CC BY
49
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА С МАГНИТНОЙ СТЕНКОЙ ИЗ ГРИБОВИДНОГО МЕТАМАТЕРИАЛА
Елизаров
Андрей Альбертович,
д.т.н., профессор, Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Департамент электронной инженерии, г. Москва, Россия, a.yelizarov@hse.ru
Назаров
Игорь Васильевич,
к.т.н., доцент,
Национальный исследовательский
университет «Высшая школа
экономики», Департамент электронной
инженерии,
г. Москва, Россия,
inazarov@hse.ru
Кухаренко
Александр Сергеевич,
к.т.н., с.н.с., Филиал открытого акционерного общества «Объединенная ракетно-космическая корпорация» - «Научно-исследовательский институт космического приборостроения», г. Москва, Россия, alexk.05@mail.ru
О
с
Ключевые слова:
прямоугольный волновод; грибовидный метаматериал; магнитная стенка; дисперсия.
Современный этап развития микроволновой техники связан с использованием различных видов метаматериалов - композитных материалов, не существующих в природе и отличающихся отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости, как по отдельности (SNG - single negative), так и одновременно (DNG -double negative). В последнем случае такая среда приобретает новые необычные свойства, а ее применение позволяет управлять законами дисперсии, преломления и отражения электромагнитных волн в известных электродинамических структурах. Анизотропные свойства метаматериала оказывают различное влияние на характеристики и параметры систем в зависимости от ориентации относительно падающей волны. Так известен эффект обратного распространения волны в волноводных структурах, который происходит, когда продольная магнитная проницаемость положительна, а поперечная отрицательна. При этом на резонансной частоте элементарной ячейки метаматериала волновод поддерживает распространение обратных волн ниже граничной частоты основной моды H10. В таком случае низшая частота распространения волны в волноводе, а, следовательно, возможность уменьшения его габаритных размеров, определяются возможностью создания одноосного метаматериала с отрицательной магнитной проницаемостью в заданном диапазоне частот. В работе приведены результаты компьютерного моделирования распространения электромагнитных колебаний в стандартном прямоугольном волноводе типа R32 с поперечным сечением 72,14 х 34,04 мм, одна из широких стенок которого выполнена в виде магнитной стенки из грибовидного метаматериала. С помощью программных средств Ansoft HFSS ver.13 получены зависимости распределения поля при возбуждении основной моды H10, характеристики комплексных коэффициентов отражения S11 и передачи S21 от частоты и диаграммы направленности излучения из конца волновода в ближней зоне.
За последние десять лет появилось большое число публикаций, посвященных теоретическому анализу, компьютерному моделированию и экспериментальному исследованию искусственных периодических структур - метаматериалов, на поверхности которых выполняются эквивалентные граничные условия, соответствующие магнитной стенке.
Идеальной магнитной стенкой называется такая стенка, на которой все тангенциальные компоненты магнитного поля и нормальные компоненты электрического поля устанавливаются равными нулю.
Применительно к прямоугольному волноводу, в котором могут распространяться волны электрического и магнитного типа, и для которого характерна дисперсия фазовой скорости, наличие магнитных стенок означает, что его электрическое поле перпендикулярно горизонтальным стенкам и не зависит от координат в плоскости поперечного сечения. Основной волной такого волновода, который называют ТЕМ-волноводом, является Т-волна.
Главной проблемой создания такого ТЕМ-волновода является конструктивная реализация магнитной стенки. На практике магнитная стенка может быть выполнена на основе грибовидного метаматериала, выполненного в виде периодических ячеек, содержащих идентичные металлические элементы в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами, и имеющих геометрические размеры, много меньшие рабочей длины волны.
Распределенные колебательные контуры метаматериала со «шляпками грибов», имеющими форму, похожую на мальтийский крест, показаны на рис. 1а. Контуры могут быть представлены эквивалентной схемой, показанной на рис.1б, и содержащей индуктивности, образованные металлическими ножками, соединенными с экраном, и емкости, сформированные между соседними контурами. Такая конструкция представляет собой линию передачи с отрицательной дисперсией, обладающую отрицательной фазовой скоростью и положительной групповой скоростью. При изменении геометрических размеров каждый из колебательных контуров, образующих магнитную стенку из метаматериала, обладает
а
Рис. 1. Грибовидная структура со «шляпками грибов» в форме мальтийского креста (а) и образование эквивалентных индуктивности и емкости между ее соседними контурами (б);
габаритные размеры отдельного контура (гриба) ё = 8 мм, е = 5 мм, 8 = £= 1 мм, высота ножки гриба 6 мм
собственной добротностью Q > 100 и может иметь резонансную частоту от десятых долей до сотен ГГц.
