O возможности использования метаматериалов в судовых антеннах

3. Inferred from chemical and isotopic compositions: Occurrence of dissolved gas of thermogenic origin / H. Wakita, Y. Sano, A. Urabe, Y. Nakamura // Chemical Geology. - 2009. - Vol. 264, № 1. -Р. 221-231.

4. Авдейко Г.П., Гавриленко Г.П., Бондаренко В.И. Подводная гидротермальная активность на северо-западном склоне о. Парамушир // Вулканология и сейсмология. - 1984. - № 6. - С. 66-81.

5. Pruess K., Oldenburg C., Moridis G. TOUGH2 User's Guide, Version 2.0. Rep. LBNL-43134, Lawrence Berkeley Natl. Lab., Berkeley, California. 1999.

6. Finsterle S. iTOUGH2 User's Guide. Rep. LBNL-40040, Lawrence Berkeley Natl. Lab., Berkeley, California. 1999.

7. Pruess K., Battistelli A. TMVOC, A Numerical Simulator for Three-Phase Non-Isothermal Flows of Multicomponent Hydrocarbon Mixtures in Saturated-Unsaturated Heterogeneous Media. Rep. LBNL-49375, Lawrence Berkeley Natl. Lab., Berkeley, California. 2002.

8. Поздеев А.И. Углеводородная газогенерация Авачинской депрессии, ее перспективы и связь с сейсмичностью // Вулканология и сейсмология. - 2003. - № 6. - С. 44-54.

9. Кирюхин А.В., Кирюхин В.А., Манухин Ю.Ф. Гидрогеология вулканогенов. - СПб.: Наука, 2010. - 395 с.

10. 3D термогидродинамическое моделирование Корякско-Авачинского вулканогенного бассейна / А.В. Кирюхин, Е.В. Черных, Т.В. Рычкова, Ю.Ф. Манухин, Е.О Дубинина // Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России: сб. докладов III науч. -техн. конф. (9-15 октября 2011 г.). - Петропавловск-Камчатский, 2011. - С. 312-316.

11. Федотов С.А. Магматические питающие системы и механизм извержений вулканов. -М.: Наука, 2006. - 456 с.

12.Fumarolic activity of Avachinsky and Koryaksky volcanoes, Kamchatka, from 1993 to 1994 / Y.A. Taran, C.B. Connor, V.N. Shapar, A.A. Ovsyannikov, A.A. Bilichenko // Bull Volcanol. - 1997. -Vol. 58. - P. 441-448.

13. Хаткевич Ю.М., Рябинин Г.В. Гидрогеохимические исследования на Камчатке в связи с поиском предвестников землетрясений // Вулканология и сейсмология. - 2006. - № 4. - С. 34-42.

УДК 621.396.676

Д.В. Ковалёв1, Ю.В. Кусуткин1, В.П. Сивоконь1,2

1 Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003;

2 Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, п. Паратунка, Камчатский край, 684034 e-mail: vsivokon@mail.ru

O ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАМАТЕРИАЛОВ В СУДОВЫХ АНТЕННАХ

Исследуются возможности применения метаматериалов в судовых антеннах радиотехнических систем с целью уменьшения их линейных размеров и повышения эффективности.

Ключевые слова: метаматериалы, антенны.

D.V. Kovalev1, J.V. Kusutkin1 , V.P. Sivokon1, 2 (^Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003; 2Institute of Cosmophysical Research and Radiowave Propagation, Far East Division, Russian Academy of Sciences, Paratunka, Kamchatka, 684034) Possibility of metamaterials application in shipboard antennas

We studied possibilities of metamaterials application in shipboard antennas of radio engineering systems for the purpose of reduction of their linear dimensions and effectiveness increase.

Key words: мetamaterials, antennas.

