Анализ физических особенностей метаматериалов и частотно-селективных СВЧ-устройств на их основе

АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ МЕТАМАТЕРИАЛОВ И ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНЫХ СВЧ-УСТРОЙСТВ

НА ИХ ОСНОВЕ

Кухаренко Александр Сергеевич,

к.т.н., с.н.с, Филиал открытого акционерного общества "Объединенная ракетно-космическая корпорация" "Научно-исследовательский институт космического приборостроения", Москва, Россия, alexk.05@mail.ru

Елизаров Андрей Альбертович,

Одним из перспективных путей развития современной электродинамики и электроники СВЧ является исследование метаматериалов, представляющих собой композитные соединения, свойства которых обусловлены искусственно созданной периодической системой из макроскопических элементов. Однако эти структуры обладают общим недостатком - узкой рабочей полосой, что объясняется их резонансными свойствами. Проведен анализ физических особенностей метаматериалов и конструкций частотно-селективных СВЧ-устройств, выполненных на основе грибовидных полосно-заграждающих структур. Предложены способы расширения рабочей полосы указанных устройств, заключающиеся в формировании двухслойных или многослойных топологических структур, в которых слои образованы импедансными частотно-селективными поверхностями. Первый предложенный способ получения такой поверхности заключается в создании дополнительного слоя проводящих пластин, имеющих омический контакт с металлизированными переходными отверстиями, которые в свою очередь также имеют омический контакт с пластинами верхней импедансной поверхности и с плоскостью заземления. Второй предложенный способ заключается в формировании промежуточной импедансной поверхности из периодически расположенных на плоскости вложенных кольцевых разомкнутых резонаторов. Причем такие резо-наторные кольца располагаются в промежуточном слое структуры непосредственно под верхними пластинами концентрически вокруг металлизированного переходного отверстия, не имея омического контакта с ним, диаметр внешнего кольца не превышает длины верхней пластины. Показано, что использование в конструкциях грибовидных полосно-заграждающих структур промежуточных импедансных поверхностей позволяет создавать СВЧ-устройства на основе объемных метаматериалов с расширенной полосой пропускания и возможностью ее перестройки, а также многодиапазонные частотно-селективные устройства. С использованием программных средств AWR Design Environment (Microwave Office v.9.0) выполнено численное моделирование таких СВЧ-устройств, демонстрирующее эффект расширения рабочей полосы, и приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие их соответствие с результатами моделирования. Показано, что интерес к исследованию грибовидных полосно-заграждающих структур обусловлен перспективностью их использования для создания частотно-селективных СВЧ-устройств с улучшенными характеристиками, в частности, специальных экранов отсечки многолучевости прецизионных антенн для систем геодезии и навигации, а также пространственных фильтров для развязки элементов в антенных решетках.

Для цитирования:

Кухаренко А.С., Елизаров А.А. Анализ физических особенностей метаматериалов и частотно-селективных СВЧ-устройств на их основе // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №5. - С. 36-41.

For citation:

Kukharenko A.S., Yelizarov A.A. Analysis of metamaterial physical features and constituted frequency-selective devices . T-Comm. 2015. Vol 9. No.5, рр. 36-41. (in Russian).

д.т.н., профессор, Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, a.yelizarov@hse.ru

Ключевые слова: метаматериал, расширение полосы, полосно-запирающие структуры, частотно-селективные устройства, грибовидные структуры.

Т-Сотт Уо!.9. #5-201 5

Т-Сотт Том 9. #5-2015

39

Заключение

В работе предложены два оригинальных способа расширения рабочей полосы грибовидных метаматериалов без увеличения их габаритных размеров. Первый из них заключается в формировании между импедансной и земляной поверхностями метаматериала дополнительной импедансной поверхности, топология которой повторяет по форме и размеру проводящий рисунок, формирующий первую импедансную поверхность, и расположена строго под ней.

Другой способ заключается в формировании промежуточной импедансной поверхности из периодически расположенных на плоскости непосредственно под пластинами, формирующими верхнюю импедансную поверхность, вложенных кольцевых разомкнутых резонаторов, не имеющих омического контакта ни между собой, ни с верхними пластинами, ни с металлизированным переходным отверстием. Такая структура позволяет создавать не только широкополосные, но и многодиапазонные метама-териалы.

При помощи численного моделирования наглядно продемонстрирован эффект расширения в 5-7 раз полосы запирания частотно-селективных СВЧ-устройств, выполненных на основе предложенных метаматериалов, по сравнению с аналогичными устройствами на основе традиционной грибовидной конструкции. Приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие достоверность данных численного моделирования.

Литература

1. Вендик И .Б., Вендик 01. Метамате риалы и их применение в технике сверхвысоких частот (обзор) И Журнал технической физики. - 201 3. - Т.83. - Вып. I. - С.3-28.

2. Metamaterials Handbook: Vol, I. Phenomena and Theory of Metamaterials, - 926 p.; Vol, II. Applications of Metamaterials. - 724 p. / Ed. by F.Capolino, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009.

3. Engheia N., Ziolkowsky R. W. Metamaterials - physics and engineering exploration. Dan vers: John Wiley & Sons Inc., 2006. - 414 p.

4. Sievenpiper D., Zhang L, Broas R.J., Alexopolous N.C., Yablono-vitch £. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band II IEEE Trans. MTT. - 1999. - Vol. 47. - № II.-P.2059-2074.

