СВЕРХНАПРАВЛЕННАЯ КЕРАМИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Сверхнаправленная керамическая антенна относится к области физики и служит для достижения высокого коэффициента направленного действия. Она может быть использована для эффективной трансформации ближнего поля дипольного источника СВЧ излучения в свободно распространяющееся электромагнитное поле и наоборот, эффективного извлечения энергии из внешнего электромагнитного поля с последующим преобразованием в энергию поля, сильно локализованного в субволновом масштабе. Такие антенны будут полезными, например, для создания эффективных систем мобильной связи.
Диэлектрические антенны хорошо зарекомендовали себя в микроволновой области частот в качестве эффективных систем для формирования направленного излучения от источников СВЧ сигнала, благодаря возможности получения от такой антенны узкой диаграммы направленности и высокого коэффициента направленного действия.
Известная диэлектрическая антенна представлена в работе [S.A. Long, M.W. McAllister, L.C. Shen, "The resonant cylindrical dielectric cavity antenna", IEEE transactions on antennas and propagation, vol. ap-31, 406-412 (1983)]. Такая диэлектрическая антенна состоит из диэлектрического цилиндра радиусом 0.3 см и высотой 1 см изготовленного из материала с малым значением показателя преломления, а также дипольного источника СВЧ излучения, расположенного непосредственно вблизи от диэлектрического цилиндра. Такие диэлектрические антенны разрабатываются специально для создания эффективных систем мобильной связи.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является антенна на основе сферического диэлектрического резонатора для направленного излучения СВЧ сигнала [Brice Roily, Jean-Michel Geffrin, Redha Abdeddaim, Brian Stout, Nicolas Bonod, "Controllable emission of a dipolar source coupled with a magneto-dielectric resonant subwavelength scatterer", Scientific Reports, vol. 3, 3063 (1983)].
Наиболее близкий аналог предлагаемой полезной модели керамической антенны состоит из дипольного источника СВЧ излучения и керамического резонатора. Керамический резонатор выполнен в виде шара с радиусом 0.95 см, изготовленного из материала с показателем преломления равным 2.5. Дипольный источник СВЧ излучения выполнен в виде центральной жилы коаксиального кабеля и расположен на расстоянии 1 см от поверхности керамического резонатора. Такая диэлектрическая антенна, работает на основе возбуждения мультипольных моментов низшего порядка (дипольные электрические и магнитные моменты), конструктивная интерференция излучения которых приводит к коэффициенту направленного действия равному 5, на рабочей длине волны равной 3 см. Размером этой антенны является сумма диаметра сферического резонатора и расстояния от резонатора до дипольного источника СВЧ излучения. Размер этой антенны равен 2.9 см, что сравнимо с рабочей длиной волны.
Недостатками известной диэлектрической антенны является ее большой размер, достигающий длины волны излучения, а так же малая величина коэффициента направленного действия, которая является недостаточной для применений в системах беспроводной связи.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель является уменьшение размеров антенны в сочетании с увеличением коэффициента направленного действия.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в оптимизации конструкции антенны, соответствующей сверхнаправленности.
Данный технический результат достигается тем, что в керамической антенне, состоящей из дипольного источника СВЧ излучения и керамического резонатора, выполненного в виде шара радиуса R, дипольный источник СВЧ излучения размещен в выемке, выполненной в виде полусферы радиуса r, на поверхности резонатора, резонатор изготовлен из материала с высоким значением показателя преломления  где λ - длина волны излучения, а величина отношения  лежит в пределах  Расположение дипольного источника СВЧ излучения внутри керамического резонатора приводит к эффективному возбуждению высших мультипольных моментов поля в резонаторе. За счет возбуждения высших мультипольных моментов поля формируется сверхнаправленный режим работы антенны. Под сверхнаправленным режимом работы обычно понимают режим работы антенны, геометрически малой по сравнению с длиной волны, имеющей высокий коэффициент направленного действия (10 и более). В нашем случае, сверхнаправленный режим работы керамической антенны осуществляется путем создания сильно пространственно осциллирующих поляризационных токов в материале керамического резонатора, путем помещения дипольного источника СВЧ излучения внутрь выемки, выполненной на поверхности этого резонатора. В свою очередь это приводит к возбуждению высших мультипольных моментов поля такой антенны и, как следствие, к высокому значению (порядка 11) коэффициента направленного действия. Важно отметить, что сверхнаправленный режим работы антенны достигается без использования сложных массивов антенн, как это обычно делается для достижения сверхнаправленности.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим. В качестве материальной составляющей диэлектрического резонатора субволнового размера используются диэлектрические материалы с высоким значением показателя преломления  В качестве примера таких
2
материалов можно указать СВЧ керамику MgO-TiO. При взаимодействии такого резонатора с дипольным источником СВЧ излучения, находящимся снаружи, в керамическом резонаторе возбуждаются электрический и магнитный дипольные моменты, то есть мультипольные моменты первого порядка. В свою очередь мультиполи высших порядков в этом случае малы и существенного вклада в коэффициент направленного действия не вносят. Однако, помещение дипольного источника СВЧ излучения внутрь керамического резонатора приводит к резонансному возбуждению мультиполей высшего порядка, что проявляется в увеличении коэффициента направленного действия излучения антенны. В этом состоянии антенна функционирует в сверхнаправленном режиме. В результате, в направлении от резонатора происходит излучение основной части мощности. Благодаря эффективному возбуждению высших мультипольных моментов поля, керамическая антенна в сверхнаправленном режиме имеет большие значения коэффициента направленного действия по сравнению с большими диэлектрическими антеннами, включая наиболее близкий аналог.
