Презентация на тему Метаматериалы в антенной технике

поверхности



Метаматериалы в антенной технике

Георгиевич Веселаго описал электромагнитные свойства материалов с отрицательными ε

из искусственных частиц с электромагнитными свойствами, не присущими естественным

a << λ

Поле «не различает» дискретности частиц

Метаповерхность – плоский аналог метаматериала

(< 10 dBi):
Диполи, рамки, микрополосковые, квадрифилярные и т.д.
Применение: мобильная

Средней направленности: (10..20 dBi)
Рупоры, спиральные, широкополосные антенны типа Вивальди и др.
Применение: базовые станции, измерения, облучатели

Остронаправленные: (>20 dBi)
Зеркальные, линзовые, антенные решетки.
Применение: космические исследования и связь

поверхности



Метаматериалы в антенной технике

анализа и синтеза
Массивные, требуют специальной формы отражателей, ограничены диапазон

Отражательные решетки – новый тип антенн
Планарные
Малый вес
Множество функций
Интеграция с цепью управления

al. The reflectarray antenna, IEEE TAP, 1963

Первая – ОР

R. E. Munson and H. Haddad, U.S. patent 4,684,952, August 1987.

Действительно планарной ОР делают элементы в виде микрополосковых антенн –
Печатное исполнение

фронт отраженной волны путем регулировки фазы отражения от отдельных элементов
Методы

Нагрузка – линия задержки

За счет переменного размера

За счет поворота элементов (CP)

решеток:
Двухчастотная ОР, 3м Jet Propulsion Laboratory
California Institute of

Интеграция солнечной батареи и ОР для космоса NASA

ОР на 77 ГГц – многослойная керамическая плата

Антенный пост РЛО С-300

Диаграмма направленности
Направление луча
Коэффициент усиления
КИП
Полоса частот
Кросс-поляризация
Параметры разработки:
Апертура (диаметр, форма)
Положение облучателя

КИП переливания

КИП неравномерности

– подбор параметров одиночного элемента
Металлический экран
Полосок
Подложка
Периодические граничные условия
Падающая плоская волна
Зависимость

HFSS CST FEKO

– принципиально узкий
Ограничивается двумя факторами:
Полоса элемента (микрополосковый элемент имеет полосу

Полоса элемента:

Широкополосное обеспечение фазы:

с разностью фаз соседних элементов – падает с увеличением

λ/2, 848 эл. λ/3, 1941 эл.

Зависимость КУ от частоты:

Фазовая ошибка от частоты:

D = 6.275 дюйма = 17λ @ 32 ГГц / Rogers 5880

P. Nayeri et al. PIER C, 2011

иметь несколько частотных полос
Для этого применяются вложенные резонансные элементы

1. Ka-диапазон (32 ГГц):
Кольцевой резонатор – поворот элемента
2. C-диапазон (7.1 ГГц):
Крест-диполь – настройка размером эл-та
3. X-диапазон (8.4 ГГц):
Разомкнутая квадратная рамка – настройка положением щелей

0.566 м: 692 диполей, 685 квадратов, 10760 колец

A. Yu et al. IEEE APSURSI, 2010

одновременного синтеза нескольких максимумов ДН:
Суперпозиция АФР:
Поле в апертуре представляется

Геометрический способ:
Решетка делится на N подрешеток, каждая из которых создает луч в заданном направлении





Недостатки:
Подрешетки имеют меньшую апертуру
Ниже КУ
Выше УБЛ

Выход: Численная оптимизация

c управлением лучом
1. Механическое сканирование:
По аналогии с зеркальными антеннами

Необходимо изменять фазовое распределение

2. Электронное сканирование:
Фаза отклика каждого элемента контролируется управляющим элементом. Например: ЦФВ

3. Гибридные способы:
Увеличить диапазон перестройки, снизить стоимость решетки

c управлением лучом
Контроль фазы отклика отдельных элементов позволяет управлять

Mathieu Riel et al., IEEE TAP, 2007

решеток
Разработаны при участии Михаила Ивановича Сугака (ЛЭТИ)
ОР – замена

Эскиз и Макет ОР на 5.45 ГГц

С.В. Поленга, М.И. Сугак. Журнал Сиб.Фед.ун-та, 2011

Прототип ОР ММ-диапазона:

контролировать внешним источником света:
Каждый резонансный элемент нагружен на варикап

I. Shadrivov, P. Kapitanova, S. Maslovski, and Y. Kivshar PRL, 2012 

http://phoi.ifmo.ru/metamaterials/

Пример: фокусировка/дефокусировка/ изменение направления луча
Применение : управляемая светом ОР

ТГЦ
С повышением частоты растут потери в резонансных элементах, что

Резонансный МП-элемент

Экв.схема:

Диэлектрическая нерезонансная ОР на 100 ГГц – фактически – зонированная линза

Payam Nayeri et al., IEEE AP-S, 2013

система излучателей (АР) может создавать луч диаграммы параллельно плоскости

Направление приема

Цилиндрический облучатель

Апертура ОР

Фазировка ОР при помощи линий задержки

US Patent, Aug 4, 1987, 4,684,952

поверхности



Метаматериалы в антенной технике

решетка
Передающая решетка
Принцип работы проходной решетки
Пассивная ПР на линиях задержки
Активная

Mohsen Sazegar et al., IEEE TAP, 2012

поверхности



Метаматериалы в антенной технике

света в сверхтонком полупроводниковом слое 150-250 нм при помощи

Комп.модель ячейки

Выигрыш в поглощении энергии до 30% в ИК-диапазоне и до 15% - в видимом

Размер антенн –
160 нм

НИУ ИТМО совместно с Aalto university

Солнечные батареи на тонких пленках – гибкие, более практичные и дешевые в изготовлении, но менее эффективные, чем объемные

