Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ПРИМЕНЕНИЕ ИННОВАЦИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Звездина М. Ю.,

4.6. Примеры использования метаматериалов в антенной технике

4.6.1. Области применения метаматериалов в антенной технике разнообразны. Для примера рассмотрим несколько частных случаев, наиболее часто используемых при конструировании антенн: для управления формой диаграммы направленности, для построения низкопрофильных антенн, для изменения траектории распространения электромагнитной волны в многослойном покрытии.

Анализ вариантов использования метаматериалов в антенной технике начнём со случая применения ММ типа DZR для изменения формы диаграммы направленности антенны. Пусть метаматериалы используются для выполнения двухслойного покрытия на несущей конструкции в виде кругового металлического цилиндра радиуса a. В покрытии один из слоёв изготовлен из материала с показателем преломления, меньшим единицы. Выбор двух слоев покрытия обусловлен тем, что, как показано в [4.8], число слоев для таких ММ целесообразно выбирать четным. Толщина слоев покрытия составляет ti (i = 1, 2), а отсчет слоев осуществляется снизу (от поверхности металлического цилиндра) вверх. Излучатель (продольный электрический, продольный магнитный или радиальный магнитный диполь) размещается на удалении h от поверхности верхнего слоя покрытия. Результаты моделирования диаграммы направленности, выполненные с использованием известных соотношений, приведенных, например, в [4.50], для перечисленных выше типов излучателей показаны на рис. 4.18–4.20 из [4.39].

а б

Рис. 4.18. Зависимость ДН продольного электрического диполя от параметров покрытия: а – ε = 2, μ варьируется: 1; 0,8; 0,6 и 0,01 (кривые 1–4); б – μ = 2, ε варьируется: 1; 0,8 и 0,01 (кривые 1–3)

а б

Рис. 4.19. Зависимость ДН продольного магнитного диполя от параметров покрытия: а – ε = 2, μ варьируется: 1; 0,8; 0,6 и 0,01 (кривые 1–4); б – μ = 2, ε варьируется: 1; 0,8 и 0,01 (кривые 1–3)

Полагалось, что круговой цилиндр имел радиус a = λ, излучатель размещался на расстоянии h = 0,25λ от поверхности покрытия, толщина слоев покрытия составляла ti = 0,1λ (i = 1, 2). При проведении исследований рассматривались два случая: при фиксированных значениях относительной диэлектрической проницаемости изменялось значение относительной магнитной проницаемости, и наоборот. В первом случае полагалось, что ε1 = ε2 = 2, а μ изменялось и принимало соответственно значения 1; 0,8; 0,6 и 0,01. Этим значениям соответствуют рисунки с индексами «а». При этом левое поле иллюстрирует результаты, полученные при изменении магнитных свойств верхнего слоя, а правое поле – нижнего слоя.

а б

Рис. 4.20. Зависимость ДН радиального магнитного диполя от параметров покрытия: а – ε = 2, μ варьируется: 1; 0,8; 0,6 и 0,01 (кривые 1–4); б – μ = 2, ε варьируется: 1; 0,8 и 0,01 (кривые 1–3)

Во втором случае фиксировалось значение μ = 2, а величина относительной диэлектрической проницаемости изменялась, принимая значения 1; 0,8 и 0,01. На рисунках с индексами «б» данным вариантам соответствуют кривые 1–3. На левом поле показаны результаты, полученные при изменении диэлектрических свойств верхнего слоя, а на правом поле – нижнего слоя.

Анализ приведенных результатов показывает, что наиболее сильно на изменение направленных свойств излучателей оказывает покрытие, у которого магнитные свойства отличаются от единицы. При этом у продольного электрического диполя изменяется ширина главного лепестка диаграммы (лепесток сужается), особенно сильно это наблюдается, если магнитные свойства материала верхнего слоя покрытия стремятся к нулю. Полуширина главного лепестка изменяется примерно в восемь раз, что приводит также к смещению положения в пространстве главного лепестка диаграммы направленности. Изменение диэлектрических свойств материала покрытий также приводят к сужению главного лепестка диаграммы направленности, однако данный эффект проявляется не так сильно.

