МЕТАМАТЕРИАЛ
METAMATERIAL

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве частотно-селективной поверхности для создания специальных экранов отсечки отраженных сигналов, радиомаскирующих покрытий, а также для обеспечения развязки между элементами в антенных решетках.
Известен метаматериал, включающий множество ячеек, расположенных периодически на прямой, на плоскости или в пространстве. Каждая ячейка состоит из диэлектрической подложки, имеющей первую и вторую параллельные поверхности, и первый и второй проводник в форме спирали. Первый проводник находится на первой поверхности подложки, а второй - на второй поверхности подложки таким образом, что второй проводник находится строго под (или над) первым и имеет с ним электромагнитную связь [Патент US 8780010, кл. H01Q 15/10, опубл. 15.07.2014 г.].
Известный метаматериал имеет ряд недостатков: узкая рабочая полоса пропускания (порядка 10%) и многослойная конструкция, не технологичная в производстве.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является метаматериал, представляющий собой ячейку частотно-селективной поверхности, состоящую из диэлектрической платы, на верхней стороне которой расположена микрополосковая меандровая линия с прямоугольным базовым элементом, причем ширина линии превышает ее период [Патент CN 103199347, кл. H01Q 15/00, опубл. 2013.07.10].
Метаматериал может содержать n ячеек, расположенных на плоскости общего металлического экрана.
Известный метаматериал имеет по крайней мере один существенный недостаток: крайне узкую рабочую полосу запирания (несколько процентов).
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание частотно-селективной поверхности, обеспечивающей подавление распространяющейся вдоль нее электромагнитной волны в относительной полосе частот до одной октавы.
Указанный результат достигается тем, что в метаматериале, представляющем собой ячейку частотно-селективной поверхности, состоящую из диэлектрической платы, на верхней стороне которой расположена микрополосковая меандровая линия, причем ширина линии превышает ее период, диэлектрическая плата ячейки выполнена трехслойной, в ее центральном слое выполнены щелевые линии, равномерно распределенные вдоль всей длины микрополосковой меандровой линии и ориентированные параллельно ее ширине, имея при этом длину не меньше ширины меандровой линии, плата снабжена металлическим экраном, расположенным на ее нижней стороне, при этом щелевые линии отделены от микрополосковой меандровой линии и от экрана слоями диэлектрика.
Преимущественно ширина микрополосковой меандровой линии равна четверти длины волны на центральной частоте полосы задержки метаматериала.
Целесообразно базовый элемент микрополосковой меандровой линии выполнить прямоугольным, U- или V-образным, а плату ячейки - в форме квадрата.
Преимущественно метаматериал представляет собой частотно-селективную поверхность, состоящую из n×n ячеек, разделенных между собой зазорами, ширина которых не превышает период микрополоской меандровой линии, и расположенных на плоскости общего металлического экрана в шахматном порядке таким образом, что каждая ячейка повернута относительно ячеек, располагающихся слева, сверху, справа и снизу от нее на 90 градусов по или против часовой стрелки.
Предложенный метаматериал позволяет при распространении волны вдоль микрополосковой меандровой линии обеспечить полосу запирания за счет создания среды с отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей, т.е. метаматериальной среды. Границы полосы запирания определяются параметрами микрополосковой меандровой линии, а также параметрами и периодом следования щелевых линий.
На фиг. 1 представлен вид микрополосковой меандровой линии, располагающейся на верхней стороне платы.
На фиг. 2 - вид щелевой линии, располагающейся в центральном слое платы.
На фиг. 3 - поперечный разрез ячейки частотно-селективной поверхности.
На фиг. 4 - результаты вычисления эффективных значений электрической проницаемости ячейки в диапазоне частот 0,9-1,2 ГГц по измеренным значениям S-параметров.
На фиг. 5 - результаты вычисления эффективных значений магнитной проницаемости ячейки в диапазоне частот 0,9-1,2 ГГц по измеренным значениям S-параметров.
На фиг. 6 - принцип пространственной развязки расположенных по соседству в решетке микрополосковых антенн с помощью предложенной ячейки частотно-селективной поверхности.
21
На фиг. 7 - результат измерений параметра S структуры.
На фиг. 8 - расположение ячеек предложенного метаматериала в шахматном порядке с поворотом друг относительно друга для формирования частотно-селективной поверхности.
