ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНАЯ ВЫСОКОИМПЕДАНСНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ НА ОСНОВЕ МЕТАМАТЕРИАЛА
FREQUENCY-SELECTIVE HIGH-IMPEDANCE SURFACE BASED ON METAMATERIAL

Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре.
Известны ферромагнитные материалы (ферриты) с большой величиной относительной магнитной проницаемости, поверхность которых обладает сопротивлением, превышающим волновое сопротивление свободного пространства, равное 120π = 376,7 (Ом) [Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. М.: Физматлит, 1994. 464 С.]. Однако такие ферромагнитные поверхности не обладают свойством частотной селекции колебаний и волн.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является композитная высокоимпедансная поверхность метаматериала в виде конструкции, образованной металлическими элементами в форме шестиугольных «грибочков», размер каждого из которых много меньше рабочей длины волны [Sievenpiper D., Zhang L., Broas R., Alexopolous N.G., Yablonovitch E. // IEEE Trans.  Microw. Theory. 1999. Vol. 47. #11. P. 2059-2074]. Такая высокоимпедансная поверхность находит практическое применение как излучающий или отражающий элемент миниатюрных антенн и не рассматривается как частотно-селективная структура.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание частотно-селективной высокоимпедансной поверхности, которая, по отношению к электромагнитной волне СВЧ, имеет отрицательные значения эффективной диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также поверхностный импеданс, перестраиваемый в данном частотном диапазоне и существенно превосходящий волновое сопротивление свободного пространства, равное 120π (Ом).
Решение технической задачи достигается тем, что частотно-селективная высокоимпедансная поверхность содержит однослойную экранированную печатную плату, с одной стороны которой выполнена импедансная решетка из связанных не менее чем двумя емкостными зазорами микрополосковых многозаходных спиралей Архимеда, в центрах которых расположены металлизированные переходные отверстия, соединенные с общим металлическим экраном. Согласно предложенному изобретению, емкостные зазоры выполнены в виде микрополосковых копланарных линий.
Одной из отличительных особенностей частотно-селективной высокоимпедансной поверхности может являться установка параллельно емкостным зазорам сосредоточенных емкостей, позволяющих обеспечивать настройку полосы заграждения в заданном диапазоне частот.
Другой отличительной особенностью частотно-селективной высокоимпедансной поверхности может являться установка параллельно одному из емкостных зазоров каждой пары связанных многозаходных спиралей диодов-варикапов, что позволяет обеспечить электронную перестройку полосы заграждения участка высокоимпедансной поверхности путем изменения значения обратного постоянного напряжения диодов-варикапов.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является обеспечение, по отношению к электромагнитной волне СВЧ, отрицательных значений эффективной диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также поверхностного импеданса, перестраиваемого по частоте и существенно превосходящего волновое сопротивление свободного пространства, равного 120π (Ом), что позволяет создать частотно-селективную высокоимпедансную поверхность.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где
на фиг.1 показана топология участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности, выполненной на диэлектрической подложке из стеклотекстолита с относительной диэлектрической проницаемостью 4,8 и габаритными размерами 210×210×1 мм, где цифрой 1 обозначена экранированная диэлектрическая плата, цифрой 2 - колебательные контуры в виде четырехзаходных прямоугольных спиралей Архимеда, цифрой 3 - емкостные зазоры, выполненные в виде микрополосковых копланарных линий, цифрой 4 - сосредоточенные емкости или варикапы;
21
11
на фиг.2 (а, б) приведены результаты расчетов комплексных коэффициента передачи S и коэффициента отражения S от частоты для рассматриваемого участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности при установке параллельно емкостным зазорам сосредоточенных емкостей с величинами 2,0 пФ (а) и 6,0 пФ (б), полученные численно с помощью программных средств AWR Design Environment v.9.0;
на фиг. 3 (а, б) приведены результаты расчетов зависимостей эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей от частоты для рассматриваемого участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности при установке параллельно емкостным зазорам сосредоточенных емкостей 6,0 пФ.
Работа участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности осуществляется следующим образом.
Участок частотно-селективной высокоимпедансной поверхности возбуждается с помощью емкостного зазора, образованного двумя параллельными микрополосковыми линиями, расположенными по краям диэлектрической платы 1 (на чертеже не показаны). Конструктивные размеры каждого из колебательных контуров 2, выполненных в виде связанных емкостными зазорами четырехзаходных прямоугольных спиралей Архимеда, много меньше рабочей длины волны возбуждения. Участок такой электродинамической структуры является метаматериалом, эквивалентная схема которого представляет собой линию передачи с отрицательной дисперсией, обладающую отрицательной фазовой скоростью и положительной групповой скоростью. Каждый из идентичных колебательных контуров, образующих метаматериал, обладает собственной добротностью Q>100 и при изменении геометрических размеров может иметь резонансную частоту от 0,1 до 100 ГГц. Выполнение емкостных зазоров в виде микрополосковых копланарных линий объясняется практической независимостью их волнового сопротивления от толщины подложки, что позволяет использовать подложки с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости и за счет этого уменьшать геометрические размеры структуры.
Возможность достижения технического результата достигается сравнением затухания, обеспечиваемого высокоимпедансной поверхностью метаматериала, и импедансной металлической поверхностью, имеющей аналогичные габаритные размеры. При расположении параллельно рассматриваемым поверхностям СВЧ-излучателя, например, горизонтального вибратора в нем возникает зеркально отраженный ток, эквивалентный наличию второго излучателя. Причем этот ток будет противофазен току при наличии импедансной металлической поверхности и синфазен в случае поверхности, образованной метаматериалом. Таким образом, при синфазных токах наличие отражения усиливает излучение вибратора, а при противофазных токах излучение вибратора будет компенсироваться. Следует также подчеркнуть еще одно преимущество метаматериала - поверхностный ток не затекает на обратную сторону экранированной диэлектрической платы, что полностью уничтожает обратное излучение, всегда возникающее в излучающей структуре с импедансной металлической поверхностью.
21
11
Проведенный анализ подтверждается результатами численного эксперимента, полученными с помощью программных средств AWR Design Environment (Microwave Office v.9.0).  На фиг.2(а) показаны зависимости комплексных коэффициента передачи S и коэффициента отражения Sот частоты, полученные для участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности при установке параллельно емкостным зазорам сосредоточенных емкостей с величиной 2,0 пФ. На фиг.2(б) показаны аналогичные зависимости при величинах сосредоточенных емкостей, равных 6 пФ. Сравнение данных характеристик показывает смещение полосы заграждения участка поверхности 1,65-1,87 ГГц (фиг.2(а)) вниз до 1,59-1,67 ГГц при средней величине затухания (-10) дБ. На фиг.3(а) и 3(б) приведены результаты расчетов зависимостей эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей от частоты для рассматриваемого участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности при установке параллельно емкостным зазорам сосредоточенных емкостей 6,0 пФ. Из графиков видно, что в области резонанса структуры диэлектрическая и магнитная проницаемости принимают отрицательные значения.
В случае установки параллельно одному из емкостных зазоров каждой пары связанных многозаходных спиралей  диодов-варикапов, емкость которых меняется при изменении обратного постоянного напряжения, можно обеспечить электронную перестройку полосы заграждения участка высокоимпедансной поверхности, что является достоинством данного изобретения.