжиною хвилі. Було застосовано чисельний метод інтегральних функціоналів в частотній області для багатомодової задачі розсіювання. Цей метод базується на тривимірних інтегральних рівняннях для еквівалентного електричного і магнітного струму поляризації періодичного середовища. Також розглянуто умови узгодження таких структур із вільним простором. Узгодження здійснюється за допомогою діелектричних шарів. In this paper, some artificial dielectric structures possessing form birefringence with a period of the structure comparable to the wavelength are considered. The classical methods of calculating such structures with a period much smaller than the wavelength are known. To solve the problem of dispersion of a plane monochromatic wave on a lattice consisting of dielectric bars without loss, we used a numerical method of integral functionals in the frequency domain for multimode dispersion problem. This method is based on threedimensional integral equations for the equivalent electric and magnetic polarization current of periodic medium. Also the matching conditions of such structures with free space when obtaining required differential phase shift are considered. The matching is carried out by using dielectric layers. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Микроволновая и терагерцевая техника Дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот Диференціальні фазові секції на основі подвійного променезаломлення форми в терагерцовому діапазоні частот Differential phase sections based on form birefringence in the terahertz frequency range Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот |
| spellingShingle |
Дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот Безбородов, В.И. Косяк, О.С. Кулешов, Е.М. Ячин, В.В. Микроволновая и терагерцевая техника |
| title_short |
Дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот |
| title_full |
Дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот |
| title_fullStr |
Дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот |
| title_full_unstemmed |
Дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот |
| title_sort |
дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот |
| author |
Безбородов, В.И. Косяк, О.С. Кулешов, Е.М. Ячин, В.В. |
| author_facet |
Безбородов, В.И. Косяк, О.С. Кулешов, Е.М. Ячин, В.В. |
| topic |
Микроволновая и терагерцевая техника |
| topic_facet |
Микроволновая и терагерцевая техника |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Радіофізика та електроніка |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Диференціальні фазові секції на основі подвійного променезаломлення форми в терагерцовому діапазоні частот Differential phase sections based on form birefringence in the terahertz frequency range |
| description |
В работе рассмотрены искусственные диэлектрические структуры, обладающие двулучепреломлением формы с периодом структуры, соизмеримым с длиной волны (известны классические методы расчета таких структур с периодом, значительно меньшим длины волны). Рассмотрены искусственные диэлектрические структуры, обладающие двулучепреломлением формы с периодом структуры, соизмеримым с длиной волны. Был применен численный метод интегральных функционалов в частотной области для многомодовой задачи рассеяния. Этот метод основан на трехмерных интегральных уравнениях для эквивалентного электрического и магнитного тока поляризации периодической среды. Также рассмотрены условия согласования таких структур со свободным пространством. Согласование осуществляется с помощью диэлектрических слоев.
У роботі розглянуто штучні діелектричні структури з подвійним променезаломленням форми з періодом структури, порівнянним з довжиною хвилі (відомо про класичні методи розрахунку таких структур з періодом, значно меншим довжини хвилі). Розглянуто штучні діелектричні структури з подвійним променезаломленням форми з періодом структури, порівнянним з довжиною хвилі. Було застосовано чисельний метод інтегральних функціоналів в частотній області для багатомодової задачі розсіювання. Цей метод базується на тривимірних інтегральних рівняннях для еквівалентного електричного і магнітного струму поляризації періодичного середовища. Також розглянуто умови узгодження таких структур із вільним простором. Узгодження здійснюється за допомогою діелектричних шарів.
In this paper, some artificial dielectric structures possessing form birefringence with a period of the structure comparable to the wavelength are considered. The classical methods of calculating such structures with a period much smaller than the wavelength are known. To solve the problem of dispersion of a plane monochromatic wave on a lattice consisting of dielectric bars without loss, we used a numerical method of integral functionals in the frequency domain for multimode dispersion problem. This method is based on threedimensional integral equations for the equivalent electric and magnetic polarization current of periodic medium. Also the matching conditions of such structures with free space when obtaining required differential phase shift are considered. The matching is carried out by using dielectric layers.
