Волноводная нагрузка на метаматериале

Полезная модель относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использована в радиоэлектронной аппаратуре.
Известны волноводные нагрузки, выполненные в виде короткозамкнутого отрезка волновода со встроенным поглощающим элементом в виде одноэкспоненциального или двухэкспоненциального клина из диэлектрика с резистивным покрытием, или ферроэпоксидного композитного материала, имеющего длину, равную половине длины волны в волноводе и более [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Высшая школа, 1970. - Т. 1. - с. 244-245]. Такие нагрузки обладают минимальным значением коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) - 1,02-1,05 в достаточно широкой полосе частот, составляющей 20-30% и более от средней рабочей частоты. Недостатком таких нагрузок являются большие габаритные размеры и масса.
Известны также волноводные согласованные нагрузки на основе фотонных кристаллов, представляющие собой короткозамкнутые с одной стороны отрезки прямоугольного волновода с размещенными в них структурами из чередующихся слоев диэлектриков с различными значениями толщины и диэлектрической проницаемости, и нанометровых слоев металла с различными значениями толщины и удельной электропроводности [Усанов Д.А., Мещанов В.П., Скрипаль А.В., Попова Н.Ф., Пономарев Д.В., Мерданов М.К. Согласованные нагрузки сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн на СВЧ фотонных кристаллах // Журнал технической физики. 2017. Т. 87, №2. С. 216-220; патент РФ №2360336. Широкополосная волноводная согласованная нагрузка / Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, А.В. Абрамов, А.С. Боголюбов, B.C. Скворцов, М.К. Мерданов. 2009. БИ №18].
Такие волноводные нагрузки также являются широкополосными, однако требуют создания нанометровых металлических слоев с определенным значением поверхностного сопротивления, и диэлектрических слоев, обладающих строго определенными значениями диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и толщины. Только в этом случае в таких нагрузках обеспечивается монотонное уменьшение электрического поля вдоль структуры по направлению к торцевой стенке и достигается величина КСВН менее 1,20 в рабочей полосе частот.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция элементарной резонансной ячейки для полосно-пропускающих структур, выполненная на основе грибовидного метаматериала, который представляет собой периодическую структуру грибовидного типа, состоящую из идентичных металлических элементов в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами и имеющих геометрические размеры много меньшие рабочей длины волны, и используемая в качестве нагрузки прямоугольного волновода [Ли Л., Ли Б., Лиу X., Лианг К. Модель локальной резонансной ячейки для электромагнитных полосно-пропускающих структур // IEEE transactions on antennas and propagation. 2006. V. 54, №1.P.90-100 (Li L., Li В., Liu H., Liang C. Locally resonant cavity cell model for electromagnetic band gap structures // IEEE transactions on antennas and propagation. 2006. V. 54, №1.P.90-100)].
К недостаткам такой структуры следует отнести малый уровень затухания, не превышающий (- 4,5 дБ) на резонансной частоте 4,412 ГГц в узкой рабочей полосе, а также высокий КСВН, превышающий 1,5.
Технической задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является создание малогабаритной волноводной нагрузки с торцевой магнитной стенкой, выполненной из грибовидного метаматериала, с продольными размерами, не превышающими половину длины волны, обеспечивающей затухание волны не хуже (-10 дБ) в рабочей полосе частот при КСВН не превышающем 1,2.
Поставленная техническая задача решается тем, что в волноводной нагрузке, содержащей полуволновый отрезок прямоугольного волновода с торцевой магнитной стенкой, выполненной из метаматериала, представляющего собой периодическую структуру грибовидного типа, состоящую из идентичных металлических элементов в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами и имеющих геометрические размеры много меньшие рабочей длины волны, согласно предложенной полезной модели, на поверхность метаматериала нанесена ферромагнитная пленка, толщина ферромагнитной пленки выполнена не меньшей, чем толщина проводников, образующих распределенные колебательные контуры.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности существенных признаков, является обеспечение затухания волны не хуже (-10 дБ) в рабочей полосе частот при КСВН не превышающем 1,2, что позволит создать малогабаритную волноводную нагрузку с торцевой магнитной стенкой, выполненной из грибовидного метаматериала, с продольными размерами, не превышающими половину длины волны.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется рисунками, где
на фиг. 1 показана модель волноводной нагрузки в программе Ansoft HFSS ver. 13(а) и конструкция торцевой магнитной стенки прямоугольного волновода, выполненная из грибовидного метаматериала (б);
на фиг. 2 показана эквивалентная схема элемента грибовидного метаматериала;
на фиг. 3 показан элемент грибовидного метаматериала и даны его геометрические размеры;
на фиг. 4 приведены зависимости КСВН от частоты при изменении относительной магнитной проницаемости пленки, нанесенной на грибовидный метаматериал;
11
на фиг. 5 приведены зависимости комплексного коэффициента отражения S от частоты при изменении относительной магнитной проницаемости пленки, нанесенной на грибовидный метаматериал.
