CC BY
28
УДК 621.372 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.2(118).40-42
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТАСТРУКТУРЫ С ФЕРРИТОВЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
В.Н.Лобекин, А.С.Татаренко, М.И.Бичурин COMPUTER MODELING OF METAMATERIALS WITH FERRITE ELEMENT
V.N.Lobekin, A.S.Tatarenko, M.I.Bichurin
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, slavalobekin@gmail.com
Проведено моделирование структуры метаматериалов на основе управляемого сплит-кольцевого резонатора. Моделируемое устройство состоит из сплит-кольцевого резонатора (SRR), фундаментального строительного блока для метаматериалов, из микрополосковой линии передачи, и ферритового элемента на основе железо-иттриевого граната (ЖИГ) в форме диска и сферы. Управление параметрами устройства осуществляется постоянным магнитным полем, прикладываемым к ферритовому элементу. Полученные расчетные амплитудно-частотные характеристики рассматриваемой модели показывают, что включение ферритового элемента ЖИГ позволяет осуществить электронную перестройку резонансных характеристик с помощью магнитного поля, что позволяет проектировать новые управляемые устройства СВЧ-диапазона. Максимальный сдвиг резонансной характеристики по частоте составил 3,5 ГГц при H0=1250 Э для ферритового элемента в форме диска с подмагничивающим полем в плоскости диска.
Ключевые слова: метаматериалы, сплит-кольцевой резонатор, железо-иттриевый гранат
In the work, the structure of metamaterials was simulated based on a controlled split-ring resonator. The simulated device consists of a split ring resonator (SRR), a fundamental building block for metamaterials, a microstrip transmission line, and a ferrite element based on yttrium iron garnet (YIG) in the form of a disk and a sphere. The device parameters are controlled by a constant magnetic field applied to the ferrite element. The calculated amplitude and frequency characteristics of the model under consideration show that the inclusion of a YIG ferrite element allows electronic tuning of the resonance characteristics using a magnetic field, which allows the design of new controlled microwave devices. The maximum frequency shift of the resonance characteristic was 3.5 GHz at H0 = 1250 Oe for a disk-shaped ferrite element with a magnetizing field in the plane of the disk. Keywords: metamaterials, split-ring resonator, yttrium iron garnet
Введение
Изучению метаматериалов, относящихся к искусственным материалам, посвящено много работ. Метаматериалы обладают уникальными и необычными свойствами, которых нет в природе, такими как отрицательная диэлектрическая проницаемость (е<0) и отрицательная магнитная проницаемость (ц<0) [1-4]. Основой конструкции метаматериалов являются субволновые резонаторы различных форм: п-форма, S-форма, и-форма, сплит-Н-форма и др. Сплит-кольцевые резонаторы (SRRs) являются фундаментальными строительными блоками для метаматериалов, которые могут обеспечивать требуемые значения магнитной и диэлектрической проницаемости. SRR обычно состоит из одного или двух концентрических субволновых металлических колец с узким зазором. Подобные структуры широко используются для измерения диэлектрических характеристик материалов [5-7]. В ответ на электромагнитное возбуждение SRR с ферритовым элементом проявляет сильный магнитный резонанс, частота которого определяется размерами, геометрией и свойствами составляющих резонатор материалов. В ранних работах пассивная часть СВЧ-устройств была выполнена на основе полосковых линий передачи (микрополосковых, копланарных, щелевых) [8]. В данной статье предлагается вместо пассивной структуры использовать метаст-руктуру на основе сплит-кольцевого резонатора с включением ферритового элемента ЖИГ в форме сферы или диска для электронной перестройки с помощью магнитного поля. Приложение постоянного магнитного поля
H0 позволяет управлять резонансными параметрами данной структуры.
Конструкция метаструктуры
Для моделирования выбрана структура метаматериалов на основе сплит-кольцевого резонатора c ферритовым элементом ЖИГ, представленная на рис.1. Конструкция выполнена на подложке керамического ламината Duroid 6010.2LM размерами 30*24 мм и толщиной 1,90 мм, с относительной диэлектрической проницаемостью 10,2 и тангенсом угла диэлектрических потерь 0,0023. Микрополосковая линия передачи является элементом возбуждения с волновым сопротивлением 50 Ом, сплит-кольцевой резонатор и заземление выполнено из меди с толщиной металлизации 0,035 мм. Размеры сплит-кольцевого резонатора также представлены на рис.1. На эквивалентной схеме изображен последовательный RLC-резонансный контур, где в зазоре SRR образуется емкость Cs, а контур SRR соответствует индуктивности Ls.
