ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭКРАН С БОЛЬШИМ ПОВЕРХНОСТНЫМ ИМПЕДАНСОМ
ELECTROMAGNETIC SHIELD WITH LARGE SURFACE IMPEDANCE

Устройство относится к области техники беспроводной связи и может быть использовано для экранирования от электромагнитного излучения.
Проблема создания экранов электромагнитного излучения имеет длительную историю, поскольку во все периоды развития радиотехники и электроники вопрос устранения электромагнитной связи между отдельными цепями и узлами был достаточно актуален. Таким же актуальным был вопрос уменьшения влияния электромагнитного излучения на окружающую живую природу и человека.
2
Реальные экраны, являющиеся аналогами предлагаемого устройства, создавались на основе электропроводящих структур (металлические листы, пленки, сетки и т.д.) и радиопоглощающих материалов [1]. Значительный прогресс в области радиопоглощающих материалов был достигнут за последние 30 лет в связи с работами по направлению, которое обычно обозначают как «Стелс». На основе композиционных магнитодиэлектриков в микроволновом диапазоне были разработаны достаточно тонкие (толщиной порядка единиц миллиметров) широкополосные (более октавы) радиопоглощающие покрытия, которые можно успешно применять для электромагнитного экранирования. Однако было известно, что для эффективного экранирования электромагнитного излучения экранами обоих типов их поперечные размеры должны существенно превышать длину волны. В то же время в последнее десятилетие, в частности, в связи с развитием мобильной связи, появилась настоятельная потребность в экранах с малыми (по сравнению с длиной волны) размерами для экранирования излучения малоразмерных антенн. Простое уменьшение поперечных размеров электропроводящих и радиопоглощающих экранов не дает существенного положительного эффекта. Это обусловлено тем, что электромагнитные волны легко «обтекают» такие экраны. Так, например, миниэкран Wave Buster (Южная Корея), выполненый в форме таблетки диаметром 15 мм и толщиной 4 мм на основе слоистого радиопоглощающего материала, ослаблял мощность излучения антенны всего на 10-20%, т.е. менее чем на 1 дБ. Пластина радиопоглотителя (феррит) большей площади (45×45×6 мм) ослабляет мощность излучения на 6 дБ на частоте 0.9 ГГц [5].
2
Радикальное изменение ситуации с экранированием малоразмерных антенн следует связать с появлением публикаций D. Sievenpiper и др. [2-4], в которых рассмотрены поверхности с высоким поверхностным импедансом. Такие поверхности иначе называют искусственными магнитными проводниками (ИМП), поскольку при падении электромагнитной волны на эту поверхность на ней формируется узел тангенциальной сосоставляющей магнитного поля, а не пучность, как на поверхности электрического проводника. Было, в частности, показано, что за такой поверхностью даже с ограниченными поперечными размерами образуется область глубокой «электромагнитной тени», т.е. поверхность является экраном электромагнитного излучения. Было также показано, что применение поверхности с высоким импедансом в качестве подложки (ground plane) антенны позволяет улучшить ее направленность. Так, для модели антенны мобильного телефона, расположенной на искусственном магнитном проводнике площадью 25×50 мм, отношение сигналов «вперед-назад» на частоте 2.5 ГГц составило около 10 дБ [4].
3
Попытку применить для экранирования т.н. метаматериалы на основе двойных разомкнутых колец показали, что структура из 10 слоев объемом 34×34×15 мм ослабляет сигнал антенны на частоте 1.8 ГГц всего на 3 дБ [5].
Прототипом предлагаемого экрана является перестраиваемая импедансная поверхность [2] (Tunable Impedance Surface, US Patent, D. Sievenpiper at al. Patent US No 6,483,480). Перестраиваемая импедансная поверхность включает в себя две двупериодические решетки из металлических квадратов, расположенные параллельно металлической подложке на расстоянии, малом по сравнению с длиной волны. Расстояние между решетками также мало по сравнению с длиной волны. Каждый элемент первой решетки, ближайшей к металлической подложке, соединен с ней металлическим проводником. Эта решетка является неподвижной, Вторая решетка - подвижная и может сдвигаться по отношению к первой решетке так, что расстояние между решетками остается неизменным. Импеданс в плоскости подвижной решетки зависит от частоты электромагнитного излучения и взаимоположения решеток. Величина поверхностного импеданса максимальна вблизи резонансной частоты данной системы. Резонанс системы является совокупным резонансом большого числа связанных элементарных резонаторов. Каждый элементарный резонатор образован емкостью между двумя элементами подвижной и неподвижной решеток, а также индуктивностью цепи, включающей участок металлической подложки и 2 соседних проводника, соединяющие элементы неподвижной решетки с металлической подложкой. Поскольку прототип является поверхностью с высоким регулируемым импедансом, то он обладает экранирующими свойствами.
