Применение метаматериалов при разработке волноводных СВЧ устройств

Разработка современных радиотехнических систем, используемых в технике радиосвязи, радиолокации, радиоастрономии, оборонных областях радиоэлектроники требует новых принципов в построении функциональных устройств и антенн, уменьшения их массогабаритных параметров одновременно с обеспечением широкополосности, надежности и многофункциональности. Удовлетворение таким требованиям невозможно без реализации новых физических явлений, материалов и технологий. В последние годы разработчиков СВЧ устройств и антенн всё больше привлекают новые материалы и среды с необычными электродинамическими свойствами. Это так называемые метаматериалы, включая киральные и перколляционные среды, оптомагнетики, фотонные и электронные кристаллы [5,9−11]. Указанные материальные среды являются композитными, обладающими дисперсионными и анизотропными в электромагнитном смысле свойствами.

Основные электродинамические параметры: диэлектрическая проницаемость е и магнитная проницаемость /л в таких средах могут принимать очень малые (включая ноль) или очень большие значения, а также в определенном частотном диапазоне быть отрицательными (иногда одновременно). Последнее свойство позволяет реализовать материальную среду с отрицательным показателем преломления. Знак показателя преломления среды непосредственно связан с тем, параллельны или антипараллельны фазовая и групповая скорости волн в этой среде. В первом случае говорят о положительной, а во второй — об отрицательной групповой скорости волны. При отрицательной групповой скорости требование ухода энергии от поверхности раздела сред равносильно требованию набегания фазы на эту поверхность. В этом случае преломленный луч расположен не как обычно, а по направлению, симметричному относительно нормали к обычному направлению [30,38]. Из этого факта следует возможность создавать необычные оптические устройства. Так, например, плоская пластина из метаматериала [36,52] является собирающей линзой, обладающей необычным для линзы свойством — отсутствием фокальной плоскости. Это означает, что линза создает объемное изображение предмета, подобно зеркалу. Однако, в отличие от зеркала, создаваемое изображение действительное, что открывает возможности для развития трехмерной фотографии. У плоской линзы есть существенный недостаток: она создает изображения предметов, которые расположены достаточно близко к её поверхности. Так, например, линза из идеальной композитной среды, у которой е = /л = -1 создает изображения всех точек предмета, расположенных в слое, ширина которого равна толщине пластины. Следует отметить ещё и то, что коэффициент отражения от такой среды равен нулю и вся энергия падающей волны переходит в преломленную.

Особая роль в реализации уникальных электродинамических свойств метаматериалов при конструировании устройств СВЧ с улучшенными диапазонными и функциональными характеристиками принадлежит средам, объединенным в пары с разными знаками е и //[59]. Такими парами могут быть сопрягаемые пластины из дважды положительного (е>0,//>0) и дважды отрицательного (ггсО^сО) метаматериалов или в которых эпсилон отрицательные (б-<0,//>0) и мю отрицательные (//<0,^>0) материалы соединяются вместе или с дважды положительными (е > > 0) материалами. Уникальность электродинамических свойств таких спаренных структур определяется поведением электромагнитного поля в форме поверхностных волн на границе раздела сопрягаемых сред. Возникающий в процессе взаимодействия с внешним полем так называемый «поверхностный резонанс» вдоль разрыва непрерывности касательных составляющих поля сопрягаемых материалов на границе раздела приводит к компенсации процесса уменьшения амплитуды затухающей волны в одной пластине через увеличение амплитуды затухающей волны в другой пластине.

Использование описанных выше структур приводит к появлению таких особенных явлений как резонанс, отсутствие отражений, полное туннелирование волны и прозрачность. Достижение прозрачности пытаются реализовать с помощью сопрягаемых пар метаматериалов в виде сферических или цилиндрических оболочек. Эффект прозрачности (или невидимости предмета внутри таких оболочек) в принципе достижим только в узком частотном диапазоне [68].

Свойство парных структур используется при построении электрически малых по размерам волноводов, а на их основе и резонаторов, фазовращателей, направленных ответвителей и рассеивающих структур с резонансными свойствами, независящими от их эффективного физического размера [23]. В антеннах малых электрических размеров применение парных метаматериалов позволяет скомпенсировать реактивную мощность, запасенную в ближней зоне излучателя в широкой полосе частот, в том числе, преодолевая фундаментальный предел Чу-Харингтона [4,16,61].

