Possibilities of improvement of the antenna technology through the use of chiral metamaterials

Full Text

Одно из перспективных направлений развития антенной техники и СВЧ-устройств напрямую связано с применением в их конструкции метаматериалов, о чем свидетельствует большое количество публикаций как в России, так и за рубежом. Благодаря их «уникальным» электродинамическим свойствам метаматериалов, активно проводятся исследования возможностей применения метаматериалов в СВЧ-устройствах (частотно- и поляризационно-селективные фильтры, преобразователи поляризации, защитные и радиопоглощающие экраны, резонаторы, волноводы, фазовращатели, концентраторы и т. д.), а также в антенной технике. Такой интерес обусловлен возможностями разработки антенн и СВЧ-устройств нового поколения, обладающих более совершенными характеристиками [1]. Существует огромное множество различных видов метаматериалов, однако с точки зрения антенной техники УВЧ-, СВЧ- и КВЧ-диапазонов, метаматериал представляет собой искусственный композиционный материал, обладающий уникальными электродинамическими свойствами, нехарактерными для природных материалов, одними из которых являются отрицательные значения эффективных диэлектрических и/или магнитных проницаемостей, и обусловленными периодической структурой из макроскопических проводящих элементов определенной формы [2]. В случае если проводящие элементы обладают зеркально-ассиметричной формой (спирали, S-элементы, частицы, разомкнутые кольца и т. п.) и равномерно распределены по диэлектрическому контейнеру, то такой метаматериал называется киральным (рис. 1) [3]. Такой киральный метаматериал обладает рядом особых свойств, основными из которых являются кросс-поляризация падающего поля и круговой дихроизм, благодаря которому в среде происходит бифуркация нормальных волн на волны с лево- и правокруговыми поляризациями. Двумя основными типами киральных метаматериалов являются биизотропные метаматериалы, в которых зеркально асимметричные элементы ориентируются произвольным образом, и бианизотропные метаматериалы, в которых элементы ориентированы одинаково. Кроме того, левосторонние и правосторонние элементы также обладают различными электродинамическими эффектами [4]. В качестве примера, на рис. 1 приведен биинизотропный киральный метаматериал на основе правовинтовых спиралей. В настоящее время обычно используются два основных подхода к изучению структур на основе киральных метаматериалов. Первый подход, являющийся наиболее распространенным, связан с использованием программных комплексов электродинамического моделирования CST Studio, HFSS, Feko и т. п. В основу данных программных комплексов заложен ряд численных методов (метод моментов, метод конечных элементов, и т. д.), предполагающие дискретизацию всего пространства или его части на элементарные ячейки. При недостаточном значении шага дискретизации, может произойти деформация исходной структуры объекта таким образом, что его свойства могут исказиться. С другой стороны, по мере уменьшения размеров ячеек и увеличения их числа, поле, рассчитанное с помощью этих пакетов, стремится к истинному полю в структуре, то есть имеется сходимость итерационного процесса, но решение задачи при большом количестве ячеек требует применения быстродействующих процессоров и больших объемов оперативной памяти. Кроме того, при анализе резонансных структур, в частности, киральных метаматериалов необходимо соблюдать особую аккуратность, поскольку даже небольшие искажения исходной структуры могут вызывать существенные отклонения в конечном решении. Другим подходом к анализу киральных метаматериалов, является построение математических моделей подобных структур на основе интегральных уравнений с использованием феноменологической теории [5], которая, в свою очередь, предусматривает применение специальных материальных уравнений и выражений для электромагнитного поля [6-10]. В данных выражениях присутствует обобщенный параметр киральности характеризующий степень взаимосвязи процессов электрической и магнитной поляризаций в среде. Вместе с тем, значения параметра киральности для киральных метаматериалов на основе различных типов проводящих включений будут отличаться. В связи с этим, существуют также несколько способов к его определению, одним из которых, может служить использование дисперсионных моделей Максвелла - Гарнетта [11], суть которых состоит в определении резонансной частоты структуры, путем вычисления значений емкости и индуктивности одиночного проводящего элемента. Недостатком такого подхода является приближенное определение параметра киральности и как следствие невозможность точно синтезировать антенную систему с заданными характеристиками, однако с другой стороны такой подход позволяет осуществить оценку сверху, тем самым определить перспективность использования метаматериалов в том или ином устройстве. Существуют также и другие способы экспериментального определения эффективных материальных параметров киральных метаматериалов [12-14]. Первый способ, заключается в измерении коэффициентов прохождения и отражения электромагнитных