Определенным недостатком прототипа является неоднородность импеданса на импедансной поверхности ограниченного размера. Это связано с тем, что элементарные резонаторы на краях импедансной поверхности связаны с меньшим числом соседних резонаторов, чем элементарные резонаторы в середине импедансной поверхности. В результате резонансные частоты элементарных резонаторов и соответствующие локальные импедансы зависят от местоположения этих резонаторов. Нежелательным результатом неоднородности импеданса будет «размывание» эффекта экранирования, т.е. его уменьшение в области рабочих частот экрана. Другим недостатком прототипа является относительная сложность реализации конструкции, связанная с большим числом короткозамыкающих соединений всех элементов неподвижной решетки с проводящей подложкой.
Технический результат изобретения заключается в том, что предлагаемое устройство в рабочем диапазоне частот обеспечивает по сравнению с прототипом большой и однородный поверхностный импеданс при малых по сравнению с длиной волны поперечных размерах, что позволяет использовать его для экранирования электромагнитного излучения при поперечных размерах, существенно меньших длины волны (мини-экраны). Тангенциальная составляющая электрического поля на поверхности устройства является конечной величиной, а тангенциальная составляющая магнитного поля, а следовательно, и поверхностный ток близки к нулю. Таким образом, предлагаемый экран является искусственным магнитным проводником (ИМП). При падении электромагнитной волны, излученной электрическим диполем либо монополем на ИМП ограниченной площади, за этим ИМП образуется область глубокой электромагнитной тени. В частности, помещение предлагаемого устройства между антенной мобильного телефона и головой пользователя позволит обезопасить последнего от воздействия электромагнитного излучения.
Как уже указывалось, при падении на предлагаемый экран электромагнитной волны, излученной антенной, за этим устройством образуется область тени, т.е. диаграмма направленности имеет минимум.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в электромагнитном экране с большим поверхностным импедансом, содержащим плоскую металлическую подложку-отражатель и расположенные над ней параллельно две решетки емкостного типа, сдвинутые друг относительно друга на долю периода, по крайней мере одна из боковых кромок решеток имеет электрическое соединение с кромкой подложки-отражателя.
Электрическое соединение может быть выполнено в виде сплошного металлического слоя и расположено на одной или двух противоположных торцевых поверхностях электромагнитного экрана.
Электрическое соединение может быть выполнено в виде однопериодной решетки из металлических проводников и расположено на всех торцевых поверхностях электромагнитного экрана.
На фиг.1а, б представлена схема экрана, где (1) - решетки емкостного типа, (2) - металлическая подложка-отражатель, (3) - диэлектрические прослойки для двух видов решеток - из металлических полос (фиг.1а) и металлических квадратов (фиг.1б). На фиг.2а, б показано расположение торцевых поверхностей предлагаемого устройства со сплошной металлизацией (фиг.2а) и металлизацией в виде однопериодической решетки (фиг.2б). Эта решетка выполнена из тонких проводников с периодом, малым по сравнению с поперечными размерами А и В предлагаемого экрана.
Характеристики ИМП с большими поперечными размерами
Как уже отмечалось, по своим электромагнитным свойствам предлагаемое устройство относится к классу искусственных магнитных проводников (ИМП) [2-4]. Основное отличие ИМП от электрического проводника состоит в следующем: при падении электромагнитной волны на поверхность ИМП на этой поверхности формируется пучность тангенциальной составляющей электрического поля и узел тангенциальной составляющей магнитного поля. Иными словами, коэффициент отражения от ИМП по тангенциальной составляющей электрического поля равен +1, а не -1, как в случае электрического проводника.
Схемы ИМП на основе двух близко расположенных емкостных решеток представлены на фиг.1. Однопериодические решетки на фиг.1а выполнены из тонких металлических полос, а двупериодические на фиг.1б - из металлических квадратов. Размеры структур удовлетворяют условиям
где λ - длина волны.