Для излучателей магнитного типа эффекты, выявленные при изменении параметров покрытия, проявляются наиболее наглядно для продольно ориентированного диполя. В этом случае изменение магнитных свойств материала слоев покрытия приводит не столько к изменению у диаграммы направленности ширины главного лепестка, сколько к изменению ее формы. Это проявляется сначала в замене направлений ориентации главного и первого бокового лепестков диаграммы направленности, а затем в формировании однолепестковой диаграммы направленности при устремлении магнитных свойств материала покрытия к нулю. При изменении диэлектрических свойств материала покрытия наблюдается небольшое смещение главного лепестка, а также изменение уровня бокового излучения (при изменении диэлектрических свойств нижнего слоя покрытия). Для радиально ориентированного магнитного диполя изменение магнитных свойств покрытия приводит к смещению направления главного лепестка диаграммы направленности, наиболее сильного (примерно на 50 градусов) при уменьшении магнитных свойств верхнего слоя. Эффекты, наблюдаемые при уменьшении диэлектрических свойств материала покрытия, те же, что и для продольно ориентированного магнитного диполя.

4.6.2. Оценим влияние покрытия из метатериалов смешанного типа на характеристики согласования со свободным пространством расположенной вблизи антенны. Рассмотрим случай размещения горизонтального полуволнового электрического вибратора вблизи покрытия из ММ смешанного типа, обеспечивающего минимальную фазу коэффициента отражения min(arg(S11)), т.е. максимальное значение характеристического сопротивления покрытия. На рис. 4.21 из [4.28, 4.29] приводятся результаты исследования зависимость активной (сплошная линия) и реактивной (штриховая линия) составляющих входного сопротивления вибратора от его удаления h/λ от поверхности покрытия.

Анализ полученных результатов показывает, что применение покрытий из ММ смешанного типа дает возможность размещать излучатели на удалении порядка h/λ = 0,1 (по сравнению с традиционным h/λ = 0,25 вблизи металлического экрана) от поверхности экрана, обеспечивая при этом максимальное значение активной составляющей входного сопротивления и близкое к нулю значение реактивной составляющей. Как известно из ряда работ, например, [4.51], при индуктивном характеристическом сопротивлении покрытия и описанном выше соотношении между активной и реактивной составляющими входного сопротивления антенны можно говорить о создании в эквивалентной схеме замещения последовательного резонанса. При таком резонансе амплитуда тока в антенне возрастает приблизительно на два порядка по сравнению с амплитудой тока без экрана с высокоимпедансным покрытием.

Рис. 4.21. Зависимость входного сопротивления горизонтального полуволнового электрического вибратора от удаления излучателя от поверхности покрытия: сплошная линия – активная составляющая; штриховая линия – реактивная составляющая

4.6.3. Ещё одним из интересных вопросов, возникающих при использовании метаматериалов, является их способность изменять траекторию распространения плоской электромагнитной волны в слоях покрытия (свойства линзы). Для физической трактовки получаемых результатов целесообразно использовать лучевую теорию [4.2]. На рис. 4.22 показана геометрия задачи для трехслойной среды (i = 0, 1, 2).