Размещение излучателей в единожды или дважды отрицательных средах дает возможность формирования остронаправленного излучения при достаточно широкой диаграмме направленности излучателя. Кроме того, такие структуры позволяют свободно дифрагировать электромагнитному полю через электрически малое отверстие благодаря формированию указанной выше структурой вытекающих волн. Метаматериалы способствуют созданию антенн поверхностных волн, в том числе обратного излучения. С помощью применения метаматериалов с нулевым показателем преломления возможно создание синфазной апертуры, формирующей остронаправленное излучение. С помощью изолятора на основе метаматериала с отрицательной магнитной проницаемостью возможно подавление взаимного влияния между соседними излучателями в фазированной антенной решетке. Известна методика дисперсионной компенсации в линии передачи, использующей метаматериал на основе дважды отрицательной среды. Эта среда по своей дисперсионной природе может быть использована как эффективное средство дисперсионной компенсации при пространственно-временной обработке сигнала. Как известно, дисперсия приводит к изменению групповой скорости составляющих сигнала при его распространении в дважды отрицательной среде. Это явление можно использовать для пространственно-спектральной корректировки при распространении сигналов вдоль, например, микрополосковой линии передачи. Дисперсия микрополосковой линии может быть устранена путем корректирования частотной зависимости эффективной диэлектрической проницаемости [60].

При разработке малогабаритных заградительных и полосовых фильтров СВЧ, обладающих малыми потерями в рабочей полосе частот и высокой частотной избирательностью [63,64] используются копланарные волноводы с периодическими включениями щелевых кольцевых резонаторов и металлических стержней.

Для миниатюризации микрополосковых антенн [25] обычно используются диэлектрические подложки с большим значением диэлектрической проницаемости ?. Однако, в этом случае значительно повышается концентрация электрического поля в ближней зоне антенны в области высокого значения ?, что приводит к низкой интенсивности излучения из-за большого реактивного поля и узкой полосы пропускания. Кроме того, из-за низкого значения характеристического импеданса антенны, возникают трудности ее согласования. Эти недостатки могут быть значительно уменьшены или даже исключены с помощью применения подложек из магнитно — диэлектрического материала с высоким значением магнитной проницаемости //, что приводит к минимизации реактивного поля и к достаточно хорошему согласованию в относительно широкой полосе частот (примерно в 1,5 раза шире по сравнению с микрополосковой антенной на диэлектрической подложке).

В микрополосковых антеннах с круглым полоском перспективным является использование подложки с неоднородным заполнением, состоящим из кольца обычного диэлектрика и сердцевины из метаматериала. Подбирая коэффициент заполнения метаматериалом и диэлектрическую проницаемость кольца ?, создаются условия возбуждения собственного типа волны такой структуры с улучшенными характеристиками согласования, излучения и миниатюризации микрополосковой антенны этого типа.

Таким образом, тема диссертации «Применение метаматериалов при разработке волноводных СВЧ устройств» является актуальной.

Целью диссертации является исследование путей создания волноводных СВЧ устройств с улучшенными диапазонными и функциональными свойствами за счет применения метаматериалов.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: анализа состояния теории и практического применения электродинамических свойств метаматериалов в функциональных устройствах и антеннах СВЧ диапазона;

— оценки результатов применения метаматериалов и композитных сред в режиме переходного поля в том числе с учетом физических явлений на основе нулевого или близкого к нулю показателя преломления среды;

— анализа принципов построения композитных сред и метаматериалов с отрицательными диэлектрическими и магнитными проницаемостями;

— исследование электродинамических свойств коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов с частичным заполнением анизотропным метаматериалом;

— исследование электродинамических свойств метаматериалов с нулевым показателем преломления с целью формирования синфазной апертуры при узконаправленном излучении;

— создание макетных образцов заградительных и полосовых фильтров на основе волноведущих структур и антенн осевого излучения с использованием метаматериалов.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы собственных функций, вычислительные методы технической электродинамики, методы компьютерной обработки данных натурных экспериментальных измерений.

Научная новизна. В результате выполнения работы:

— обобщены и проанализированы принципы построения искусственной среды с отрицательной диэлектрической проницаемостью, включая запредельные области квазистатического поля регулярных и неоднородных волноводов, а также области ближнего поля антенн малых электрических размеров;

— обобщены и проанализированы принципы построения композитной среды с отрицательной магнитной проницаемостью, включая диамагнитный режим подмагниченных ферромагнетиков;

— проведен электродинамический анализ и приближенный расчет волновых параметров и характеристик коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов с частичным заполнением анизотропным метаматериалом;

— экспериментально подтверждена возможность создания синфазного раскрыва с помощью плоской линзы из метаматериала с нулевым коэффициентом преломления.

