ШИРОКОПОЛОСНЫЙ МЕТАМАТЕРИАЛ

Полезная модель относится к метаматериалам и может быть использована в качестве основы для создания суперлинз и радиомаскирующих покрытий.
Слюсар [1] в 2009 году рассмотрел различные структуры композиционных материалов и показал, что использование материалов с отрицательным показателем преломления позволяет уменьшать габариты антенных систем без потери качества характеристик. В каждой из рассмотренных структур был существенный недостаток, а именно, узкая полоса рабочих частот.
Известен метаматериал, который представляет собой частотно-селективную поверхность, состоящую из диэлектрической платы, на верхней стороне которой расположена микрополосковая меандровая линия. Ширина линии превышает ее период, отличающийся тем, что диэлектрическая плата ячейки выполнена трехслойной, в ее центральном слое выполнены несквозные щели. На нижней стороне платы расположен металлический экран. При этом щелевые линии отделены от микрополосковой меандровой линии и от экрана слоями диэлектрика [Патент RU №2594947, МПК H01Q 15/10, опубл. 20.08.2016].
Недостатками такого материала является узкая избирательная частота с отрицательным показателем преломления. Размер ячейки напрямую зависит от длины волны, что не позволяет использовать его в широкополосных и сверхширокополосных антеннах.
Наиболее близким конструктивным решением к предложенной модели является метаматериал, представляющий собой структуры из N разомкнутых кольцевых проводников, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга [Патент US 7750869, МПК H01Q 15/10, опубл. 06.07.2010]. Выбрано за прототип.
Недостатками известного устройства являются узкая полоса частот, связанная с электрическим или/и магнитным резонансом, имеющая отрицательный показатель преломления, а также сложность изготовления такого устройства.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является нерезонансное увеличение полосы частот с отрицательной вещественной частью показателя преломления.
Поставленная задача решена тем, что предлагаемая полезная модель широкополосного метаматериала создана на основе замкнутых кольцевых проводников электрически малых размеров (например, шайба) (Фиг.1, 3), помещенных в диэлектрическую среду (Фиг.2). Данный подход к созданию метаматериала позволяет существенно расширить полосу рабочих частот до диапазона 8.5-10.9 ГГц. Кольцевой проводник без разреза является широкополосным элементом, в отличие от проводников с разрезами. Используя замкнутые кольцевые проводники, удаётся значительно ослабить резонансные эффекты в структуре. Отрицательный показатель преломления достигается за счет соответствующего взаимодействия ближних полей каждого из элементов структуры, для чего подбирается оптимальное взаимное расположение элементов.
Примеры. Экспериментальная полезная модель была выполнена на основе кольцевых проводников (внутренний диаметр 4 мм, внешний диаметр 8 мм, толщина 1 мм), расположенных построчно на определённом расстоянии: вдоль оси 0X 2 мм, вдоль оси 0Y 2 мм, вдоль оси 0Z 5 мм (Фиг. 3), ориентированных параллельно вектору напряженности падающей плоской электромагнитной волны, в диэлектрике (вспененный пенополистирол). Определение вещественной части показателя преломления осуществлялось по углу наклона фазовой кривой сигнала, прошедшего через исследуемый образец (пунктир).
Образец показывает следующие технические результаты:
- 1-слойная модель имеет отрицательный показатель преломления со средним значением n=(−0,21±0,02)+i(0,57±0,04) в полосе частот от 8,5 ГГц до 10 ГГц, определяемый наклоном фазовой кривой сигнала, прошедшего через исследуемый слой (Фиг. 4), где 1-фаза прошедшего сигнала, 2-амплитуда прошедшего сигнала;
-  2-слойная модель имеет отрицательный показатель преломления со средним значением n=(−3,84±0,13)+i(1,8±0,3) в полосе частот от 9,95 ГГц до 10,9 ГГц, определяемый наклоном фазовой кривой сигнала, прошедшего через исследуемый слой (Фиг. 5);
- 3-слойная модель имеет отрицательный показатель преломления со средним значением n=(−1,43±0,05)+i(1,89±0,06) в полосе частот от 8,8 ГГц до 9,6 ГГц, определяемый наклоном фазовой кривой сигнала прошедшего через исследуемый слой (Фиг. 6);
- 4-хслойная модель имеет отрицательный показатель преломления со средним значением n=(−0,27±0,01)+i(0,71±0,01) в полосе частот от 8,9 ГГц до 10,5 ГГц, определяемый наклоном фазовой кривой сигнала прошедшего через исследуемый слой (Фиг. 7).
Техническим результатом полезной модели является создание метаматериала в виде плоской слоевой структуры из кольцевых элементов, обеспечивающей отрицательное значение вещественной части показателя преломления в широкой полосе частот.
Цитируемые источники
1. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // Электроника: НТБ. – 2009. – №.7. – C. 70–79.
2. RU 2594947 С1, 20.08.2016.
3. US 7750869 B2, 06.07.2010.