|
| issn |
1028-821X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106112 |
| citation_txt |
Дифференциальные фазовые секции на основе двулучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот / В.И. Безбородов, О.С. Косяк, Е.М. Кулешов, В.В Ячин // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 3. — С. 92-97. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT bezborodovvi differencialʹnyefazovyesekciinaosnovedvulučeprelomleniâformyvteragercevomdiapazonečastot AT kosâkos differencialʹnyefazovyesekciinaosnovedvulučeprelomleniâformyvteragercevomdiapazonečastot AT kulešovem differencialʹnyefazovyesekciinaosnovedvulučeprelomleniâformyvteragercevomdiapazonečastot AT âčinvv differencialʹnyefazovyesekciinaosnovedvulučeprelomleniâformyvteragercevomdiapazonečastot AT bezborodovvi diferencíalʹnífazovísekcíínaosnovípodvíinogopromenezalomlennâformivteragercovomudíapazoníčastot AT kosâkos diferencíalʹnífazovísekcíínaosnovípodvíinogopromenezalomlennâformivteragercovomudíapazoníčastot AT kulešovem diferencíalʹnífazovísekcíínaosnovípodvíinogopromenezalomlennâformivteragercovomudíapazoníčastot AT âčinvv diferencíalʹnífazovísekcíínaosnovípodvíinogopromenezalomlennâformivteragercovomudíapazoníčastot AT bezborodovvi differentialphasesectionsbasedonformbirefringenceintheterahertzfrequencyrange AT kosâkos differentialphasesectionsbasedonformbirefringenceintheterahertzfrequencyrange AT kulešovem differentialphasesectionsbasedonformbirefringenceintheterahertzfrequencyrange AT âčinvv differentialphasesectionsbasedonformbirefringenceintheterahertzfrequencyrange |
| first_indexed |
2025-11-27T06:54:53Z |
| last_indexed |
2025-11-27T06:54:53Z |
| _version_ |
1850805938487820288 |
| fulltext |
ММИИККРРООВВООЛЛННООВВААЯЯ ИИ ТТЕЕРРААГГЕЕРРЦЦЕЕВВААЯЯ ТТЕЕХХННИИККАА
_________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2014. Т. 5(19). № 3 © ИРЭ НАН Украины, 2014
УДК 535.515:621.3.072.7
В. И. Безбородов, О. С. Косяк, Е. М. Кулешов, В. В. Ячин*
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: olegkosiak@mail.com
*Радиоастрономический институт НАН Украины
4, ул. Краснознаменная, Харьков, 61002, Украина
E-mail: yachin@rian.kharkov.ua
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ФАЗОВЫЕ СЕКЦИИ НА ОСНОВЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ ФОРМЫ
В ТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
При построении поляризационных радиоизмерительных трактов терагерцевого диапазона широкое применение находят
преобразователи поляризации, основными элементами которых являются дифференциальные фазовые секции (ДФС). Применение
субмиллиметровых волн позволяет осуществить исследования в области радиоастрономии, радиоспектроскопии, биологии, меди-
цине, физики атмосферы и т. д. В связи с тем, что в терагерцевом диапазоне используются квазиоптические линии передач, оправ-
дан переход к оптическим принципам построения ДФС с применением диэлектриков, обладающих двойным лучепреломлением.
Данное свойство имеют некоторые кристаллы (сапфир, исландский шпат, кварц и т. д.). В работе рассмотрены искусственные ди-
электрические структуры, обладающие двулучепреломлением формы с периодом структуры, соизмеримым с длиной волны (из-
вестны классические методы расчета таких структур с периодом, значительно меньшим длины волны). Рассмотрены искусствен-
ные диэлектрические структуры, обладающие двулучепреломлением формы с периодом структуры, соизмеримым с длиной волны.
Был применен численный метод интегральных функционалов в частотной области для многомодовой задачи рассеяния. Этот метод
основан на трехмерных интегральных уравнениях для эквивалентного электрического и магнитного тока поляризации периодиче-
ской среды. Также рассмотрены условия согласования таких структур со свободным пространством. Согласование осуществляется
с помощью диэлектрических слоев. Проведено экспериментальное исследование макетов таких ДФС, результат которых подтвер-
дил правильность выбора таких структур и условий их согласования. Ил. 7. Табл. 1. Библиогр.: 6 назв.
Ключевые слова: терагерцевый диапазон, двулучепреломление формы, квазиоптика, дифференциальная фазовая секция.