Заменим рассмотренной грибовидной структурой одну из широких стенок отрезка стандартного прямоугольного волновода типа R32 с поперечным сечением 72,14* 34,04 мм и критической частотой 2,079 ГГц. На рис.2 показана модель такой магнитной стенки в программе Ansoft HFSS ver. 13.
Рис. 2. Модель магнитной стенки прямоугольного волновода на основе грибовидной структурыв программе Ansoft HFSS ver.13
Результаты моделирования комплексных коэффициентов отражения S и передачи S и КСВН от частоты при возбуждении основной моды Н в волноводной структуре с широкой магнитной стенкой представлены на рис. 3 (а, б).
Анализ полученных на рис. 3 (а, б) зависимостей показывает, что частота отсечки такого волновода зависит от резонансных свойств метаматериала и находится вблизи 4 ГГц, где рассматриваемая электродинамическая структура может выполнять функции волноводного режекгорного фильтра, обеспечивающего затухание 21-24 дБ при ширине полосы заграждения не хуже 500 МГц.
Проанализируем далее полученные также в программе Ansoft HFSS ver.13 и показанные рис. 4 (а, б) - 6 (а, б, в), ЗО-зависимости распределения поля и диаграммы направленности излучения из конца рассматриваемого волновода, полученные в ближней зоне на частотах 4,0 - 4,6 ГГц.
Результаты компьютерного моделирования 3D-xapaKre-ристик распределения поля наглядно демонстрируют минимальное затухание колебаний на частоте 4,0 ГГц и его быстрый рост с увеличением частоты. Этот физический процесс подтверждается также анализом диаграмм направленности. Так на частоте 4,0 ГГц наблюдается один лепесток с максимальной интенсивностью излучения, на частоте 4,3 ГГц
81ГдР ви, ДБ
1, МГц
ксвн
»000 •со
«О
«ю те
«00 4000 5000 ы
а б
Рис. 3. Зависимости комплексных коэффициентов отражения Б и передачи Б (а), КСВН (б) от частоты для прямоугольного волновода с широкой магнитной стенкой
1, МГц
.......1..... у
[ЧасНайоп Райегп 1
о
-зо „ >.30
НРЗЭ0е5|дп1
Сип*е Но
- гЕГеМ
&1ир1 : 1_э5^ар№е реч^ЧвНг' Оп^'Мед'
- ГЕТ0В1
- гЕПоЙ!
Ргеч='4СНг' Р^гСЙ^1 - гЕГоЫ
БеЕир I : Ьаг^с^зр^е
---гЕГоЮ
РГ^ДО^вд1
- гЕТоЫ
Ред^ЧСЮ И^КИебГ
гЕ№I 5е1ир1 : к1А
-180
Рис. 4. ЗБ - характеристика распределения поля (а) и диаграмма направленности (б) излучения из конца прямоугольного волновода с широкой магнитной стенкой на частоте 4,0 ГГц
100 (mm)
Рис. 5. ЗБ - характеристика распределения поля (а) и диаграммы направленности (б, в) излучения из конца прямоугольного волновода с широкой магнитной стенкой на частоте 4,3 ГГц
Е Р(в11|[У_раг_|л
■
д.0ОвВе»0ВЗ 9. 29578*8102 3. 571Че»002 7. 95716-002 7. 1Ч5йе»ВЙ2
е.4286г»002 5,7143!>002 5.8000е»002 П. 2357е»002 з 5?1Ч!»еег 2.в571е»в02 2,1Ч29е»002 1.Ч28Бе»002
7.1Чг9е-001
50 100 (тт)
а
г£Тогэ1
■
И
С"¥3
00366+083 75366+003 50чге*00э 25Ч8е+00Э 005Че+00Э
3066е+00Э 2572е*е03 007бЕ+0ег 758Че+003 503ве+В03 2596е+00Э 01026+003
изэивиг
2589е*001
Рис. 6. ЗБ - характеристика распределения поля (а) и диаграммы направленности (б, в) излучения из конца прямоугольного волновода с широкой магнитной стенкой на частоте 4,6 ГГц
лепесток начинает раздваиваться, и на частоте 4,6 ГГц - получаем симметричное раздвоение лепестка, сопровождаемое разделением интенсивности излучения на две равные части.
