АНТЕННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ С УЗКОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ НА ОСНОВЕ МЕТАМАТЕРИАЛА
METAMATERIAL-BASED NARROW BEAM ANTENNA RADIATOR

Область техники
Изобретение относится к антенным устройствам и может быть использовано как отдельная антенна, а также в качестве элемента сложной антенны или антенной системы радиочастотного, терагерцового, инфракрасного или оптического диапазонов.
Уровень техники
Из уровня техники известна конструкция антенны, окруженной оболочкой из метаматериала, содержащая диполь и непосредственно полусферическую оболочку, выполненную из набора слоистых материалов полусферической формы с радиусом, равным радиусу оболочки в каждом ее поперечном сечении. При этом применяются метаматериалы, конструктивно выполненные на пластике и удовлетворяющие условию µ<0 и/или ε<0. Заявленная конструкция функционирует на частотах 10-500 кГц, при этом размеры антенны составляют от λ/10 до λ/10000, где λ - длина волны [1].
К недостаткам известного технического решения относятся значительные массогабаритные характеристики.
эф
эф
Из уровня техники известна конструкция антенны со слоем дважды отрицательного метаматериала. На частоте 12,4 ГГц для оптимального расстояния d=7,5 мм (0,31λ), толщины слоя метаматериала 15 мм (0,62λ), ε=µ=-1,5, коэффициент усиления антенны равен 9,8 дБ против 7 дБ для антенны без слоя метаматериала [2].
К недостаткам известного технического решения относятся значительные массогабаритные характеристики.
Из уровня техники известно устройство излучения электромагнитных волн, включающее в свой состав источник излучения электромагнитных волн и линзу, сформированную на основе левосторонних метаматериалов. При этом линза выполнена в виде сферической, изогнутой поверхности и располагается на некотором расстоянии от источника излучения [3].
К недостаткам известного технического решения относятся значительные массогабаритные характеристики.
Из уровня техники известна антенна высокого усиления Фабри-Перо, состоящая из излучателя и метаматериала в виде частотно-селективного покрытия, расположенного над излучателем, и обеспечивающая расчетный максимум коэффициента усиления 20,28 дБ на частоте 9,96 ГГц [4].
Недостатками известного технического решения являются значительные массогабаритные характеристики антенны (антенна Фабри-Перо имеет поперечные размеры в 5 раз большие по сравнению с ее излучателем).
Из уровня техники известна антенна на основе метаматериала, включающая в свой состав резонатор и метаматериал, расположенный над резонатором. Известная конструкция позволяет повысить коэффициент усиления и улучшить формирование диаграммы направленности [5].
К недостаткам известного технического решения относятся значительные массогабаритные характеристики.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик и ширины диаграммы направленности.
Технический результат заявленного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: антенный излучатель с узкой диаграммой направленности состоит из двух отражателей, объединенных в единую жесткую конструкцию, разнесенных на расстояние большее длины волны и образующих открытый резонатор, связанный с приемником и/или генератором излучения, при этом, по крайней мере, один из отражателей выполнен из метаматериала.
В предпочтительном варианте, по крайней мере один из отражателей проницаем для электромагнитного излучения.
В предпочтительном варианте, оба отражателя выполнены из метаматериала, проницаемого для электромагнитного излучения.
Метаматериал применяется с диэлектрической отрицательной проницаемостью и/или магнитной отрицательной проницаемостью. Пространство между двумя отражателями заполнено диэлектриком с малыми потерями и порами, существенно меньшими длины волны излучения. Открытый резонатор в предпочтительном варианте выполнен полуконфокальным.
В предпочтительном варианте один из отражателей выполнен металлическим, а связь открытого резонатора с приемником и/или генератором излучения осуществляется через отверстие связи в центре металлического отражателя.
В другом предпочтительном варианте один из отражателей выполнен сплошным металлическим, а связь открытого резонатора с приемником и/или генератором излучения осуществляется через отражатель из метаматериала, связанный с внешним свободным пространством.
В другом предпочтительном варианте во внутренний объем открытого резонатора помещено устройство связи, которое связано с приемником и/или генератором излучения.
Метаматериал выполнен, например, в виде расположенных регулярно с периодом и/или периодами существенно меньшими длины волны излучения индуктивных и/или емкостных резонансных структур, образующих электропроводящую сетку.
Резонансные структуры выполнены на полимерной пленке, при этом электрическая толщина полимерной пленки существенно меньше длины волны.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг.1 (а, б, в) представлены варианты конструкции антенного излучателя с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала состоящего из двух отражателей, разнесенных на расстояние заметно большее длины волны, и образующих открытый резонатор.
На фиг.2 (а, б, в, г) и 3 (а, б, в) представлены варианты конструкции антенного излучателя с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала состоящего из двух отражателей, разнесенных на расстояние заметно большее длины волны, и образующих открытый резонатор, связанный с приемником и/или генератором излучения.