При построении поляризационных радио-
измерительных трактов терагерцевого (ТГц) диа-
пазона (0,1…10 ТГц) широко используются диф-
ференциальные фазовые секции (ДФС), причем
они могут выполнять как отдельную функцию,
так и являться элементами устройств. Например,
90° ДФС являются преобразователями линейной
поляризации в круговую или наоборот, а 180°
ДФС могут быть использованы в качестве враща-
телей плоскости поляризации. Они же являются
элементами поляризационных фазовращателей и
сдвигателей частоты.
Достаточно привлекательным в ТГц диа-
пазоне является переход к известным оптическим
принципам построения ДФС в виде пластин с
двойным лучепреломлением, выполненных, на-
пример, из кристаллического кварца, сапфира,
исландского шпата и других кристаллов. Способ-
ность кристаллов к двойному лучепреломлению
определяется свойством молекул, составляющих
кристаллы. Двойное лучепреломление может
быть получено также в периодических субволно-
вых структурах, свойства которых можно изме-
нять. Это так называемое двулучепреломление
формы. Классическим примером такой структуры
является многослойный набор чередующихся
диэлектрических пластин (рис. 1) с различными
показателями преломления [1, 2]. Применение
структур с двулучепреломлением формы особен-
но эффективно в ТГц диапазоне, в котором длины
волн достаточно малы и их распространение
может осуществляться в виде волновых пучков.
В случае, когда период t такой структуры
значительно меньше длины волны, эффективные
показатели преломления pn0 и sn0 для волн,
поляризованных параллельно и ортогонально
пластинам, и показатель двулучепреломления 0nΔ
не зависят от частоты и соответственно равны:
,
,)1(,)1(
000
12
21
0210
sp
sp
nnn
FFnFFn
−=Δ
−+
=−+= εε
εεεε
(1)
где ttF /1= – коэффициент заполнения более
плотной средой.
Рис. 1. Двулучепреломляющая структура из параллельных
диэлектрических пластин
При изменении коэффициента заполне-
ния F от 0 до 1 показатели преломления этой
L 1ε
2ε
pE sE
1t
2t
t
Безбородов В. И. и др. / Дифференциальные фазовые секции…
_________________________________________________________________________________________________________________
93
структуры по осям анизотропии изменяются от
показателя преломления менее плотной среды до
показателя преломления более плотной среды, а
показатель двулучепреломления 0nΔ имеет поло-
гий максимум в области 6,0~F (рис. 2).
Длину секции L для получения требуемо-
го дифференциального сдвига фаз ϕΔ определя-
ем как
.2 0nL
Δ
Δ= π
ϕλ (2)
Если период t соизмерим с длиной волны,
то эффективные показатели преломления стано-
вятся частотно зависимыми и формула (1) непри-
менима [3].
Рис. 2. Зависимости показателей преломления n0p и n0s и пока-
зателя двулучепреломления Δn0 от коэффициента заполнения F
для структуры слюда–лавсан
Для решения задачи рассеяния плоской
монохроматической волны на решетке, состоя-
щей из диэлектрических брусьев без потерь, мы
использовали численный метод интегральных
функционалов в частотной области для много-
модовой задачи рассеяния. Этот метод основан на
трехмерных интегральных уравнениях для экви-
валентного электрического и магнитного тока
поляризации периодической среды [4]. Сущест-
вование и единственность решения метода инте-
гральных функционалов показано в работе [5].
Метод позволяет решать задачи рассеяния на
многослойных двоякопериодических структурах
с различными конфигурациями периода.
Для нахождения эффективных показате-
лей преломления двулучепреломляющей струк-
туры рассчитывалась зависимость фаз коэффици-
ентов прохождения по осям анизотропии sp ϕϕ ,
от относительной длины λ/Lh = . При этом
во избежание влияния высших дифракционных
гармоник период структуры ограничивается ус-
ловием pnt /λ= . Изменение фазы коэффициента
прохождения на 360° соответствует изменению
длины секции на величину nL /λ=Δ (или изме-
нению относительной длины секции на величину
λ/Lh Δ=Δ ). Из этого следуют простые выраже-
ния для pn и sn :
./1,/1 sspp hnhn Δ=Δ= (3)
На рис. 3 сплошными кривыми пред-
ставлены фазовые характеристики для структур
полистирол ( 5,2=ε )–воздух и слюда ( 9,6=ε )–
лавсан ( 3=ε ) с относительным периодом
35,0/ == λκ t и коэффициентом заполнения
.6,0=F Частотные зависимости относительного
изменения установившихся эффективных показа-
телей преломления pp nn 0/ , ss nn 0/ и показателя
двулучепреломления 0/ nn ΔΔ для тех же струк-
тур представлены на рис. 4.