Основные характеристики таких ИМП подробно рассмотрены в [6]. Здесь мы упомянем только некоторые необходимые результаты, справедливые для ИМП с размерами больше длины волны.
p
Пара емкостных решеток и металлическая плоскость образуют плоский резонатор, коэффициент отражения от которого на резонансной частоте равен +1 (по поперечной составляющей электрического поля). Резонансная частота f при нормальном падении волны на ИМП оценивается по следующей формуле:
где с - скорость света, a ε - диэлектрическая проницаемость материала между решетками. Фаза коэффициента отражения (по поперечной составляющей электрического поля) меняется в интервале ±π/2 в полосе частот 2Δf:
где Q - фактор оценивается по следующей формуле:
Модуль коэффициента отражения от ИМП конечных размеров всегда несколько меньше 1 вследствие тепловых потерь в металле и диэлектрике, а также излучения энергии из промежутка между парой решеток и металлической плоскостью. Это излучение является причиной того, что при уменьшении площади ИМП резонанс в конце концов исчезает. При этом воздействия на резонанс двух ортогональных размеров ИМП существенно различны. Так, уменьшение размера, перпендикулярного направлению электрического поля, слабо влияет на резонансную частоту вплоть до размеров, сравнимых с расстоянием между решетками и металлической плоскостью. Напротив, уменьшение другого размера, ортогонального первому, приводит к увеличению резонансной частоты уже при размерах, меньших длины волны.
Характеристики ИМП с малыми поперечными размерами
Для создания малоразмерных экранов на основе ИМП следует устранить нежелательный эффект излучения на его краях. Для этого в случае однопериодической (однополяризационной) структуры, показанной на фиг.1а, достаточно сплошной металлизации двух торцевых поверхностей, перпендикулярных вектору электрического поля (см. фиг.2а). Частичное устранение нежелательного эффекта излучения имеет место даже при металлизации не двух, а одной торцевой поверхности. В случае двупериодической (двухполяризационной) структуры, изображенной на фиг.1б, металлизация всех четырех торцов выполняется не сплошной, а в форме решетки из тонких проводников (см. фиг.2б). В последнем случае металлизация торцов, перпендикулярных вектору  электрического поля, ведет себя как сплошная, а металлизация двух оставшихся торцов не должна заметно влиять на поле в резонансном объеме между парой решеток и металлической плоскостью, поскольку проводники решеток здесь перпендикулярны вектору . Предлагаемый экран, образованный в результате такой модификации ИМП, представляет собой плоский резонатор, образованный парой решеток, металлической плоскостью и металлизированными торцами.
При падении электромагнитной волны на предлагаемый экран (мини-экран) на резонансной частоте на его поверхности формируется пучность тангенциальной составляющей электрического поля и узел магнитного. Рабочая полоса мини-экрана определяется резонансной частотой и Q-фактором резонатора.
Технический результат по сравнению с прототипом - однородность импеданса на поверхности ИМП ограниченных размеров - достигается тем, что предлагаемый экран представляет собой не совокупность элементарных резонаторов, а единый резонатор с определенной резонансной частотой и однородным в плоскости емкостных решеток полем собственного колебания. Естественно, что мелкопериодические колебания поля на решетках при определении импеданса во внимание не принимаются.
Резонансная частота предлагаемого экрана
Предлагаемый экран представляет собой резонатор, в котором легко выделить емкость и индуктивность, поскольку электрическое поле сосредоточено между решетками, а магнитное - в объеме между парой решеток, металлической плоскостью и металлизированными торцами. Поэтому емкость резонатора образована элементами решеток, а индуктивность определяется объемом внутренней полости резонатора. Дальнейшие расчеты будут проведены для однопериодической структуры, изображенной на фиг.1а и 2а. Результаты этих расчетов справедливы и для двупериодических структур, изображенных на фиг.1б и 2б, поскольку размеры щелей (2а) малы по сравнению с периодом (2b) решеток. Емкость резонатора С сформирована последовательным соединением 2n плоских конденсаторов, где n - число металлических полос наружной решетки (см. фиг.3):
Внутренняя полость резонатора имеет форму трубки прямоугольного сечения B×D. Индуктивность L такой трубки при условии A>>D оценивается следующей формулой:
p
Резонансная частота f может быть вычислена по известной формуле
Подставив в ф-лу (7) выражения (5) и (6), получим:
При большом числе периодов решетки можно считать, что В/n≈2b, и формула (8) переходит в формулу (2). Заметим, что в случае двупериодической структуры формула (8) должна быть несколько уточнена:
Резонансная частота измерялась для серии образцов с одинаковой структурой решеток (2b=4 мм, 2а=0.3 мм, 2d=0.1 мм) и одинаковой толщины D, но отличающихся поперечными размерами А и В. Размеры образцов приведены в таблице 1. Диэлектрические проницаемости материалов между решетками и между парой решеток и металлической плоскостью были равны 2.25 и 2.55 соответственно.