для покрытий из нано-антенн

Фокусированное ионное травление в золотой пленке

Матрица золотых нано-антенн

Серебряные нано-антенны на фотодетекторе

Аналогичная задача существует для повышения чувствительности ТГц детекторов

http://phoi.ifmo.ru/metamaterials/

поверхности



Метаматериалы в антенной технике

Люнеберга фокусирует излучение точечного источника на ее периферии.
Для этого

Стандартная реализация –
Множество вложенных шаровых слоев с разным показателем преломления

Требуется большое число слоев – высокая стоимость
Объем полностью заполнен – значительный вес

Люнеберга на основе диэлектрического метаматериала
Разработана совместно СПбГПУ и ИТМО


И.К.

Сопровождение движущихся спутников

Одновременная работа по нескольким спутникам

Экспериментальный образец:

Широкая полоса частот (5-15 ГГЦ)
Малый вес (в 3-4 раза ниже многослойной линзы)
Состоит из одинаковых элементов
Используется один материал
Может быть изготовлена на 3D-принтере

Радиальные диэлектрические штырьки переменного профиля образуют неоднородный материал

Люнеберга на основе сетки
Между двумя периодическими структурами возможно замедление ТЕМ

Carl Pfeiffer and Anthony Grbic, IEEE TAP, 2010

Линза Люнеберга фокусирует излучения источника на ее периферии

композитных линз Микаэляна
Концепция искусственного неоднородного диэлектрика находит применение и для

Неоднородная линза Микаэляна фокусирует излучение точечного источника, расположенного в торце цилиндра если:

Распределение показателя преломления достигается использованием многослойной структуры с элементарной ячейкой определенной формы:

А.М. Александрин, Ю.П. Саломатов. Доклады ТУСУРа, 2012

поверхности



Метаматериалы в антенной технике

проводов круглого сечения, образующих решетку
Структуру можно рассматривать как анизотропную

E

k

Режимы работы:
f < fp – запредельный режим, экспоненц.затухание, εreff<0
f = fp – ENZ метаматериал, бесконечная фазовая скорость εref=0
f > fp – распространяющаяся волна, εref>0

fp - плазменная частота, зависит от геометрических параметров решетки

помощи проволочной среды
В режиме εref=0:
фазовая скорость в среде

Лучи в слое из проводов:

Точечный монополь:

Экспериментальная реализация слоя из проводов:

Bonefacic, D., Hrabar, S. et al, Microw. Opt. Technol. Lett, 2006

за счет вставки из проволочного материала
За счет бесконечной фазовой

Оптимальный рупор для заданной длины имеет фиксированные размеры апертуры

За счет вставки из проволочного метаматериала длину можно уменьшить с тем же КИП

КУ короткого рупора равен КУ длинного:

Не содержит диэлектрика! Удобно для космических систем.

Hrabar, S. et al., Proc. IEEE APS 2008

на волноводе с проволочным заполнением
Бесконечная фазовая скорость дает антенну

Типичная антенна бегущей волны:
максимум излучения – под углом

Излучающая линия передачи

Волновод с проволочной средой реализует:
Режим обратной волны
Режим с бесконечной фазовой скоростью
Режим с прямой волной

частотное сканирование

Hrabar, S et al., Proc. Meta 2008

разомкнутых проводов между двумя близкими пластинами играет роль замедляющей

Искусственный диэлектрик на замедляющей структуре дает широкополосность и всенаправленность одновременно

Dmitry Tatarnikov, Topcon

поверхности



Метаматериалы в антенной технике

т.ч. периодические – импедансные поверхности
От импеданса зависит коэффициент отражения.
1800

λ/4

Металлический экран (Е=0, Z=0)

00 при отражении

h<<λ

Магнитный экран
(Н=0, Z=∞)

?

Не существует природных стенок с магнитными свойствами

НО! Это – не совсем планарная структура! Нужна миниатюризация!

Отражение с фазой 00

необходимо уменьшить объем элементарной ячейки –увеличить емкость и индуктивность
Индуктивность

Высокоимпедансная поверхность (грибная)

Можно еще увеличить емкость:

легко изготавливаться в виде печатных плат, что делает их наиболее

Горизонтальный диполь над металлическим экраном – изображение в противофазе – трудно согласовать

Горизонтальный диполь над поверхностью с высоким импедансом – изображение в фазе – легко согласовать!

Dan Sievenpiper et al., IEEE MTT Trans.,1999

с высоким импедансом блокируют поверхностные волны (при возбуждении как

ВИП подавляют поверхностные волны TE- и TM-типов – эффект запрещенной зоны

Структура из метаматериала позволяет добиться развязки элементов антенной решетки!

G. Poilasne, PIER, 2003

могут управлять ближним полем
Это важно для уменьшения вредного действия

Результат измерения ближнего поля

Область пониженного поля в ближней зоне

S.A. Tretyakov et al, Improving antenna near-field pattern by use of artificial impedance screens, 2005

снижение краевых эффектов отражателя антенн
Поверхностные волны затухают и не

У обычной GNSS антенны – высокое боковое и заднее излучение –
Ошибка измерения координат из-за многолучевости

Промышленные GNSS антенны делают с подавлением многолучевости за счет высокоимпедансных поверхностей

Происходит подавление краевых эффектов – ровная форма ДН – нет фазовых ошибок

Плоская поверхность: Выпуклая поверхность:

антенн на высокоимпедансных поверхностях, имеющиеся на рынке
В рамках работ по модернизации