а)
б)
Рис. 3. Зависимости фаз коэффициентов прохождения по осям
анизотропии ϕp, ϕs и их разность Δϕ от h для структур
с κ = t / λ = 0,35 и F = 0,6: а) – полистирол–воздух;
б) – слюда–лавсан
С ростом частоты эффективные показа-
тели преломления несколько увеличиваются, а
показатель двулучепреломления уменьшается,
что приводит к тому, что для получения требуе-
мого дифференциального сдвига фаз требуется
n
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 F
Δn
1,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0/02
0,00
Δn
np
ns
ϕ,°
100
50
0
–50
–100
–150
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 h
Δϕ
ϕp
ϕs
ϕ,°
120
60
0
–60
–120
–180
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 h
Δϕ
ϕs
Безбородов В. И. и др. / Дифференциальные фазовые секции…
_________________________________________________________________________________________________________________
94
увеличение длины секции L. Это увеличение за-
висит от периода структуры κ и диэлектриче-
ских проницаемостей материалов, из которых
состоит ДФС. Было установлено, что для получе-
ния требуемого дифференциального сдвига фаз
параметры структуры полистирол–воздух с
коэффициентом заполнения 6,0=F и относи-
тельным периодом 2,0≤κ могут быть достаточ-
но точно рассчитаны по формулам (1), а структу-
ра слюда–лавсан с тем же коэффициентом запол-
нения лишь при 1,0≤κ . Для этих же структур с
2,0=κ отклонение дифференциального сдвига
фаз от расчетного составляло ~10 % и ~20 % со-
ответственно, и требовалось увеличение длины
секции на такую же величину. Отрицательный
наклон зависимости показателя двулучепрелом-
ления от частоты может быть использован при
создании широкополосных ДФС.
Рис. 4. Частотные зависимости относительного изменения
установившихся значений np, ns и Δn структур: сплошными
линиями – полистирол–воздух, пунктирными – слюда–лавсан
Зависимости дифференциальных сдвигов
фаз ϕΔ от h для тех же структур представлены
на рис. 3 пунктирными кривыми. Зависимости
носят осциллирующий характер, а амплитуда
осцилляции зависит от степени согласования
структур с окружающей средой.
Известно согласование изотропных ди-
электриков со свободным пространством при по-
мощи размещения на его поверхности четверть-
волнового просветляющего слоя. Диэлект-
рическая проницаемость этого слоя выбирается
равной показателю преломления диэлектрика.
В случае структуры, обладающей свойством дву-
лучепреломления, показатель преломления раз-
личен по осям анизотропии. Тогда диэлектриче-
скую проницаемость согласующего слоя целесо-
образно выбрать равной
.psnn=ε (4)
Условие (4) можно выполнить как подбо-
ром диэлектрической проницаемости согласую-
щего слоя, так и параметрами двулучепрелом-
ляющей структуры. На рис. 5 показан пример
графического нахождения коэффициента запол-
нения для случая согласования с помощью чет-
вертьволнового просветляющего слоя. Такое со-
гласование возможно в том случае, когда диэлек-
трическая проницаемость согласующего слоя
меньше показателя преломления более плотной
среды в структуре, поэтому для структуры слю-
да–лавсан диэлектрическая проницаемость согла-
сующего слоя 6,2<ε . Это может быть, напри-
мер, тефлон ( 07,2=ε ) или полиэтилен ( 5,2=ε ).
В первом случае коэффициент заполнения дол-
жен быть выбран равным ∼ 0,42, а во втором ∼ 0,89.
Для структуры полистирол–воздух ε просвет-
ляющего слоя должна быть меньше 1,58. Мы ис-
пользовали для этой цели пенополистирол
( 27,1≈ε ).