2
Условие  выбора показателя преломления диэлектрического материала обосновывается необходимостью возбуждения в керамическом резонаторе резонанса Ми. Этот резонанс соответствует магнитному  дипольному моменту в случае дипольного источника СВЧ излучения, расположенного вне резонатора. При помещении дипольного источника СВЧ излучения в выемку на поверхности резонатора этот магнитный резонанс Ми гибридизируется в набор мультиполей высшего порядка. В микроволновой области частот этому условию удовлетворяет целый набор диэлектрических материалов. В качестве примера таких материалов можно привести керамику MgO-TiO. Условие  наложенное на величину отношения радиуса сферического резонатора R к радиусу выемки г, определено многочисленными численными расчетами и экспериментальными исследованиями.
Сущность полезной модели поясняется на Фиг., где приведена геометрическая структура сверхнаправленной керамической антенны. Сверхнаправленная керамическая антенна включает резонатор 1 из керамического материала, выполненный в виде шара радиуса R и дипольного источника СВЧ излучения 2, который размещен в выемке 3 на поверхности керамического резонатора 1. Выемка 3 имеет форму полусферы радиуса r. Дипольный источник СВЧ излучения 2 расположен в выемке на глубине r/2 и подсоединен к коаксиальному кабелю 4. Для удобства восприятия геометрии и расположения дипольного источника СВЧ излучения, из резонатора и коаксиальной линии вырезан прямоугольный сектор. Керамический резонатор и коаксиальная линия, как элементы микроволновой антенны, на самом деле этот сектор содержат.
Сверхнаправленная керамическая антенна работает следующим образом. Излучение антенны можно рассматривать как сумму излучений всех возбуждаемых в ней мультиполей. Большое число мультиполей высшего порядка возбуждаются путем создания сильно пространственно осциллирующих поляризационных токов в материале резонатора 1, путем помещения дипольного источника СВЧ излучения 2 внутрь выемки 3 на поверхности этого резонатора 1. В результате излучение дипольного источника 2 и всех мультиполей возбуждаемых в резонаторе 1 в направлении от выемки 3 складывается в противофазе, а в направлении от резонатора 1 - в фазе, что приводит к усилению излучения в направлении от резонатора 1 и формированию высокого значения коэффициента направленного действия. Наличие этого поляризационного тока в керамическом резонаторе 1 обеспечивается магнитной поляризуемостью Ми первого порядка, которая гибридизируется в набор мультиполей высшего порядка, при помещении
дипольного источника СВЧ излучения 2 в выемку 3 на поверхности резонатора 1. Выбор радиусов R и r определяет положение рабочей длины волны сверхнаправленной керамической антенны.
2
В качестве примера конкретной реализации предлагается сверхнаправленная керамическая антенна, состоящая из дипольного источника СВЧ излучения и резонатора, выполненного из СВЧ керамики MgO-TiO. Данная керамика имеет показатель преломления, равный 4 в области СВЧ. В этом случае радиус керамического сферического резонатора равен R=5 мм, радиус выемки равен r=2 мм. Дипольный источник СВЧ излучения - электрически малый диполь на конце коаксиального кабеля. Дипольный источник помещается внутрь выемки на глубину r/2. При этих параметрах конкретная реализация сверхнаправленной керамической антенны будет функционировать на длине волны равной λ=1.8 см и будет иметь коэффициент направленного действия равный 10, что в два раза превышает коэффициент направленного действия наиболее близкого аналога. Данная конкретная реализация сверхнаправленной керамической антенны имеет размер 10мм, что в 2.9 раз меньше по сравнению с наиболее близким аналогом.