Практическая значимость. Результаты исследований позволили:

— создать заградительные фильтры на основе коаксиального и копланарного волноводов малых электрических размеров;

— создать волноводные устройства малых электрических размеров для реализации миниатюрных резонаторов, фильтров, направленных ответвителей, фазовращателей;

— создать плоские линзы для формирования синфазной апертуры в пирамидальных рупорах;

— создать полосовые фильтры малых электрических размеров на основе круглых, прямоугольных и копланарных волноводов с частичным заполнением анизотропным метаматериалом.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы были реализованы в НИР «Анализ современного состояния технологий использования метаматериаловразработка математических моделей и алгоритмов для исследования электродинамических свойств метаматериалов», шифр 1.63.08, № г. р. 1 200 901 182, Инв. № 2 200 901 169, в НИЦ РКО 4 ЦНИИМО: при выполнении плановых НИРпри разработке ТТХ по профилю тематики НИЦ РКОпри совершенствовании научно-методической базы НИЦ РКО. Результаты исследований электродинамических свойств метаматериалов использованы в ходе выполнения НИР на спецтему «Ивушка», а также в учебном процессе на кафедре «Радиоэлектронные системы и устройства» МГТУ им. Н. Э. Баумана, подтвержденные соответствующими актами о внедрении. Также заключены государственные контракты № П117 от 12 апреля 2010 г. «Исследование процессов построения метаматериалов на основе композитных сред для функциональных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов» и № 14.740.11.1335 от 27 июня 2011 г. «Использование метаматериалов, киральных сред и фотонных кристаллов в приборах СВЧ устройств».

Также поданы две заявки на патенты:

1. Полосовой фильтр СВЧ диапазона, регистрационный номер 2 011 130 455.

2. Заградительный фильтр СВЧ диапазона, регистрационный номер 2 011 130 456.

По заявке номер 2 011 130 455 принято решение о выдаче патента на полезную модель.

Основные положения, выносимые на защиту:

— методика электродинамического анализа принципов построения метаматериалов с отрицательной диэлектрической проницаемостью, включая запредельные области квазистатического поля регулярных и неоднородных волноводов, а также области ближнего поля антенн малых электрических размеров;

— методика электродинамического анализа принципов построения метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью, включая диамагнитный режим подмагниченных феррамагнетиков;

— методика электродинамического анализа и приближенного расчета волновых параметров и характеристик волноводов с частичным заполнением анизотропным метаматериаломрезультаты экспериментальных исследований волноводных СВЧ устройств и антенн, содержащих анизотропные метаматериалы, полученные при использовании созданных макетных образцов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях:

Студенческих научно-технических конференциях: «Студенческая научная весна (2005 — 2008) г. г. МГТУ им. Н. Э. Бауманана 8-й (2006 г.), 9-й (2007 г.), 11-й (2009 г.), 12-й (2010 г.) Научно-технических конференциях «Медико-технические технологии на страже здоровья" — на У-й (2007 г.), УП-й (2009г.) Молодежных научно-технических конференциях «Радиолокация и связь — перспективные технологии" — на У-й (2006 г.), У1-й (2007 г.), Х-й (2011 г.) Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов" — на Конкурсе научных работ студентов университета, 2006 г. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечиваются корректным применением метода разделения переменных при решении уравнений Гельмгольца в декартовом, цилиндрическом и сферическом базиса, обоснованностью упрощающих допущений, а также сравнением с результатами математического и физического моделирования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 7 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 110 наименований. Основная часть работы изложена на 137 страницах, содержит 67 рисунков и 1 таблицу.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Проведен анализ электродинамических свойств метаматериалов в режиме переходного поля при их использовании в функциональных устройствах и излучателях СВЧ диапазона.

2. Проведен анализ и систематизация принципов построения искусственных композитных сред с отрицательными значениями действительных частей диэлектрической и магнитной проницаемостей.

3. Показано, что искусственная композитная среда с отрицательным значением действительной части диэлектрической проницаемости может быть построена на основе отрезков волноведущих структур, работающих в закритическом режиме, а также на основе отрезков неоднородных электродинамических структур ниже критического сечения (конические, радиальные, пирамидальные, биконические структуры, а также область ближнего поля элементарного электрического диполя).

4. Теоретически и экспериментально исследованы электродинамические свойства коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов с частичным заполнением метаматериалом.

5. Разработаны заградительные и полосовые фильтры СВЧ диапазона на основе отрезков коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов.

6. Теоретически и экспериментально исследованы электродинамические свойства метаматериалов с нулевым показателем преломления с целью разработки устройств формирования синфазной апертуры при узконаправленном излучении электромагнитных волн.

7. Разработана плоская линза на основе периодической структуры квадратных металлических рамок и стержней, позволяющая увеличить на 2,1 дБ КНД оптимального пирамидального рупора.

8. Разработана антенна бегущей волны в качестве замедляющей системы, в которой использована пластинчатая периодическая структура двойных разомкнутых колец на диэлектрической подложке. При относительной длине структуры Ы А, = 3,7 антенна имеет КНД 14дБ.