Компьютерное моделирование метаструктуры
Компьютерное моделирование метаматериалов проводилось в программе HFSS Ansoft —инструмент для трехмерного моделирования ВЧ/СВЧ электромагнитных полей. HFSS использует для решения уравнений электродинамики метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM), включающий адаптивное генерирование и деление ячеек. HFSS предоставляет возможности моделирования антенн, делителей мощности, схем коммутации, волноводных эле-
О-
м ( ц„
с
а) б)
Рис.1. Структура метаматериалов на основе сплит-кольцевого резонатора: а) конструкция метаструктуры на основе сплит-кольцевого резонатора с ферритовым элементом ЖИГ: а = 7 мм, Ь = 7,5 мм, w = 1,7 мм, с = 0,65 мм, д = 0,15 мм; б) эквивалентная электрическая схема
ментов, фильтров СВЧ и трехмерных неоднородно-стей, описание которых сводится к созданию чертежа структуры, точному заданию материала, идентификации портов и требуемых характеристик.
Рис.2. Стадии работы в ANSYS HFSS
Алгоритм работы программы состоит из
следующих этапов: начало — тип решения задачи — создание модели, включая настройку граничных условий и источника возбуждения — настройка решателя — цикл решателя — представление результатов (2D/3D графика, поля) — конец. ANSYS имеет возмож-
ность: извлекать матричные параметры структуры СВЧ Y-, 2-матрицы); рассчитывать коэффициент стоячей волны (КСВ); получить параметры излучения и рассеяния (диаграммы направленности, коэффициенты направленности, реализованное усиление антенны, ЭПР и т.д.); отображать в 3D распределение токов, векторов плотности потока мощности, распределения электромагнитного поля (в ближней и дальней зонах).
мз
4
т
т
а - 821 метаструктуры Ь - Эг! ЖИГ, 500 Э с - 821 ЖИГ, 750 Э с1- 821 ЖИГ, 1000 Э е - 521 ЖИГ, 1250 Э
3,5 4,0
Б, ГГц
4,5
5,0
5,5
В результате моделирования получены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) метаструктуры с включением ферритового элемента ЖИГ в форме диска, представленные на рис.3 и в форме сферы, представленные на рис.4.
Анализ полученного результата моделирования, представленный на рис.3, показал, что с включением ферритового элемента ЖИГ в форме диска можно осуществить перестройку резонансных характеристик при приложении постоянного магнитного поля И0. Для диска ЖИГ, диаметром D = 0,6 мм, толщиной 5 = 0,2 мм, сдвиг резонансной характеристики по частоте составил 3,5 ГГц при И0=1250 Э. Подмагничивающее поле находилось в плоскости диска.
Рис.3. Амплитудно-частотная характеристика моделируемой метаструктуры, диск ЖИГ, D = 0,6 мм, Э = 0,2 мм
Рис.4. Амплитудно-частотная характеристика моделируемой метаструктуры, сфера ЖИГ, D = 2 мм
Полученный результат моделирования для сферы ЖИГ диаметром 2 мм, представленный на рис.4, показывает, что при включении намагниченного ферритового элемента ЖИГ в структуру сплит-кольцевого резонатора осуществляется электронная перестройка резонансной характеристики самой метаструктуры. При величине магнитного поля И0=1250 Э сдвиг резонанской кривой составил 30 МГц относительно структуры без элемента ЖИГ.
Заключение
В статье рассмотрена метаструктура на основе управляемого сплит-кольцевого резонатора. Разработана 3D-модель структуры в программе ANSYS HFSS, проведено компьютерное моделирование, в результате которого получены амплитудно-частотные характеристики структуры с включенным феррито-вым элементом, к которому прикладывалось постоянное магнитное поле Щ. Полученные результаты показывают, что применение метаструктур на основе сплит-кольцевого резонатора в качестве пассивной части СВЧ-устройств вместо полосковых элементов позволяет проектировать новые управляемые устройства с использованием ферритовых элементов.