Рис. 5. Графическое определение коэффициента заполнения
структуры ДФС при согласовании ее с помощью четверть-
волнового просветляющего слоя: 1 – слюда–лавсан; 2 – поли-
стирол–воздух
В случае полуволновых ДФС согласова-
ние возможно осуществить путем выбора соот-
ветствующей длины секции. ДФС будет согласо-
вана, если ее электрическая длина равна
⎩
⎨
⎧
+=
=
,2/)1(
,2/
λ
λ
kLn
kLn
p
s (5)
где k – целое число.
Такое согласование возможно если от-
ношение kknn sp /)1(/ += .
Определение условия такого согласова-
ния для структуры слюда–тефлон приведено на
рис. 6. Наименьшее значение k, при котором со-
гласование возможно, равно 6. При этом коэффи-
циент заполнения F может быть 0,32 или 0,68.
spnn
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 F
1,10
1,05
1,00
0,95
0,90
0,85
0,80
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 κ
Δn
np
ns
О
тн
ос
ит
ел
ьн
ое
и
зм
ен
ен
ие
n
s,
n p
, Δ
n
Безбородов В. И. и др. / Дифференциальные фазовые секции…
_________________________________________________________________________________________________________________
95
Рис. 6. Графическое определение коэффициента заполнения
структуры слюда–тефлон полуволновой ДФС при согласова-
нии ее посредством выбора длины
В выбранной нами части ТГц диапазона
технологически достаточно легко изготовить
ДФС как с периодом структуры значительно
меньшим, так и соизмеримым с длиной волны.
Одна из примененных нами технологий изготов-
ления двулучепреломляющих структур заключа-
ется в наборе тонких диэлектрических пластин в
кассете (рис. 7, а).
а)
б)
Рис. 7. Двулучепреломляющие структуры в виде: а) – набора
диэлектрических пластин; б) – фрезерованных пазов и ДФС на
их основе
При этом использовались слюдяные пла-
стины, а также пленки из тефлона и лавсана. По
второй технологии структуры выполнялись путем
фрезерования воздушных пазов (рис. 7, б) в поли-
стироле при выдерживании толщины несущей
перемычки, кратной половине длины волны в ис-
ходном изотропном диэлектрике. Изготовленные
ДФС после согласования помещались в полый
диэлектрический лучевод [6] с возможностью их
вращения вокруг оси.
Экспериментальное исследование ДФС
на основе двулучепреломления формы состоит в
измерении коэффициента эллиптичности сигнала
на выходе и коэффициентов отражения по осям
анизотропии.
Исследования экспериментальных образ-
цов ДФС проводились на частоте 0,14 ТГц на
установках, собранных из квазиоптических уст-
ройств на базе полого диэлектрического лучевода
диаметром 20 мм. Основная мода HE11 в таком
лучеводе имеет осесимметричное распределение
амплитуды с практически плоским фазовым
фронтом и линейной поляризацией [6].
Установка для измерения коэффициента
эллиптичности сигнала на выходе ДФС (рис. 8)
содержит: твердотельный генератор 1, волноводно-
лучеводный переход 2, модулятор 3, аттенюатор 4,
исследуемую ДФС 5 и анализатор поляризации,
состоящий из вращающегося сочленения 6, поля-
ризатора 7, волноводно-лучеводный переход 2 и
квадратичного детектора 8.
Рис. 8. Схема квазиоптической установки для измерения ко-
эффициента эллиптичности
Коэффициент передачи на проход отсчи-
тывался на линейной поляризации по разности
показаний аттенюатора 4 при наличии и отсутст-
вии ДФС в тракте. При измерении коэффициента
эллиптичности сигнала на выходе ДФС согласо-
ванная двулучепреломляющая структура разво-
рачивается вокруг оси лучевода на угол 45° отно-
сительно плоскости поляризации падающей ли-
нейно-поляризованной волны. Коэффициент эл-
липтичности рассчитывается по формуле
,/ maxmin ААr = где minА и maxА соответственно
минимальное и максимальное показания на вы-
ходе детектора 8 при вращении анализатора по-
ляризации. Абсолютные отклонения дифферен-
циальных сдвигов фаз могут быть вычислены по
формулам: =δ 90° rarctg2− для четвертьволно-
вой секции и rarctg2=δ – для полуволновой.