Таким образом, проведенный анализ позволяет отметить возможности перспективных направлений использования метаматериалов в волноводной технике - во-первых, это уменьшение габаритных размеров волноводных устройств, а во-вторых, создание волноводных фильтров с улучшенными параметрами и характеристиками.
Статья подготовлена в результате проведения исследования (№ 16-01-0061) в рамках Программы «Научный фонд Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ)» в 2016—2017 гг. и с использованием средств субсидии на государственную поддержку ведущих университетов Российской Федерации в целях повышения их конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров, выделенной НИУ ВШЭ.
Литература
1. Engheta N., Ziolkowsky R. W. Metamaterials - physics and engineering exploration. Danvers: John Wiley & Sons Inc., 2006. 414 p.
2. Basharin A.A., Balabukha N.P., Semenenko VN., Menshikh NX. Pétrin A. (Ed). Metamaterial waveguides and antennas, in "Wave propagation" / InTech. 2011. Pp. 241-266.
3. БалабухаН.П.,Башарин A.A., СемененкоВ.Н. Эффект обратного излучения электромагнитных волн волноводной структурой из метаматериала//Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 89. Вып. 10. С. 593-598.
4. Hrabar S., Bartolic J., Sipus Z. Waveguide miniaturization using uniaxial negative permeability metamaterial // IEEE
Trans, on Antennas andPropagation. 2005. Vol. 53. No. 11.
5. Кухаренко A.C., Елизаров A.A. Анализ физических особенностей метаматериалов и частотно-селективных СВЧ устройств на их основе II T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2015. Т. 9. № 5. С. 36-41.
6. Кухаренко A.C., Елизаров A.A. Методы расширения полосы заграждения СВЧ устройств на основе планарных модифицированных грибовидных структур метаматериалов II Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. No. 2. С. 192-198.
7. Патент РФ 2571385 С1. Развязывающий фильтр на метаматериале / Елизаров A.A., Кухаренко A.C. Заявл. 29.08.2014. Опубл. 20.12.2015. Бюл. №35.
8. Бойко С.Н., Елизаров A.A., Закирова Э.А., Кухаренко A.C. Исследование малогабаритного развязывающего СВЧ фильтра на метаматериале II Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2014: материалы Международной научно-технической конференции. Саратовом. Т. 1. С. 218-225.
9. Елизаров А. А., Кухаренко А. С. Широкополосные частотно-селективные СВЧ устройства на основе планарных модифицированных грибовидных метаматериалов II СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (Кры-МиКо 2015): материалы 25-й Международной Крымской конференции. Севастополь, 2015. Т. 1. С. 586-587.
10. Елизаров А. А., Кухаренко А. С. Частотно-селекгив-ная поверхность на основе метаматериала с электронной перестройкой полосы запирания//Проблемы СВЧ-элекгроники « МИЭМ НИУ ВШЭ - Инновационные решения» Keysight Technologies: тр. II Всероссийской научной конференции. Москва, 2015. С. 45-48.
Для цитирования:
Елизаров А.А., Назаров И.В., Кухаренко А.С. Исследование прямоугольного волновода с магнитной стенкой из грибовидного метаматериала // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 5. С. 50-56.
RECTANGULAR WAVEGUIDE WITH A MAGNETIC WALL OF THE MUSHROOM-SHAPED METAMATERIAL INVESTIGATION
Andrey A. Yelizarov,
Moscow, Russia, a.yelizarov@hse.ru
Igor V. Nazarov,
Moscow, Russia, inazarov@hse.ru
Alexander S. Kukharenko,
Moscow, Russia, alexk.05@mail.ru
Abstrae
The current stage of development a technology is associated with the use of different types of metamaterials - composite materials that do not exist in nature and characterized by negative values of permittivity and magnetic permeability, both separately (SNG - single negative) and simultaneously (DNG double negative). In the latter case, such an environment media new unusual properties, and its application allows you to control the laws of dispersion, refraction and reflection of electromagnetic waves in electrodynamic structures known. The anisotropic properties of a metamaterial have a different impact on the characteristics and parameters of systems depending on orientation relative to the incident wave. As well known, the reverse effect of wave propagation in a waveguide structure, which occurs when a longitudinal magnetic permeability-positive, and transverse magnetic permeability- negative. Thus at the resonant frequency of the unit cell of the metamaterial waveguide supports propagation of backward waves below the cutoff frequency of fundamental mode H10. In this case, the lowest frequency wave propagation in the waveguide and, consequently, the possibility of reducing its overall dimensions are determined by the possibility of creating a uniaxial metamaterial with negative magnetic permeability in a given frequency range.