На фиг.4 (а, б) представлен вариант конструкции отражателя с метаматериалом, выполненным на полимерной пленке:
- отражателя с метаматериалом, проницаемого для электромагнитного излучения (фиг.4а),
- поперечное сечение отражателя с метаматериалом, проницаемого для электромагнитного излучения (фиг.4б).
На фиг.5 представлена экспериментальная диаграмма направленности антенного излучателя с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала.
На фиг.1-4 обозначено следующее:
1 - полимерная пленка с электрической толщиной существенно меньшей длины волны,
2 - метаматериал отражателя, проницаемого для электромагнитного излучения,
3 - пространство между двумя отражателями, заполненное вспененным диэлектриком с малыми потерями и порами, существенно меньшими длины волны излучения,
4 - металлический отражатель,
4а - отражатель с метаматериалом, сферической формы полуконфокального открытого резонатора,
5 - отверстие связи,
6 - тракт связи с генератором и/или приемником излучения,
7 - электропроводящая сетка, образованная резонансными структурами,
8 - устройство связи внутреннего объема открытого резонатора с приемником и/или генератором излучения,
d - период регулярно расположенных электропроводящих элементов,
L - расстояние между двумя отражателями большее длины волны.
Осуществление изобретения
Заявляемый антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала функционирует следующим образом.
В качестве основного элемента антенного излучателя с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала была выбрана электропроводящая сетка, образованная резонансными структурами с периодом существенно меньшим длины волны излучения. Такие электропроводящие сетки впервые применял в качестве поляризаторов электромагнитного излучения (проходит излучение с электрическим вектором направленным перпендикулярно проводникам) Генрих Герц, а метод расчета электромагнитных характеристик впервые дал Лэмб [6]. Современные представления о физике метаматериалов позиционируют их как SNM - метаматериал с одиночной отрицательностью (только по диэлектрической поляризуемости). Кроме того, можно считать, что электромагнитная плазма, образованная электронами проводимости металла оказывается как бы разбавленной, т.е. с существенно меньшей усредненной по пространству концентрацией с пониженной плазменной частотой (иногда это явление называется случаем разбавленного металла). Однако одна такая сетка не может служить в качестве метаматериальной антенны. При высоких частотах, когда длина волны близка к периоду расположения проводников она прозрачна и практически не взаимодействует с волной. С увеличением длины волны быстро уменьшается ее коэффициент пропускания (по мощности):
2
Т~(d/λ),
где d - период расположения проводников, λ - длина волны излучения, а коэффициент отражения соответственно растет. Две сетки с параллельно расположенными плоскостями могут служить в качестве зеркал интерферометра Фабри-Перо, или открытого резонатора. Причем такой интерферометр, если потери в нем незначительны на резонансной частоте обладает коэффициентом пропускания близким к единице. Величина потерь в металлических проводниках обусловлена скин-эффектом и в случае золоченых проводников на длине волны λ=2 мм составляет величину G~0,3% при толщине скин слоя ~0,3 мкм. Еще один вид потерь: D - дифракционные, обусловленные соотношением геометрических размеров и длины волны излучения. Сумма всех коэффициентов потерь падающего на сетку излучения:
R+T+G+D=1
Функция частотной зависимости коэффициента пропускания интерферометра широко известна как функция Эйри. Величина 2L/λ есть порядок интерференции и определяется числом полуволн, укладывающихся на длине интерферометра. Его спектр резонансных частот является практически эквидистантным, а разность соседних частот соответствует величине:
Δf=c/2L
В случае открытого резонатора многократные переотражения излучения формируют в резонаторе на его зеркалах спадающее к краям распределение поля по закону Гаусса. Антенна, основанная на открытом резонаторе, имеет следующие преимущества. Она может являться многочастотной антенной с дискретным спектром и с высоким коэффициентом подавления падающего изучения не резонансных частот. Наличие двух отражающих зеркал приводит к эффективному взаимодействию (за счет многократных переотражений) излучения с метаматериалом. Такой резонатор эффективно преобразует излучение открытого конца волновода в собственные типы колебаний. Еще более высокодобротным с малыми потерями на излучение является полуконфокальный открытый резонатор, который и продемонстрировал двукратное сужение диаграммы направленности. Таким образом, проблема потерь существенная в резонансном метаматериале эффективно решается применением резонансного объема открытого резонатора примыкающего к тонкому и плоскому метаматериалу, являющегося одним из его зеркал.
