CC BY
46
УДК 621.371:538.574
Н.Н. Горбатенко
студент,
кафедра антенн и радиопередающих устройств, Институт радиотехнических систем и управления, ФГБОУ ВПО «Южный федеральный университет»,
г. Таганрог
Д.В. Семенихина
д-р техн. наук, профессор, кафедра антенн и радиопередающих устройств, Институт радиотехнических систем и управления, ФГБОУ ВПО «Южный федеральный университет»,
г. Таганрог Н.И. Чиков аспирант,
кафедра антенн и радиопередающих устройств, Институт радиотехнических систем и управления, ФГБОУ ВПО «Южный федеральный университет»,
г. Таганрог
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТАМАТЕРИАЛА В КАЧЕСТВЕ ПОДЛОЖКИ НЕЛИНЕЙНОЙ МИКРОПОЛОСКОВОЙ СТРУКТУРЫ
Аннотация. Рассматривается использование метаматериала в качестве подложки нелинейной микро-полосковой структуры. Описывается метод анализа, основанный на решении уравнения Максвелла. Дается обоснование выбора структуры метаматериала. Приведены расчетные характеристики электрофизических параметров, которые определялись в процессе гомогенизации на основе комплексных коэффициентов отражения и прохождения структуры.
Ключевые слова: метаматериалы, нелинейные нагрузки, граничные условия, гомогенизация.
N.N. Gorbatenko, Southern Federal University, Taganrog
D.V. Semenikhina, Southern Federal University, Taganrog
N.I. Chikov, Southern Federal University, Taganrog
APPLICATION OF A METAMATERIAL AS A SUBSTRATE NONLINEAR MICROSTRIP STRUCTURE
Abstract. An application of a metamaterial as a substrate nonlinear microstrip structure is considered. The method of analysis, based on a Maxwell's equation, is described. The rational for the choice of a metamaterial structure is provided. A calculated characteristic of electrophysical parameters, which was determined in process of homogeniza-tion on basis of complex reflection and transmission coefficients of the structure, are shown.
Keywords: metamaterials, nonlinear loads, boundary conditions, homogenization.
В 40-е годы XX века было обнаружено, что когда в электромагнитном поле мощных передатчиков, связных радиостанций, находятся металлические конструкции, то возникают нелинейные эффекты, заключающиеся в появлении рассеянных радиоволн на кратных частотах, отсутствовавших в излучении передатчиков [1]. Чаще всего подобные эффекты носили негативный характер. Но с развитием техники возникла необходимость в устройствах, способных реализовать эффект нелинейного рассеяния. Такие устройства могут быть использованы для создания скрытых каналов связи, а также для создания средств обнаружения людей, попавших под завалы или лавины.
Одним из способов реализации устройства с описанными свойствами является использование микрополосковой отражательной решетки с включенными в нее нелинейными элементами.
В [2] была разработана электродинамическая модель бесконечной микрополосковой структуры, нагруженной нелинейными элементами. Моделирование основывалось на решении уравнений Максвелла с заданными нелинейными граничными условиями и условием излучения на бесконечности. Результаты исследования показали возможность обогащения спектра, отра-
женного от структуры поля. В отраженном поле присутствовали высшие гармоники, но их уровни были существенно ниже уровня поля на основной гармонике. По этой причине возникла необходимость в разработке устройства, у которого в отраженном поле уровни кратных гармоник были бы соизмеримы с уровнем основной гармоники или превышали его. Так, в [3] для выравнивания уровней гармоник было предложено использовать в качестве подложки не обычный диэлектрик, а слой метаматериала (ММ). Анализ ряда источников [4-6] показал, что использование ММ в антенной технике способствует миниатюризации антенн, обеспечивает высокий коэффициент усиления и многочастотный режим работы, повышает коэффициент полезного действия, улучшает частотную избирательность и чувствительность и др.
Математическая модель задачи приведена в [1]. Постановка задачи и ее решение основывается на методике, изложенной в [2]. Рассматривается бесконечная периодическая микрополоско-вая решетка, расположенная на слое ММ, в которой между полосками включены нелинейные нагрузки. ММ описывается как вещество и характеризуется эффективными проницаемостями еа2,Да2. Нелинейные нагрузки описываются известной вольтамперной характеристикой [7] полиномиального типа.
Рисунок 1 - а - макет ММ; б - диэлектрическая проницаемость; в - магнитная проницаемость; г - поверхностный импеданс; д - моделирование
Определяют составляющие рассеянного поля в точке р на частотах пш, где п - номер частотной гармоники.
В качестве ММ бралась структура, описанная в [4]. Данная структура является РЫС-
№ 4-1 (44) - 2015
19
материалом (Double negative) - эффективные магнитная ¡je и диэлектрическая eeffi проницаемости принимают отрицательное значение в диапазоне частот. На рисунке 1а показан фрагмент макета ММ.
Одиночный элемент был нанесен на стеклотекстолит FR-4 (c £г = 4, tg 5 = 0,025, толщиной t = 1мм). Один период полоски содержит 15 элементов, расположенных на одной стороне стеклотекстолита. Макет содержит набор из 51 полоски.
Расчетные частотные характеристики электрофизических параметров (£eff, yeff> Z) приведены на рисунке 1б, в, г [4]. Характеристики ММ определялись в процессе гомогенизации на основе комплексных коэффициентов отражения и прохождения структуры. Расчет проводился для бесконечной решетки элементов (рис. 1д) с применением условия периодичности.
В результате численного анализа было установлено, что применение ММ в нелинейных микрополосковых решетках в качестве подложки способствует выравниванию уровней кратных гармоник в сравнении с основной гармоникой в отраженном поле. Этот эффект достигается за счет увеличения активной части поверхностного импеданса на рабочих частотах.
Экспериментальная часть заключается в измерении амплитуды и фазы отраженного и прошедшего полей, на основе которых рассчитываются электрофизические параметры ММ. Полученные экспериментальные данные будут включены в электродинамическую модель для дальнейшего анализа. Таким образом, будут учтены реальные свойства ММ.
Список литературы:
1. Sheynshleger V.B., Misezhnikov G.S, "Research of an Effect of a Non-Linear Scattering of Radio Waves of a Metal Objects" // Journal of Communications Technology and Electronics. 1984. Vol. 39, № 6. P. 902-906.
2. Семенихина Д.В., Гамолина И.Э. Рассеяние плоской электромагнитной волны бесконечной периодической микрополосковой нелинейно нагруженной структурой // Радиотехника и электроника, 2000. Т. 45, № 5. С. 552-556.
3. Семенихина Д.В., Чиков Н.И. Исследование отражающей нелинейной микрополосковой структуры с использование метаматериалов в качестве подложки // ИРЭМВ-2013. - Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2013. - С. 419.
4. Lee H.-M., Lee H.-S. А metamaterial based microwave absorber composed of coplanar electric-field-coup-led resonator and wire array // Progress in Electromagnetics Research C. 2013. Vol. 34. P. 111 {121}.
5. Singh G. Double Negative Left-Handed Metamaterials for Miniaturization of Rectangular Microstrip Antenna // J. Electromagnetic Analysis & Applications. 2010. № 2. P. 347-351.
6. Mahdy M.R.C., Zuboraj M.R.A., Ovi A.A.N., Matin M.A. A Novel Design Algorithm And Practical Realization of Rectangular Patch Antenna Loaded with SNG Metamaterial // Progress In Electromagnetics Research M. 2011. Vol. 17. P. 13-27.
7. Петров Б.М. Нелинейные граничные условия // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1992. Т. 35, № 3. С. 30-37.