Статья подготовлена по итогам исследования, проведенного в рамках выполнения научного проекта РФФИ №19-07-00391.
1. Withayachumnankul W., Fumeaux C., Abbott D. Compact electric-LC resonators for metamaterials // Optics Express. 2010. Vol.18. Issue 25. P.25912-25921.
2. Sunbeam Islam S., Iqbal Faruque M.R. and Tariqul Islam M. A new direct retrieval method of refractive index for the metamaterial // Current Science. 2015. Vol.109. P.337-342.
3. Ebrahimi A., Withayachumnankul W., Al-Sarawi S., Derek Abbott. High-Sensitivity Metamaterial-inspired Sensor for Microfluidic Dielectric Characterization // IEEE Sensors Journal. 2014. Vol.14. Issue 5. P.1345-1351.
4. Sunbeam Islam S., Rashed Iqbal Faruque M., and Tariqul Islam M. A new wideband negative-refractive-index metamaterial // Materiali in tehnologije/Materials and technology. 2016. Vol.50. №6. P.873-877.
5. Sunbeam Islam S., Iqbal Faruque M.R., Tariqul Islam M., et al. New NRI Metamaterial for Multi-band Operation // Journal of Telecommunication, Electronic and Computer Engineering. 2016. Vol.8. №3. P.171-173.
6. Withayachumnankul W., Jaruwongrungsee K., Fumeaux C., Abbott D. Metamaterial-inspired multichannel thin-film sensor // IEEE Sensors Journal. 2012. V.12. Issue 5. P.1455-1458.
7. Withayachumnankul W., Jaruwongrungsee K., Tuantranontc A., Fumeaux C.and Abbott D. Metamaterial-based microflu-idic sensor for dielectric characterization // Sensors and Actuators А. 2013. Vol.189. P.233-237.
8. Лобекин В.Н., Снисаренко Д.В., Татаренко А.С. Компьютерное моделирование магнитоэлектрического СВЧ вентиля на копланарной линии передачи // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2018. №4 (110). С.39-42.
References
1. Withayachumnankul W., Fumeaux C., Abbott D. Compact electric-LC resonators for metamaterials. Optics Express, 2010, vol.18, iss. 25, pp.25912-25921.
2. Sunbeam Islam S., Iqbal Faruque M.R. and Tariqul Islam M. A new direct retrieval method of refractive index for the metamaterial. Current Science, 2015, vol.109, pp.337-342.
3. Ebrahimi A., Withayachumnankul W., Al-Sarawi S., Derek Abbott. High-Sensitivity Metamaterial-inspired Sensor for Microfluidic Dielectric Characterization. IEEE Sensors Journal, 2014, vol.14, iss. 5, pp.1345-1351.
4. Sunbeam Islam S., Rashed Iqbal Faruque M., and Tariqul Islam M. A new wideband negative-refractive-index metamaterial. Materials and technology, 2016, vol.50, no.6, p.873-877.
5. Sunbeam Islam S., Iqbal Faruque M.R., Tariqul Islam M., et al. New NRI Metamaterial for Multi-band Operation. Journal of Telecommunication, Electronic and Computer Engineering, 2016, vol.8, no.3, pp.171-173.
6. Withayachumnankul W., Jaruwongrungsee K., Fumeaux C., Abbott D. Metamaterial-inspired multichannel thin-film sensor. IEEE Sensors Journal, 2012, vol.12, iss.5, pp.1455-1458.
7. Withayachumnankul W., Jaruwongrungsee K., Tuantranontc A., Fumeaux C.and Abbott D. Metamaterial-based microflu-idic sensor for dielectric characterization. Sensors and Actuators А. 2013. Vol.189. P.233-237.
8. Lobekin V.N., Snisarenko D.V., Tatarenko A.S. Komp'yuter-noe modelirovanie magnitoelektricheskogo SVCh ventilya na koplanarnoy linii peredachi [Computer modeling of a magne-toelectric microwave isolator based on a coplanar transmission line]. Vestnik NovGU. Ser.: Tekhn. Nauki, 2018, no.4 (110), pp.39-42.