DOI: 10.17217/2079-0333-2015-31-33-36

Линейные размеры антенных устройств радиотехнических систем на судах стремятся минимизировать по многим причинам. К ним можно отнести большие ветровые нагрузки, испытываемые антеннами, относительно небольшие, по сравнению с длиной волны, размеры судов и т. д. Еще более остро стоит этот вопрос, если на судне необходимо реализовать антенную систему с выраженными направленными свойствами. В этом случае антенные системы имеют большие размеры. Их можно уменьшить, если антенну поместить в среду со специфическими электродинамическими характеристиками или использовать специальные конструктивные решения.

Известно, что фазовая скорость в среде отличается от скорости света в свободном пространстве и определяется ее электродинамическими параметрами, диэлектрической проницаемостью £ и магнитной проницаемостью ц.

Отсюда следует, что и длина волны в такой среде будет в д/ёц раз меньше. Эффективность

антенн определяется отношением длины антенны к длине волны —. Поместив антенну в среду,

X

у которой д/ёц > 1, можно уменьшить ее линейные размеры.

В зависимости от величины и знака е и ц можно получить следующие сочетания:

1. в> 1 и ц > 1;

2. е < 1, ц > 1;

3. е > 1 и ц < 1;

4. е < 1, ц < 1.

Необходимое нам сочетание д/ёц > 1 можно получить в 1 и 4 случаях. Первое сочетание е и ц характерно для диэлектриков. Среды, для которых выполняется условие 4, называют метаматериалами. Отметим, что ме-таматериалы - это искусственно созданные среды или особым образом структурированные системы, обладающие электродинамическими свойствами, не встречающимися в природе. В качестве примера такой системы на рис. 1 показана структура, состоящая из двойных кольцевых резонаторов и отрезков проводников.

Задачи распространения электромагнитных волн в таких метаматериалах были впервые рассмотрены В.Г. Веселаго [2]. В последнее время появилось множество работ, связанных с исследованием характеристик электромагнитных волн, распространяющихся в устройствах, изготовленных с применением метаматериалов. Из них заслуживают особого внимания, поскольку идет речь о конкретной реализации антенных устройств, публикации В.Г. Веселаго [3] и Ziolkowski [4, 5].

В публикации [3] предлагается антенное устройство, работающее на частоте 20 ГГц, модель которого показана на рис. 2.

В патенте приводятся характеристики, полученные при реализации заявленной малогабаритной СВЧ-ан-тенны на основе метаматериала:

1. Расчетный КСВ на частоте 20 ГГц составляет 1,55.

2. Расчетная ширина нормированной ДН излучателя с метаматериалом по уровню —3 дБ на частоте 20 ГГц в двух ортогональных плоскостях составляет 40,6 и 37,7 градуса, а уровень боковых лепестков составляет —10 и —13 дБ. Полученные значения говорят о сужении ДН излучателя по сравнению с излучателем Фабри-Перо в 2,1 и 1,5 раза в двух ортогональных плоскостях при аналогичном уровне боковых лепестков.

Рис. 1. Пример метаструктуры [1]

7

Рис. 2. Малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала: 1 - фидерная линия излучателя малогабаритной СВЧ-антенны;

2 - металлический экран излучателя; 3 - диэлектрическая подложка излучателя;

4 - металлическая накладка излучателя; 5 - диэлектрическая опора; 6 - диэлектрическое основание слоистой структуры; 7 - токопроводящий элемент резонансной

структуры метаматериала; 8 - слой резонансной структуры метаматериала

3. Измеренный КСВ излучателя с метаматериалом на частоте 20 ГГц составляет 1,5, что совпадает с расчетным значением.

4. Измеренная ширина нормированной ДН излучателя с метаматериалом по уровню —3 дБ на частоте 20 ГГц в двух ортогональных плоскостях составляет 22 и 26 градусов, при этом уровень боковых лепестков составляет —11 и —12 дБ. Полученные значения говорят о большем (на 25%) сужении ДН излучателя с метаматериалом по сравнению с расчетным при малом повышении уровня боковых лепестков, что показывает значительный эффект от применения пластины метаматериала.

