CC BY
29
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРИБОВИДНЫХ МЕТАМАТЕРИАЛОВ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОДЛОЖКАМИ В КОНСТРУКЦИЯХ
ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ
Елизаров Андрей Альбертович,
Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, a.yelizarov@hse.ru
Назаров Игорь Васильевич,
Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, inazarov@hse.ru
Малинова Ольга Евгеньевна,
Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, oemalinova@edu.hse.ru
Сидорова Татьяна Васильевна,
Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, tvsidorova@edu.hse.ru
Статья подготовлена в результате проведения исследования (№ 17-05-0009) в рамках Программы "Научный фонд Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" (НИУ ВШЭ)" в 2017-2018 гг. и в рамках государственной поддержки ведущих университетов Российской Федерации "5-100".
Ключевые слова: прямоугольный волновод, магнитная стенка, диэлектрическая подложка, грибовидный метаматериал, режекторный фильтр.
Одним из актуальных вопросов при создании современных электродинамических структур микроволнового диапазона является уменьшение их габаритных размеров и массы при увеличении количества функций, сохранении высокой добротности и стабильных электрических параметров. Качественно новый подход в практическом решении этой задачи был найден во второй половине прошлого века В.Г.Веселаго, впервые показавшим возможность существования метаматериалов - искусственно созданных периодических структур, обладающих отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей [1]. Изучение физических и конструктивно-технологических свойств метаматериалов является важным и перспективным направлением в науке, открывая широкие возможности их практического применения в микроволновой технике, электронике, антенных и измерительных устройствах различного функционального назначения [2-4].
Данная работа посвящена исследованию прямоугольного волновода типа R32 с поперечным сечением 72,14х34,04 мм, одна из широких стенок которого выполнена в виде магнитной стенки из грибовидного метама-териала, с учетом влияния расположения грибовидной структуры на диэлектрической подложке. На поверхности метаматериала выполняются эквивалентные граничные условия, соответствующие магнитной стенке - все тангенциальные компоненты магнитного поля и нормальные компоненты электрического поля устанавливаются равными нулю. Применительно к прямоугольному волноводу, в котором распространяются дисперсные типы волн, наличие магнитной стенки означает, что электрическое поле в такой структуре перпендикулярно горизонтальным стенкам и не зависит от координат в плоскости поперечного сечения. Основной волной такого волновода является чисто поперечная ТЕМ-волна [5].
Предложена конфигурация волновода и геометрические размеры самого метаматериала, элементы которого имеют форму мальтийского креста. Компьютерная модель исследуемого объекта создана в программной среде Ansoft HFSS ver.14 и позволила получить ряд количественных зависимостей, характеризующих влияние метаматериала на распространение в структуре электромагнитной волны основного типа H|o.
Информация об авторах:
Елизаров Андрей Альбертович, д.т.н., профессор, НИУ "Высшая школа экономики", Департамент электронной инженерии Назаров Игорь Васильевич, к.т.н., доцент, НИУ "Высшая школа экономики", Департамент электронной инженерии Малинова Ольга Евгеньевна, бакалавр, НИУ "Высшая школа экономики", Департамент электронной инженерии Сидорова Татьяна Васильевна, бакалавр, НИУ "Высшая школа экономики", Департамент электронной инженерии
Для цитирования:
Елизаров А.А., Назаров И.В., Малинова О.Е., Сидорова Т.В. Использование грибовидных метаматериалов с диэлектрическими подложками в конструкциях прямоугольных волноводов // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №12. С. 4-7.
For citation:
Yelizarov А.А., Nazarov I.V., Malinova O.E., Sidorova T.V. (2017). Using mushroom-shaped metamaterials with dielectric substrates in the construction of rectangular waveguides. T-Comm, vol. 11, no.12, рр. 4-7. (in Russian)
T-Comm Том 11. #1 2-20 1 7
7T>
У
Т-Сотт Уо1.11. #12-201 7
Т-Сотт Том 11. #1 2-20 1 7
7. Кухаренко А. С.. Елизаров А, А., Назаров И. В.. Закирова М. И. Патент № на полезную модель № 166 254. Воли о водный режек-торным фильтр на мета матер и ал е. Изобретения. Полезные модели. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. 2016, № 32,
8. Кухаренко А.С. Елизаров A.A. Методы расширения полосы заграждения СВЧ устройств на основе планарных модифицированных грибовидных структур мета матер и ал о в // Радиотехника и электроника. 2016. Т.61. № 2. С. 192-198.
ELECTRONICS. RADIO ENGINEERING
9. Кухаренко А, С.. Елизаров А. А. Исследование частотно-селективной поверхности на основе пленарного грибовидного метаматериала с элекгронной перестройкой полосы запирания И Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. № 9. С. 865-870.
10. Mohamed К. Oudal and Nidal A. Abutahoun. Rectangular waveguide radiator miniaturization using electromagnetic infinity-shaped metamateria! resonator // IUG Journal of Natural and Engineering Studies. 2013, vol.21, no. 1, pp. 69-82.