Работа волноводной нагрузки на метаматериале осуществляется следующим образом.
10
10
Волноводная нагрузка подключается к источнику электромагнитных колебаний СВЧ с волной типа H. На фиг. 1(a) показана модель волноводной нагрузки в программе Ansoft HFSS ver. 13 и силовые линии напряженности поля волны H, возбуждающей магнитную торцевую стенку из метаматериала. При равенстве длины волноводной нагрузки половине рабочей длины волны, на торцевой стенке достигается минимальное значение напряженности электрического поля, что способствует плавному затуханию электромагнитной волны. Торцевая стенка волноводной нагрузки представляет собой периодическую структуру, выполняется из грибовидного метаматериала и является магнитной (фиг. 1 (б)). На такой стенке все тангенциальные компоненты магнитного поля и нормальные компоненты электрического поля устанавливаются равными нулю. Распределенные колебательные контуры метаматериала со «шляпками грибов», имеющими форму, похожую на мальтийский крест, могут быть представлены эквивалентной схемой, содержащей индуктивности, образованные полыми цилиндрическими металлическими ножками, соединенными с экраном, и емкости, сформированные между соседними контурами (фиг. 2). Такая эквивалентная схема представляет собой схему линии передачи с отрицательной дисперсией, обладающую отрицательной фазовой скоростью и положительной групповой скоростью. Каждый из идентичных колебательных контуров, образующих торцевую магнитную стенку из метаматериала, обладает высокой собственной добротностью и при изменении конструктивных размеров, может иметь резонансную частоту от десятых долей до сотен ГГц. Геометрические размеры каждого из колебательных контуров, образующих метаматериал, много меньше рабочей длины волны возбуждения (фиг. 3). Нанесение ферромагнитной пленки, толщина которой выполняется не меньшей, чем толщина проводников колебательных контуров метаматериала, позволяет обеспечить необходимое затухание электромагнитной волны и расширить рабочую полосу частот предлагаемой волноводной нагрузки.
Причинно-следственная связь указанных существенных признаков и заявляемого технического результата подтверждается результатами численного эксперимента, полученными с помощью программных средств Ansoft HFSS ver. 13.
На фиг. 4 показаны зависимости КСВН волноводной нагрузки от частоты при изменении относительной магнитной проницаемости пленки, нанесенной на грибовидный метаматериал: μ=0 (пленка отсутствует); 25; 50; 100; 150; 200; 250. Анализ полученных кривых показывает, что при отсутствии ферромагнитной пленки минимальный КСВН равен 2,3 на резонансной частоте 13,75 ГГц, что свидетельствует об отсутствии согласования. При нанесении на грибовидный материал ферромагнитной пленки, с увеличением ее относительной магнитной проницаемости, согласование улучшается, что позволяет получить КСВН менее 1,5 в различных по ширине интервалах частот. Так при μ=150 на частоте 10,375 ГГц КСВН=1,182, на частоте 11,250 ГГц, КСВН = 1,118; на частоте 12,125 ГГц, КСВН = 1,152. Наиболее широкая рабочая полоса достигается при μ=100 в интервале частот 14,875-16,500 ГГц, при этом КСВН изменяется от 1,13 до 1,15, что удовлетворяет заявляемому техническому результату. Следует также отметить, что изменением относительной магнитной проницаемости пленки можно обеспечить частотный сдвиг и некоторое расширение рабочей полосы частот волноводной нагрузки.
11
На фиг. 5 показаны зависимости комплексного коэффициента отражения S от частоты при изменении относительной магнитной проницаемости пленки, нанесенной на грибовидный метаматериал. Из полученных кривых видно, что при отсутствии ферромагнитной пленки затухание волны не превышает (-8,09) дБ на резонансной частоте 13,75 ГГц. При наличии пленки, с увеличением ее относительной магнитной проницаемости, в различных интервалах частот, достигается величина затухания, значительно превышающая (-10) дБ. Так в наиболее широком интервале частот 14,875-16,500 ГГц, при μ=100, затухание составляет (-14,166)-(-12,016) дБ, что удовлетворяет заявляемому техническому результату.
Достоинством предлагаемой полезной модели является возможность монтажа магнитной стенки из грибовидного метаматериала непосредственно на торце волновода, что доступно технологически и не требует дополнительных крепежных конструкций. Также преимуществом полезной модели является достижение высокой собственной добротности грибовидной структуры метаматериала при геометрических размерах распределенных контуров значительно меньших рабочей длины волны, что позволяет создать малогабаритную волноводную нагрузку СВЧ диапазона.