Для задания предельных значений углов падения, при которых еще возможно прохождение волны в слой, применяется величина критического угла i-го слоя, связанная с показателем преломления среды соотношением [4.52]:

(4.27)

Поскольку либо одна, либо обе величины относительных проницаемостей среды из метаматериалов могут быть отрицательными, то вычисление связанных с ними характеристик среды – показателя преломления ni, волнового числа среды ki, волнового сопротивления среды Wi – вызывает сложности. В работе [4.11] показано, что при моделировании параметров среды для смешанного типа метаматериалов и , а . Для материалов, обладающих обоими отрицательными значениями проницаемостей и . Наряду с приведенными выше соотношениями при определении знака волнового числа, описывающего направление распространения электромагнитной волны в слое, следует учитывать поляризацию волны [4.11]. Так, для смешанного типа ММ при TM-поляризации падающей волны изменение направления распространения вызывают слои, у которых относительная диэлектрическая проницаемость εi < 0. В случае, если за таким слоем расположен слой с μi < 0, то волна опять изменит направление. При падении волны TE-поляризации смену угла преломления вызывают слои с μi < 0 и εi < 0. В табл. 4.1 для четырех вариантов построения покрытия, показанного на рис. 4.22, приведены значения критического угла и угла прохождения волны в следующий слой, а на рис. 4.23 приведены лучевые схемы распространения плоской электромагнитной волны.

Рис. 4.22. Геометрия задачи при использовании лучевого подхода

Таблица 4.1

Зависимость параметров траектории волны в слоях покрытия из ММ

а б в

г д е

Рис. 4.23. Зависимость траектории распространения волны от параметров слоёв покрытия и поляризации волны: а – вариант покрытия 1 из табл. 4.1 для обеих поляризаций; б – вариант покрытия 4 для обеих поляризаций; в – вариант покрытия 2, TM-поляризация; г – вариант покрытия 2, TЕ-поляризация; д – вариант покрытия 3, TM-поляризация; е – вариант покрытия 3, TЕ-поляризация

Сплошные линии на данном рисунке иллюстрируют траекторию падающей и прошедшей волн, а пунктирные – отраженной от границ волн. Волны, отраженные во внутренние области от верхней границы слоев здесь не показаны, чтобы не загромождать рисунок. При этом рис. 4.23,а,б иллюстрируют результаты, когда параметры слоев имеют одинаковые знаки – оба положительные и оба отрицательные (соответственно вариант 1 и 4). рис. 4.23,в,г соответствуют второму варианту выполнения покрытия, но отличаются поляризацией падающей волны. В первом случае волна имела TM-поляризацию, а во втором – TE-поляризацию. рис. 4.23,д,е иллюстрируют соответственно третий вариант выполнения покрытия для случая падения TM- и TE-поляризации волны.

Анализ полученных результатов дает возможность сделать следующие выводы:

– в средах DPS направление луча не изменяет свою «правизну»;

– в средах DNG направление луча при входе из среды с «правизной» изменяется на противоположное, т.е. становится «левым», что соответствует положениям теории Веселаго [4.1];

– для сред SNG изменение «правизны» на «левизну» зависит от сочетания поляризации падающей волны и параметрами материала слоя. Так, при падении волны TM-поляризации изменение направления наблюдаются, начиная со слоев ENG, при падении волны горизонтальной поляризации, наоборот, начиная со слоёв MNG.

4.6.4. Перечисленные выше области применения метаматериалов не исчерпывают области применения поверхностных волн для управления электромагнитного поля антенны. Так, в работах авторов [4.43–4.45] приводятся результаты исследований влияния данных волн на глубину формируемого «нуля» диаграммы направленности адаптивной антенной решетки, а в работах [4.26, 4.31, 4.32, 4.36–4.38] рассматриваются теоретические вопросы нахождения условий возбуждения поверхностных волн, в работах [4.26, 4.31–4.35, 4.37, 4.46, 4.47] предлагается подход нахождения величины поверхностного импеданса для слоистых покрытий из магнитодиэлектриков. В работах [4.23, 4.24] рассматриваются ограничения, накладываемые на соотношения между действительной и мнимой составляющей комплексных проницаемостей среды с отрицательным показателем преломления.

Кроме того, существует её ряд направлений, связанных с применением метаматериалов в качестве линз. В силу ограничений объёма монографии представить все результаты исследований не представляется возможным.