11. Hrabar S„ Bartolic J.. Sipus Z. Waveguide Miniaturization Using Uniaxial Negative Permeability Metamateria] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2005, vol. 53, no.l 1.
USING MUSHROOM-SHAPED METAMATERIALS WITH DIELECTRIC SUBSTRATES IN THE CONSTRUCTION OF RECTANGULAR WAVEGUIDES
Andrey A. Yelizarov, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia, yelizarov@hse.ru Igor V. Nazarov, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia, inazarov@hse.ru Olga E Malinova, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia, oemalinova@edu.hse.ru Tatiana V. Sidorova, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia, tvsidorova@edu.hse.ru
Abstract
One of the important issues in contemporary electrodynamic structures microwave range is to reduce their dimensions and mass by increasing the number of functions, maintaining a high Q-factor and stable electrical parameters. A new approach to the practical solution of this problem was found by V.G. Veselago who firstly demonstrated the possibility of the existence of metamaterials -artificially created periodic structures with negative values of permittivity and permeability [1]. The study of the physical and technological properties of metamaterials is an important and promising direction in science, opening wide possibilities of their practical applications in microwave engineering, electronics, antenna and measuring devices of various functional purposes [2-4]. This work presents the investigation of rectangular waveguide R32 type with the cross-section 72,14x34,04 mm with mushroom-shaped metamaterial magnetic wall, with the influence of structures' location on a dielectric substrate. Equivalent boundary conditions are set on the surface of the metamaterial and correspond to a magnetic wall - all tangential components of the magnetic field and normal components of the electric field equal to zero. The presence of the magnetic wall in rectangular waveguide with dispersion waves means electric field's perpendicularity to the horizontal walls and independence from coordinates in the plane of the cross section. The main wave type in the structure is transverse TEM-wave [5]. In this paper configuration of the waveguide and the geometrical dimensions of the metamaterial with element's shape as a Maltese cross are proposed. A computer model of the object under investigation is created with the software Ansoft HFSS ver.14 and allows to obtain quantitative characteristics of the metamaterial influence to the propagation in the structure of fundamental electromagnetic wave H|o type.
Keywords: rectangular waveguide, magnetic wall, dielectric substrate, mushroom-shaped metamaterial, rejection filter. References
1. Veselago V. G. (1967). Electrodynamics of substances with simultaneously negative values £ and UFN, vol. 92, no 3, pp. 517-526.
2. Munk B. (2000). Frequency selective surfaces: theory and design. New York: A John Wiley & Sons Inc. 410 p.
3. Kukharenko A.S., Yelizarov A.A. (2016). The practical use of metamaterials in the design of microwave devices. Saarbrucken, Germany, LAP LAMBERT Academic Publishing. 121 p. (in Russian)
4. Kukharenko A.S., Yelizarov A.A. (2015). Analysis of the physical features of metamaterials and frequency-selective microwave devices based on them. T-Comm, vol. 9, no. 5, pp. 36-41.
5. Yelizarov A.A., Nazarov I.V., Kukharenko A.S., Skuridin A.A. (2017). Investigation of a rectangular waveguide with a magnetic wall made of mushroom-shaped metamaterial. Proceedings of the 18th IEEE International Vacuum Electronic Conference (IVEC-2017), London. Institute of Electrical and Electronics Engineers, pp. 129-130.
6. Yelizarov A.A., Nazarov I.V., Kukharenko A.S. (2016). Rectangular waveguide with a magnetic wall of the mushroom-shaped metamaterial investigation. H&ES Research, vol. 8, no 5, pp. 50-56.
7. Kukharenko S.A., Yelizarov A.A., Nazarov I.V., Zakirova M.I. (2016). Patent for useful model № 166 254 (RU). Waveguide rejector filter on metamaterial. Official Bulletin of the Federal service for intellectual property, patents and trademarks. No. 32.
8. Kukharenko A.S., Yelizarov A.A. (2016). Methods for extension of the rejection band of microwave devices on the basis of planar modified mushroom-shaped metamaterial structures. Journal of Communications Technology and Electronics, vol. 61, no. 2, pp. 204-210.
9. Kukharenko A.S., Yelizarov A.A. (2016). Investigation of a Frequency-Selective Surface Based on a Planar Mushroom-Shaped Metamaterial with an Electronically Tunable Stopband. Journal of Communications Technology and Electronics, vol. 61, no. 9, pp. 1015-1019.
10. Mohamed K. (2013). Oudal and Nidal A. Abutahoun. Rectangular waveguide radiator miniaturization using electromagnetic infinity-shaped metamaterial resonator. IUG Journal of Natural and Engineering Studies, vol. 21, no.1, pp. 69-82.
11. Hrabar S., Bartolic J., Sipus Z. (2005). Waveguide Miniaturization Using Uniaxial Negative Permeability Metamaterial. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 11.
Information about author:
Andrey A. Yelizarov, Dr. S'c - Eng., Professor, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia Igor V. Nazarov, Ph.D., Ass. Professor, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia Olga E. Malinova, Bachelor, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia Tatiana V. Sidorova, Bachelor, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia
( \Л