Установка для измерения коэффициента
отражения от ДФС (рис. 9) отличается тем, что
исследуемая ДФС 5 подключается через фазов-
ращатель 9 в одно из плеч интерферометра Май-
кельсона, образованного пленочным делителем
луча 10 и неподвижным отражателем 11, который
для компенсации потерь в фазовращателе под-
ключен ко второму плечу интерферометра через
соответствующий отрезок ПДЛ 12.
sp nn /
1,20
1,15
1,10
1,05
1,00
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 F
k = 6
6 7 2
8
5 43
2
1
Безбородов В. И. и др. / Дифференциальные фазовые секции…
_________________________________________________________________________________________________________________
96
Рис. 9. Схема квазиоптической установки для измерения
коэффициента отражения
При измерении коэффициентов отраже-
ния sp RR , двулучепреломляющая структура
устанавливается в лучеводе соответственно па-
раллельно и ортогонально плоскости поляриза-
ции падающей волны. При этом коэффициент
отражения R вычисляется по формуле
дБ,
/1
/1
log20
minmax
minmax
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−
=
AA
AA
R (6)
где minA и maxA соответственно минимальное и
максимальное показание на выходе детектора 8
при перестройке фазовращателя 9.
Результаты экспериментального исследо-
вания ДФС приведены в таблице.
___________________________________________
Экспериментальное исследование ДФС
___________________________________________
Выводы. Впервые в ТГц диапазоне час-
тот разработаны четвертьволновые и полуволно-
вые ДФС с использованием эффекта двулуче-
преломления формы и выполнено их теоретиче-
ское и экспериментальное исследование.
Методом интегральных функционалов в
частотной области для многомодовой задачи рас-
сеяния рассчитана зависимость показателя дву-
лучепреломления от частоты. В результате уста-
новлено, что при относительном периоде струк-
туры 2,0<κ эта зависимость слаба. Расчет таких
структур с достаточной достоверностью может
производиться по аналитическим формулам.
Рассмотрены возможности согласования
таких ДФС с помощью четвертьволнового про-
светляющего слоя и посредством выбора длины
секции.
В дальнейшем предполагается рассмот-
рение широкополосных и перестраиваемых ДФС
на основе двулучепреломления формы и создание
поляризационных фазовращателей и сдвигателей
частоты ТГц диапазона.
Библиографический список
1. Born M. Principles of Optics / M. Born, E. Wolf. – Oxford:
Pergamon Press, 1965. – P. 651–653
2. Kirschbaum H. A Method of Producing Broad-Band Circular
Polarization Employing an Anisotropic Dielectric / H. Kirsch-
baum, S. Chen // IRE Trans. On Microwave and Techniques. –
1957. – MTT-5, N 3. – P. 199–203.
3. Kikuta H. Achromatic quarter-wave plates using the disper-
sion of form birefringence / H. Kikuta, Y. Ohira, K. Iwata //
Appl. Opt. – 1997. – 36, N 7. – P. 1566–1572.
4. Yachin V. Substantiation of the field functional method as
applied to scattering by a doubly periodic magnetodielectric
structure / V. Yachin // Computational Mathematics and Ma-
thematical Physics. – 2006. – 46, N 91. – P. 1668–1673.
5. Грант 7-й Рамочной Программы EC «Extended Non-
Destructive Testing of Composite Bonds» (проект ENCOMB),
договор № 266226.
6. Кулешов Е. М. Измерения в суб-мм диапазоне волн /
Е. М. Кулешов. – К.: Наук. думка, 1986. – P. 140–157.
Рукопись поступила 19.05.2014.
V. Bezborodov, O. Kosiak, Ye. Kuleshov, V. Yachin
DIFFERENTIAL PHASE SECTIONS BASED
ON FORM BIREFRINGENCE
IN THE TERAHERTZ FREQUENCY RANGE
The polarization transformers, main elements of which
are differential phase section (DPS) are widely used while con-
structing the polarization radio paths of terahertz (THz) range.