волн для исследуемой киральной структуры в случае двух взаимных расположений передающей и приемной рупорной антенны. При этом используется параллельное (случай кополяризации) и перпендикулярное (случай кросс-поляризации) расположение рупоров. Измеряемые коэффициенты прохождения и отражения для случая кополяризации и для случая кросс-поляризации связаны с коэффициентами прохождения и отражения для электромагнитных волн с правокруговой поляризацией (ПКП) и левокруговой поляризацикй (ЛКП) [12]: (1) Определяя коэффициенты прохождения для волн с ПКП и ЛКП, параметр киральности можно определить следующим образом: (2) где - толщина кирального метаматериала, а - целое число, которое определяется из следующего неравенства: Второй способ определения параметра киральности заключается в измерении угла поворота плоскости поляризации прошедшей волны с помощью поворота приемной рупорной антенны вокруг своей оси [15]. Угол поворота соответствует повороту приемного рупора на такой угол, при котором коэффициент прохождения имеет наибольшее значение Выражение для определения параметра киральности выглядит следующим образом: (3) где - коэффициент эллиптичности, определяемый как где в свою очередь, - наименьшее значение параметра прохождения волны, определяемое при угле поворота рупора на значение Комбинирование данных подходов, при котором параметр киральности определяется путем электродинамического моделирования в программных комплексах, а расчет характеристик производится методом интегральных уравнений, в целом позволяет корректно анализировать и синтезировать излучающие структуры на основе киральных метаматериалов. Рассмотрим возможности применения структур на основе метаматериалов в системах радиосвязи. Как показывает анализ литературы, применение метаматериалов в антенной технике позволяет уменьшить размеры излучателей, путем компенсации реактивной составляющей входного импеданса электрически малых антенн [16], улучшить направленные свойства, уменьшить взаимное влияние между излучателями в антенных решетках, а также обеспечить возможность излучения электромагнитных волн эллиптической поляризации плоским прямоугольным вибратором [17]. Применение метаматериалов может оказаться перспективным при обеспечении электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. В работе [18] было произведено исследование нескольких вариантов излучающих структур на основе метаматериалов на предмет увеличения развязки между двумя параллельно расположенными излучателями. Была проанализирована структура, в которой излучатели разделены перегородкой из метаматериала (в частности, из кольцевых разомкнутых резонаторов) (рис. 2), также структура, в которой излучатели накрываются «колпаком» из кирального метаматериала, и, наконец, структура, в которой излучатели расположены на подложке из кирального метаматериала (рис. 3). Как показали результаты исследований, наиболее эффективным вариантом структуры является такая структура, в которой излучатели расположены на киральной подложке. В таком случае обеспечивается развязка, значение которой в несколько раз выше, чем для структуры, в которой отсутствуют метаматериалы. На рис. 4 приведен график зависимости уровня развязки от параметра киральности для случая расположения излучателей на киральной подложке. Из представленного графика видно, что в случае когда подложка выполнена из кирального метаматериала на основе правосторонних элементов (правовинтовых спиралей) при небольших значениях параметра киральности взаимное развязка увеличивается, а затем при увеличении значения параметра киральности - уменьшается. При использовании кирального метаматериала из левостронних элементов - ситуация противоположная: при небольших значениях параметра киральности, развязка уменьшается, а затем при возрастании параметра киральности резко увеличивается, что явно свидетельствует о периодическом характере структуры. Таким образом, исследования показывают, что применение определенных киральных метаматериалов в излучающих системах небольших объектов, в целом позволяет улучшить ЭМС радиоэлектронных средств. Кроме того, использование антенных решеток (АР) на основе киральных метаматериалов позволяет в системах MIMO позволяет повысить пропускную способность [19]. Причем использование биизотропных и бианизотропных киральных метаматериалов оказывает различный эффект, ровно как и киральные метаматериалы на основе лево- и правосторонних включений. В работе [20] было установлено, пропускная способность сетей радиосвязи с использованием технологии MIMO достаточно сильно зависит от величины взаимного влияния элементов антенной решетки. В целях оценивания эффекта изменения пропускной способности от применения антенных решеток на основе метаматериалов, было введено несколько упрощений, а именно то, что корреляция сигналов в парциальных каналах MIMO отсутствует, затухание и искажение сигналов в среде также отсутствуют, в точках источника и приемника установлены одинаковые антенные системы. С учетом вышеизложенного, выполнить оценку пропускной способности сети радиосвязи с MIMO с учетом