The paper presents the results of computer simulation of electromagnetic wave propagation in a standard rectangular waveguide R32 type with the cross-section 72,14x34,04 mm, one of the wide walls of which are made in the form of the mushroom-shaped metamaterial magnetic wall. Using software Ansoft HFSS ver.13 the dependences of the field distribution during simulation of the fundamental mode H10, the characteristics of the complex reflection coefficient S11 of the frequency and the directional diagram from the end of the waveguide in the near zone are obtained. Keywords: rectangular waveguide; mushroom-shaped metamaterial; magnetic wall; dispersion.
References
1. Engheta N., Ziolkowsky R.W. Metamaterials - physics and
engineering exploration. Danvers, John Wiley & Sons Inc., 2006. 414 p.
2. Basharin A.A., Balabukha N.P., Semenenko V.N., Menshikh N.L., Petrin A. (Ed). Metamaterial waveguides and antennas, in "Wave propagation". InTech. 2011. Pp. 241-266.
3. Balabukha N.P., Basharin A.A., Semenenko V.N. The effect of backward radiation of electromagnetic waves from the waveguide structure of the metamaterial. JETP Letters. 2009. Vol. 89. No. 10. Pp. 593-598. (In Russian).
4. Hrabar S., Bartolic J., Sipus Z. Waveguide miniaturization using uniaxial negative permeability metamaterial. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2005. Vol. 53. No. 11. (In Russian).
5. Kukharenko S.A., Yelizarov A.A. Analysis of the physical features of metamaterials and frequency-selective microwave devices based on them. T-Comm. 2015. Vol. 9. No. 5. Pp. 36-41. (In Russian).
6. Kukharenko S.A., Yelizarov A.A. Methods for Extension of the Rejection Band of Microwave Devices on the Basis of Planar Modified Mushroom-Shaped Metamaterial. Journal of Communications Technology and Electronics. 2016. Vol. 61. No. 2. Pp. 204-210. (In Russian).
7. Patent RF 2571385 C1. Decoupling filter on metamaterial. Yelizarov A.A., Kukharenko S.A. Declared 29.08.2014. Published 20.12.2015. Bulletin No. 35 p. (In Russian).
8. Boyko S.N., Yelizarov A.A., Zakirova E.A., Kukharenko A.S. Aktual'nye problemy elektronnogo priborostroeniya APEP - 2014: materialy Mezhdunarodnoy nauchno-tekh-nicheskoy konferentsii [Proceedings APEDE-2014 confer-ense]. Saratov, 2014. Vol. 1. Pp. 218-225. (In Russian).
9. Yelizarov A.A., Kukharenko S.A. SVCh-tekhnika i tele-kommunikatsionnye tekhnologii (KryMiKo 2015): materialy 25-y Mezhdunarodnoy Krymskoy konferentsii [Crimean conference "Microwave and telecommunication technology (CriMiCo 2015)"]. Sevastopol, 2015. Vol. 1. Pp. 586-587. (In Russian).
10. Yelizarov A.A., Kukharenko S.A. Problemy SVCh-elektroniki MIEM NIU VShE - "Innovatsionnye resheniya" Keysight Technologies: trudy II Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii. [Proceedings II Russian scientific conference "Problems of Microwave Electronics" MIEM HSE -"Innovative solutions" Keysight Technologies]. Moscow, 2015. Pp. 45-48. (In Russian).
Information about authors:
Yelizarov A.A., Ph.D., professor, National Research
University "Higher School of Economics";
Nazarov I.V., Ph.D., associate professor, National Research
University "Higher School of Economics";
Kukharenko A.S., Ph.D., head researcher, Branch of "United
Rocket and Space Corporation" "Institute of Space Device
Engineering".
For citation:
Yelizarov A.A., Nazarov I.V., Kukharenko A.S. Rectangular waveguide with a magnetic wall of the mushroom-shaped metamaterial investigation. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 5. Pp. 50-56.