Таблица 1
Образец №
А, мм
B, мм
D, мм
2n
f<sub>p </sub>изм, ГГц
f<sub>p </sub>расч, ГГц
1
11
24
3.40
10
2.84
2.70
2
20
25
3.45
10
2.72
2.63
3
20
35
3.45
16
2.7
2.81
4
20
18
3.45
6
2.52
2.4
5
6.8
24
3.45
10
3.02
2.68
6
4.8
24
3.45
10
3.53
2.68
Резонансная частота определялась по максимуму частотной зависимости эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) образца в условиях свободного пространства. Измерения ЭПР проводились на компактном полигоне ИРЭ РАН [7] с помощью квазиоптического рефлектометра [8] в комплекте с векторным анализатором цепей РК4-55. На фиг.4 приведены эти зависимости в дБ относительно
2
М. Из приведенных кривых следует:
- резонансная частота слабо зависит от поперечных размеров образца при выполнении условия
.
- ширина резонансной кривой слабо зависит от размера А, но быстро растет с увеличением размера В.
В таблице 1 приведены измеренные и рассчитанные по формуле (8) значения резонансных частот. Как и следовало ожидать, при условии A>>D имеет место хорошее соответстствие экспериментальных и расчетных результатов. При А, сравнимых с D, измеренные значения резонансных частот заметно превышают расчетные.
Оценка эффекта экранирования
1
Одним из объяснений эффекта экранирования электромагнитного излучения ИМП структурами является малость электрического тока на поверхности ИМП вблизи резонансной частоты [1, 2]. Экспериментальная оценка эффекта экранирования проводилась в практически важных диапазонах вблизи частот 1.8 ГГц и 2.5 ГГц. Образцы мини-экранов были выполнены как на основе однопериодических, так и двупериодических решеток. Все решетки имели следующие параметры: 2b=6 мм, 2а=0.3 мм и 2d=0.1 мм. Диэлектрические проницаемости материалов между решетками и между парой решеток и металлической плоскостью были ε=2.25 (полиэтилен) и ε=2.55 (полистирол) соответственно.
p
Габаритные размеры образцов и другие характеристики показаны в таблице 2. Резонансные частоты f в таблице рассчитаны по формулам (8) и (9). В образцах 1-3 электрическое соединение между боковыми кромками решеток и кромкой отражателя-подложки выполнено путем сплошной металлизации двух противоположных торцевых поверхностей. В образце 4 электрическое соединение выполнено на всех четырех торцевых поверхностях в форме однопериодических решеток с шагом 6 мм из тонких проводников.
Таблица 2
Образец №.
Тип решеток
А, cm
В, cm
D, cm
f<sub>Э </sub>изм., ГГц
f<sub>p </sub>расч., ГГц
1
Однопериодическая
2.0
4.5
0.427
1.75
1.69
2
Однопериодическая
1.0
4.5
0.445
1.75
1.62
3
Однопериодическая
2.0
3.3
0.377
1.91
1.72
4
Двупериодическая
3.3
3.3
0.227
2.49
2.33
Э
э
Схема измерительной установки показана на рис 5. Уровень экранирования определялся путем измерения коэффициента передачи между двумя монополями длиной 3 см каждый. На фиг.6а показана частотная зависимость нормализованного коэффициента передачи в случае φ=0. На фиг.6б приведена угловая зависимость коэффициента передачи на частоте f, для которой этот коэффициент минимален (в случае φ=0). Цифровые обозначения кривых на фиг.6а и 6б соответствуют номерам образцов в таблице 2. Измерения показали, что частоты экранирования f зависят и от размеров структуры решеток, а также толщины образца D и практически не зависят от поперечных размеров А и В. На фиг.6а и 6б наблюдается эффект экранирования более 15 дБ.
Таким образом, предлагаемый экран выполняет функцию экранирования электромагнитного излучения при поперечных размерах, существенно меньших длины волны. Для обеспечения эффективного экранирования излучения антенн типа «электрический диполь», «электрический монополь» экран располагается на расстоянии (0.01÷0.1) длины волны от поверхности антенны. При этом поверхность емкостных решеток параллельна оси антенны и обращена в сторону этой антенны.
Предлагаемый экран ослабляет электромагнитное излучение антенн более чем на 15 дБ в направлении максимального экранирования при расстояниях между ним и антенной, существенно меньших длины волны.