Кроме того в описании патента представлено сравнение расчетных и измеренных характеристик излучателя с пластиной метаматериала и аналога (антенна Фабри-Перо) (см. табл.).

Сравнительные характеристики антенн

Сравнение расчетных/измеренных характеристик излучателя с пластиной метаматериала и аналога

Расчетные/измеренные характеристики Излучатель с метаматериалом Аналог

Плоскость диаграммы направленности Е Н Е Н

Ширина, мм 15,5 80

Высота, мм 17,5 7

Масса, г 6 50

Ширина ДН, град. (расчетная/измеренная) 40,6/22 37,7/26 5 5

Еще одной реализованной конструкцией, но уже на частотах 300, 1580 и 6000 МГц является антенна, внешний вид которой показан на рис. 3 [4].

Антенна состоит из коаксиальной питающей линии, имеющей индуктивную связь с излучателем, в котором имеется разрез для увеличения емкости, заполненный кварцем. Таким образом, питающая линия обладает индуктивным, а излучатель емкостным сопротивлениями, что при определенных условиях приводит к резонансу и позволяет повысить эффективность системы. Для частоты 300 МГц минимальные размеры антенны составили: высота 1 см, ширина и длина 2 см, при том что длина волны составляет 1 м. Приводятся величины входного сопротивления такой конструкции (рис. 4).

Из рис. 4 видно, что активная составляющая максимальна на резонансной частоте и составляет около 100 Ом, реактивная составляющая имеет тот же порядок, и их поведение носит явный резонансный характер.

Рассмотренные конструкции в случае электрически малых размеров обладают узкой полосой пропускания и максимально эффективны на резонансной частоте. Чтобы расширить рабочую полосу частот, можно изменить форму излучателей.

Для судовых радиотехнических и связных систем используются диапазоны коротких и ультракоротких волн, что требует адаптации показанных выше результатов к судовым антеннам. Литературный и патентный поиск, сопоставле-

ние. 3. 3D Magnetic EZ антенна на 300 МГц

100

80

60

40

20

-20 1,5

/ I / 1 1 Активное Реактивное

\ t \

1,55 1,6

Частота

1,65

1,7

Рис. 4. Входное сопротивление 3D Magnetic EZ антенна

0

ние конструкций с особенностями указанных диапазонов показали, что подходящими конструкциями могут быть системы на основе одномерной системы петли и излучателя с сосредоточенной емкостью (рис. 5, а), печатного вибратора с серпантинной индуктивностью (рис. 5, б), несимметричного вибратора со спиральной индуктивностью (рис. 5, в).

в

Рис. 5. Возможные варианты реализации антенн [6]

Проделанная авторами работа позволила определить наиболее вероятные конструкции антенн, которые можно использовать в качестве антенн судовых радиотехнических систем. Дальнейшие исследования планируется направить на создание масштабных моделей и изучение их свойств.

Литература

1. Left handed composite media: patent USA 6791432 / D. Smith, S. Schults, N. Kroll, R. Shelly. - 14.09.2004.

2. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями s и ц // Успехи физических наук. - 1967. - Т. 92, № 7. - С. 517-526.

3. Малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала: пат. RU(11) 2 473 157 / В.Г. Веселаго, А.А Жуков, И.Ю. Бредихин, А.А. Аджибеков, В.А. Гольтякова. - 17.11.2011.

4. Richard W. Ziolkowski, Aycan Erentok. Metamaterial-BasedEfficient Electrically Small Antennas. - IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - Vol. 54, No. 7. - July 2006. - P. 2113-2130.

5. Holloway Design and Experimental Verification of a 3D Magnetic EZ Antenna at 300 MHz / Richard W. Ziolkowski, Chia-Ching Lin, Jean A. Nielsen, Minas H. Tanielian, and Christopher L. IEEE antennas and wireless propagation letters. - 2009. - Vol. 8.

6. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // Электроника. - 2009. - № 7. - С. 70-79.