Планарная конструкция отражателей с проводниками относительно легко позволяет интегрировать в них ничтожные по размерам планарные же микросхемы генераторов и/или приемников излучения, используя проводники сетки в качестве, например, двухпроводной линии для передачи или отвода сигналов, а также для подвода питания. Интересные возможности открываются при создании генераторов использующих непосредственно резонансные частоты самого открытого резонатора для возбуждения колебаний и их излучения, как это происходит в лазерах. В приемных антеннах можно осуществлять параметрическое усиление сигнала, возбуждая дополнительно открытый резонатор и, соответственно, нелинейный элемент интегрированной планарной схемы на кратных принимаемой частоте гармониках и т.п.
Уменьшение массогабаритных характеристик и ширины диаграммы направленности, конечно, являются взаимосвязанными. Однако сужение диаграммы направленности вдвое дает само по себе качественное улучшение разрешающей способности от 2-х до 4-х раз для приемной антенны или соответствующее улучшение соотношения сигнал - шум на приемном конце.
Таким образом, заявленный антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала представляет собой совокупность связанного с приемным и/или передающим излучение трактом открытого резонатора (или интерферометра Фабри-Перо), являющегося согласователем импеданса и преобразователем пространственных мод колебаний, образованного двумя отражателями, объединенных в единую жесткую и стабильную конструкцию заполняющим его внутренний объем, диэлектриком с малыми потерями излучения, причем по крайней мере один из отражателей выполнен из нерезонансного реактансного единожды отрицательного планарного метаматериала.
Предложенные технические решения были использованы при реализации антенного излучателя с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала на частоту 64-69 ГГц. Зеркала открытого резонатора представляли собой металлические проволочные электропроводящие сетки (метаматериал с отрицательной диэлектрической проницаемостью), изготовленные методами фотолитографии. Параметры изготовленных одномерных электропроводящих сеток приведены в таблице, где L - период сетки, d - ширина металлических полосок, S - коэффициент заполнения сетки, Т - коэффициент пропускания. Одномерную электропроводящую сетку для экспериментального образца выбирали исходя из максимальной величины коэффициента пропускания.
Таблица
Параметры одномерных электропроводящих сеток
N
L, мкм
d, мкм
S=d/L
Т
1
220
44
0,2
3*10<sup>-3</sup>
2
210
42
0,2
1,6*10<sup>-3</sup>
3
210
32
0,15
1,6*10<sup>-3</sup>
4
200
30
0,15
6*10<sup>-3</sup>
5
148
30
0,2
1*10<sup>-3</sup>
Был изготовлен антенный излучатель с полуконфокальным открытым резонатором, одно из зеркал которого было сплошным и имело сферическую форму с радиусом кривизны 110 мм при толщине 100 мкм с фокусным расстоянием 55 мм, в котором имелось отверстие связи в центре с диаметром 1,5 мм для ввода излучения из открытого конца волновода. Второе зеркало представляло металлическую одномерную электропроводящую сетку. Конструкция антенного излучателя была изготовлена из пенополистирола, обладающего низкими коэффициентами поглощения и рассеяния излучения. Конструкция позволяла подстраивать частоту резонанса изменением расстояния между зеркалами. Экспериментально измеренная величина ширины диаграммы направленности (см. фиг.5), по уровню половинной мощности составляет 12°. Это в два раза уже, чем расчетная величина для идеализированного расчетного (практически никогда не выполняется) значения с наиболее узкой диаграммой прямоугольного распределения поля в эквивалентном раскрыве антенны такого же кругового сечения. При применении сеток с другими параметрами также наблюдался эффект сужения диаграммы направленности.
Таким образом, заявленный антенный излучатель на основе метаматериала обеспечивает формирование узкой диаграммой направленности, может быть использован в антенных системах приемо-передающей радиоаппаратуры с существенно уменьшенными по сравнению с аналогами массогабаритными характеристиками.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Международная публикация заявки на изобретение WO 2010/011391, Boeing Company. Опубл. 28.01.2010.
2. Burocur S.N., Latrach M., Toutain S., Left-Handed Medium effect on the characteristics of a circular patch antenna. Proc. Antennas and Propagation Society International Symposium. 3-8 July 2005. 2005 IEEE. V.1A. P.680-683.
3. Международная публикация заявки на изобретение WO 2011/055744. Panasonic Electric Works Co. Опубл. 04.11.2010.
4. Lee D.H., Lee Y., Hao Y., Vardaxoglou Y., Park W.S., Perturbation input impedance matching technique for Fabry-Perot high gain antenna. Proc. Loughborough Antennas and Propagation Conference. Loughborough, UK. 17-18 March 2008. P.301-304.
5. Заявка США на изобретение US 2010/0277374. Electronics and Telecommunications Research Institute. Опубл. 04.11.2010.
6. Г. Лэмб. Гидродинамика, пер. с 6-го англ. издания А.В. Гермогенова и В.А. Кудрявцева. Под редакцией профессора Н.А. Слезкина, ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1947 Ленинград.