взаимного влияния излучателей антенной решетки позволяет выражение: (4) где - уровень сигнала; - количество парциальных каналов; - матрицы импедансов приемной и передающей антенных систем; - канальная матрица; - операция эрмитова сопряжения канальной матрицы. Было исследовано несколько вариантов реализаций систем MIMO, в которых использовались антенные решетки на основе биизотропных и бианизотропных киральных метаматериалов, а также антенные решетки с диэлектрической подложкой, относительная диэлектричсекая проницаемось которой равна 1. На подложках антенных решеток параллельно друг другу на расстоянии, равном рабочей длине волны , расположены два симметричных полуволновых излучателя. Все киральные метматериалы выполнены на основе лево- и правовинтовых спиралей. На рис. 5 приведена электродинамическая модель антенной решетки с подложкой из биизотропного кирального метаматериала (все элементы, ориентированы хаотически), а на рис. 6 - из бианизотропного (все элементы направлены вертикально). На рис. 7 показаны зависимости пропускной способности систем MIMO от частоты для биизотропных и бианизотропных киральных подложек на основе лево- и правовинтовых спиралей. Кроме того, на графике также приведена зависимость пропускной способности для диэлектрической подложки. Из представленных графиков видно, что в целом пропускная способность систем MIMO в случае антенной решетки с подложкой из кирального метаматериала в целом выше, чем с диэлектрической подложкой. В свою очередь, пропусканая способность в случае использования киральных подложек на основе левовинтовых спиралей выше, чем на основе правовинтовых. Кроме того, в случае бианизотропных структур на основе левовинтовых спиралей имеет место еще один эффект повышения пропускной способности на более высоких частотах. Таким образом, использование киральных метаматериалов в системах MIMO также является весьма перспективным. Наконец, следует отметить, что антенные системы на осноме метматериалов не свободны также и от недостатков [21], к основным из которых относят высокие потери и узкая рабочая полоса частот, где проявляются «уникальные» эффекты метаматериала. В настоящее время существует несколько подходов к расширению рабочей полосы частот, одним из которых может служить подход, связанный с применением многослойных киральных подложек, каждой слой из которых «настроен» на определенную частоту [22]. Очевидно, что при достаточно большом разносе резонансных частот (т. е. при сильном геометрическом различии киральных слоев), будет иметь место наличие нескольких резонансов и при определенных условиях в принципе возможно увеличение рабочей полосы. Однако при этом, неизбежны и без того большие джоулевские потери, что в свою очередь, может привести к крайне низкому коэффициенту полезного действия (КПД) антенны. Другой подход связан с использованием так называемых «управляемых» метаматериалов [23], представляющих собой диэлектрический контейнер с внедренными элементами, макроскопические параметры которого зависят от внешних электрических и магнитных полей (феррит, сегнетоэлектрик и т. п.). В результате приложения внешних полей возможна «настройка» метаматериала на работу в любом диапазоне. Для дальнейшего улучшения электрических и массо-габаритных характеристик антенн, предлагается еще один подход, связанный с использованием фрактальных излучателей в антенных на основе киральных метаматериалов. На рис. 8 приведена электродинамическая модель такой антенны, где в качестве излучателя используется многодиапазонный диполь Серпинского, расположенный на подложке из кирального метаматериала на основе правовинтовых спиралей. В результате исседования было установлено, что при использовании киральной подложки такая антенна обладает лучшими направленными характеристиками, в частности имеет один узкий лепесток на частоте 3.5 ГГц, о чем свидетельствуют диаграммы направленности (ДН), представленные на рис. 9. В это же время у антенн с прямоугольным излучателем, расположенным на киральной подложке, и у антенн с излучателем в виде диполя Серпинского, расположенным на диэлектрической подложке, имеет место расщепление ДН. Необходимо также отметить, что также как и в случае антенны с прямоугольным излучателем, расположенным на киральной подложке, при использовании фрактального излучателя имеет место наличие возможностей излучения электромагнитных волн эллиптической поляризации. Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что предложенный подход, связанный с использованием фрактальных излучателей в антеннах на основе киральных метаматериалов, в целом позволяет улучшить их электрические характеристики и является также перспективным. Таким образом, рассматриваемый подход, связанный с использованием метаматериалов, к дальнейшему совершенствованию характеристик СВЧ-устройств, антенной техники и систем радиосвязи в целом, является весьма перспективным и в обозримом будущем возможен переход на антенны и устройства нового поколения на основе метаматериалов.

About the authors

A. L Buzov

D. S Klyuev

A. M Neshcheret

References

Supplementary files