5. Бойко C.H., веселого В.Г., Виноградов E.A., Жуков А.А. Малогабаритные антенны на основе метаматериалов (практические аспекты) II Антенны, 2012, - № 12, - С. 32-41.

6. Бойко С.Н., Елизаров А.А, Иакирова Э.А., Кухаренко А.С. Исследование малогабаритного развязывающего СВЧ фильтра на метаматериале II Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2014», Саратов, 2014. - Т. I. - С,218-225.

7. Froozesh A., Shafai L Investigations into the application of artificial magnetic conductors to bandwidth broading, gain enhancement and beam shaping of low profile and conventional monopole antennas. II IEEE Trans. AP. - 201 I. - Vol.59. - № I, pp.4-20.

8. Sanada A., Calos С, Itoh T. Planar distributed structures with negative refractive index H IEEE Trans. MTT. - 1999. - Vol. 52. -№ 4. pp. 1252-1263.

9. Caloz Ch., Itoh T. Electromagnetic metamaterials: transmission line theory and microwave applications (the engineering approach) - Mew Jersey: A John Wiley & Sons Inc., 2006. - 352 p.

T-Comm Том 9. #5-2015

ANALYSIS OF METAMATERIAL PHYSICAL FEATURES AND CONSTITUTED FREQUENCY-SELECTIVE DEVICES

Kukharenko A.S., Russia, Moscow, alexk.05@mail.ru Yelizarov A.A., Russia, Moscow, a.yelizarov@hse.ru

Abstract

One of modern electrodynamics and microwave electronics evolution ways is investigation of metamaterials, which are composite unions, which properties are caused by artificially made periodic macro element system. But these structures have an overall mismatch - a narrow working band, which is caused by its resonant nature. An analysis of metamaterial physical properties and constructions of frequency-selective microwave devices, based on mushroom-type band-gap structures is presented. Ways of the mentioned devises band width extension which are in forming double ore multilayer structures, where layers are formed by impedance frequency-selective structures, are suggested. The first suggested way is forming an additional layer of conducting plates having a contact with vias, which also have a contact with top impedance surface plates and with ground plane. The second suggested way is to form the middle impedance plane from resonant inserted rings, periodically placed on a plane. Resonant rings should be placed in the middle layer of the structure under the top plates concentrically around the via, having no contact with them, the external ring diameter shouldn't be larger than the plate length. It is shown, that using of middle impedance surfaces in mushroom-type band-gap constructions allows creating microwave devices based on 3-D metamaterials with extended bandwidth and a possibility of its readjusting and also multiband frequency-selective devises creation. Using AWR Design Environment (Microwave Office v.9.0) software a numerical analysis of microwave devices demonstrating a band width extension effect is made, and experimental data matching with the numerical analysis are shown. It is shown, that an interest to mushroom-type frequency-selective structures investigation is caused by perspective of using such devises for creation of frequency-selective microwave devices with better characteristics, in particular of special multipath mitigating ground planes for navigation systems and square filters for antenna element decoupling in antenna arrays.

Keywords: metamaterial, bandwidth extension, EBG structures, frequency-selective devices, mushroom-type structures. References

1. Vendik I.B., Vendik O.G. Ghurnal tehnicheskoy phiziky, 2013. Vol.83. No.l, pp.3-28. (in Russian).

2. Metamaterials Handbook: Vol. I. Phenomena and Theory of Metamaterials, 926 p.; Vol. II. Applications of Metamaterials, 724 p. / Ed. by F.Capolino, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009.

3. Engheta N., Ziolkowsky R.W. Metamaterials - phisics and engineering exploration, Danvers, John Willey and sons inc., 2006. 4I4 p.

4. Sievenpiper D., Zhang L., Broas R.J., Alexopolous N.G., Yablonovitch. E. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band, IEEE Trans. MTT. I999. Vol. 47. No. II, pp. 2059-2074.

5. Boyko S.N., Veselago V.G., Vinogradov Y.A., Ghukov A.A., Antenny. 20I2. No I2, pp. 32-4I. (in Russian).

6. Boyko S.N., Yelizarov A.A., Zakirova E.A., Kukharenko A. S. APEP-20I4 conferense, Saratov. 20I4. Vol. I, pp. 2I8-225.

(in Russian).

7. Froozesh A., Shafai L. Investigations into the application of artificial magnetic conductors to bandwidth broading, gain enhancement and beam shaping of low profile and conventional monopole antennas. IEEE Trans. AP. 20II. Vol. 59. No. I, pp. 4-20.

8. Sanada A., Calos C., Itoh T. Planar distributed structures with negative refractive index. IEEE Trans. MTT. I999. Vol. 52. No 4, pp.I252-I263.

9. Caloz Ch., Itoh T. Electromagnetic metamaterials: transmission line theory and microwave applications (the engineering approach), New Jersey, A John Wiley & Sons Inc., 2006, 352 p.

Information about authors: Kukharenko A.S., Ph. D., head researcher, Branch of "United Rocket and Space Corporation" "Institute of Space Device Engineering", Moscow, Russia.

Yelizarov A.A., Ph. D., professor, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia. For citation:

Kukharenko A.S., Yelizarov A.A. Analysis of metamaterial physical features and constituted frequency-selective devices . T-Comm. 20I5. Vol 9. No.5, pp. 36-4I. (in Russian).

f I A