Sub-millimeter waves application allows to realize researches in
radio astronomy, radio spectroscopy, biology, medicine, physics of
the atmosphere, etc. Due to the fact that quasi-optical transmission
lines are used in the THz frequency range, the transition to optical
principles of DPS construction using dielectrics exhibiting bire-
fringence is justified. Some of crystals (sapphire, iceland spar,
quartz, etc.) possess this property. In this paper, some artificial
dielectric structures possessing form birefringence with a period of
Тип
ДФС
Параметры
структуры
Согла-
сование
Коэффициент
эллиптичности r
Отклонение диф-
ференциального
сдвига фаз δ
Коэффициент
передачи
Коэффициент
отражения
BP Bs RP Rs
Δ = 90°
слюда t1 = 0,13 мм
лавсан t2 = 0,19 мм
L = 3,70 мм
λ/4 – слой
тефлона 0,95 3° – 0,1 – 0,15 – 24 – 25
полистирол t1 = 0,44 мм
воздух t2 = 0,36 мм
L = 3,5 мм
λ/4 – слой
пенополи-
стирола
0,93 4° – 0,15 – 0,15 – 22 – 22
Δ = 180°
слюда t1 = 0,1 мм
тефлон t2 = 0,2 мм
L = 4,8 мм
Выбором
длины 0,07 8° – 0,2 – 0,2 – 19 – 20
9
12
2
8
5
4 3
2
1
11
10
Безбородов В. И. и др. / Дифференциальные фазовые секции…
_________________________________________________________________________________________________________________
97
the structure comparable to the wavelength are considered. The
classical methods of calculating such structures with a period
much smaller than the wavelength are known. To solve the prob-
lem of dispersion of a plane monochromatic wave on a lattice
consisting of dielectric bars without loss, we used a numerical
method of integral functionals in the frequency domain for multi-
mode dispersion problem. This method is based on three-
dimensional integral equations for the equivalent electric and
magnetic polarization current of periodic medium. Also the match-
ing conditions of such structures with free space when obtaining
required differential phase shift are considered. The matching is
carried out by using dielectric layers. Experimental study of such
DPS was carried out, the results of the study has confirmed the
correctness of the choice of such structures and conditions of their
matching.
Key words: terahertz frequency range, form birefrin-
gence, quasioptics, differential phase section.
В. І. Безбородов, О. С. Косяк,
Є. М. Кулешов, В. В. Ячін
ДИФЕРЕНЦІАЛЬНІ ФАЗОВІ СЕКЦІЇ
НА ОСНОВІ ПОДВІЙНОГО
ПРОМЕНЕЗАЛОМЛЕННЯ ФОРМИ
В ТЕРАГЕРЦОВОМУ ДІАПАЗОНІ ЧАСТОТ
При побудові поляризаційних радіовимірювальних
трактів терагерцового діапазону широке застосування знахо-
дять перетворювачі поляризації, основними елементами яких
є диференціальні фазові секції (ДФС). Застосування субмілі-
метрових хвиль дозволяє здійснити дослідження в області
радіоастрономії, радіоспектроскопії, біології, медицині, фізи-
ки атмосфери і т. д. У зв’язку з тим, що в терагерцовому діа-
пазоні використовуються квазіоптичні лінії передач, виправ-
даний перехід до оптичних принципів побудови ДФС із засто-
суванням діелектриків з подвійним променезаломленням.
Таку властивість мають деякі кристали (сапфір, ісландський
шпат, кварц і т. д.). У роботі розглянуто штучні діелектричні
структури з подвійним променезаломленням форми з періо-
дом структури, порівнянним з довжиною хвилі (відомо про
класичні методи розрахунку таких структур з періодом, знач-
но меншим довжини хвилі). Розглянуто штучні діелектричні
структури з подвійним променезаломленням форми з періо-
дом структури, порівнянним з довжиною хвилі. Було застосо-
вано чисельний метод інтегральних функціоналів в частотній
області для багатомодової задачі розсіювання. Цей метод
базується на тривимірних інтегральних рівняннях для еквіва-
лентного електричного і магнітного струму поляризації періо-
дичного середовища. Також розглянуто умови узгодження
таких структур із вільним простором. Узгодження здійснюєть-
ся за допомогою діелектричних шарів. Було проведено експе-
риментальне дослідження макетів таких ДФС, результат яких
підтвердив правильність вибору таких структур та умов їх
узгодження.
Ключові слова: терагерцовий діапазон, подвійне
променезаломлення форми, квазіоптика, диференціальна фа-
зова секція.
|