Метаматериал представляет собой ячейку частотно-селективной поверхности, состоящую из диэлектрической платы 1, с верхней стороны которой расположена микрополосковая меандровая линия 2, причем ширина W линии превышает ее период Т (фиг. 1). Ширина W меандровой линии 2 равна четверти длины волны на центральной частоте полосы задержки метаматериала. Базовый элемент микрополосковой меандровой линии - повторяющийся элемент меандровой линии, представляет из себя две прямоугольного профиля структуры, соединенные встречно (фиг. 1). Базовый элемент может быть также выполнен U- или V-образным.
В центральном слое диэлектрической платы выполнены щелевые линии 3 (фиг. 2), равномерно распределенные вдоль всей длины L микрополосковой меандровой линии 2 и ориентированные параллельно ее ширине W, имея при этом длину не меньше ширины W меандровой линии 2. Металлический экран 4 располагается с нижней стороны платы 1. Щелевые линии 3 отделены от микрополосковой меандровой линии 2 и от экрана 4 слоями диэлектрика 5 (фиг. 3).
Совокупно конструкция обеспечивает создание среды с отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей, что характеризует ее как метаматериал.
Ячейка может быть выполнена в форме квадрата (при этом длина L и ширина W микрополосковой меандровой линии равны).
Частотно-селективная поверхность на основе вышеописанных ячеек строится из n×n ячеек, разделенных между собой зазорами, ширина которых не превышает периода Т микрополосковой меандровой линии 2, что обеспечивает равенство потенциала смежных сторон соседних ячеек, и расположенных на плоскости общего металлического экрана в шахматном порядке таким образом, что каждая ячейка повернута относительно ячеек, располагающихся слева, сверху, справа и снизу от нее на 90 градусов по или против часовой стрелки (фиг. 8). Ячейки не имеют омического контакта между собой, но имеют общий экран 4 на обратной стороне платы 1, образуя тем самым частотно-селективную поверхность, обеспечивающую подавление электромагнитной волны, приходящей с любого направления в полосе частот, в которой значения электрической и магнитной проницаемостей приобретают отрицательные значения.
Таким образом, ячейки метаматериала заполняют всю плоскость, образуя частотно-селективную поверхность, имеющую полосу задержки в области частот, в которой электрическая и магнитная проницаемости метаматериала принимают отрицательные значения при любых падениях плоской волны на такую поверхность.
Метаматериал, представляющий собой ячейку частотно-селективной поверхности, работает следующим образом.
Микрополосковая меандровая линия имеет свойства фильтра низких частот (ФНЧ), тогда как щелевая линия имеет свойства фильтра верхних частот (ФВЧ). Последовательное включение ФНЧ и ФВЧ может создавать как широкодиапазонный полосно-запирающий фильтр, так и полосно-пропускающий фильтр в зависимости от взаимного расположения частот отсечки у ФНЧ и ФВЧ. Эти частоты определяются параметрами щелевой 3 и микрополосковой меандровой линий 2. Наличие же многочисленных периодически расположенных неоднородностей, имеющих резонансные свойства, по направлению распространения электромагнитной волны на протяжении как минимум четверти ее длины обуславливает создание искусственной среды с отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей в частотной области полосы задержки фильтра, образованного микрополосковой меандровой линией 2 и щелевыми 3 линиями, что является исключительным свойством метаматериала.
Были проведены вычисления эффективных значений электрической (фиг. 4) и магнитной (фиг. 5) проницаемостей ячейки в диапазоне частот 0,9-1,2 ГГц по измеренным значениям S-параметров по методике, предложенной в [Numan А.В. and Sharawi М.S. Extraction of material parameters of metamaterials using a full-wave simulator // IEEE Antenna and Propagations Magazine, Oct. 2013, No. 5, vol. 55, pp. 202-2011]. Из графиков фиг. 4 и 5 видно, что в указанном диапазоне на определенных частотах электрическая и магнитная проницаемости принимают отрицательные значения, что обуславливает частотно-запирающие свойства ячейки.
Одним из применений представленного метаматериала являются развязывающие устройства в антенных решетках (фиг. 6). В этом случае ячейка метаматериала должна быть помещена между антенными элементами таким образом, чтобы направление протяжения микрополосковой меандровой линий совпадало с осью, соединяющей центры антенных элементов. При этом микрополосковая меандровая линия должна лежать в одной плоскости с экраном, на который установлены антенные элементы. Расположенная таким образом ячейка метаматериала обеспечивает увеличение пространственной развязки между двумя антенными элементами в той частотной области, в которой значения электрической и магнитной проницаемостей приобретают отрицательные значения (фиг. 7).
Таким образом, ячейка метаматериала является развязывающим устройством, обеспечивающим подавление сигнала в полосе, в которой электрическая и магнитная проницаемости метаматериала принимают отрицательные значения.