CC BY
139
НАНОСЕКУНДНЫЕ ИМПУЛЬСЫ И МЕТАМАТЕРИАЛЫ
В СИСТЕМАХ СВЯЗИ
В радиолокационной технике применение наносекундных сигналов позволяет обеспечить высокое разрешение измерений и повысить скорость передачи данных. В общем случае на-носекундные сигналы обладают эффективной шириной спектра порядка нескольких гигагерц, что обуславливает качественно иную картину их распространения по сравнению с сигналами, обычно применяемыми в радиолокации. Исследуются взаимосвязи между характеристиками излучения и параметрами среды распространения при работе с наносекундными импульсами, а также актуальные вопросы, связанные с процессами их распространения через естественные (полупроводящие, плазменные) и искусственные среды (метаматериалы). Значительное внимание уделяется технологиям применения современных материалов (в том числе метаматериалов), обеспечивающих реализацию новых физических принципов при построении СВЧ устройств и антенн. Метаматериалы - это материалы с отрицательными электромагнитными параметрами, в том числе с отрицательным коэффициентом преломления, благодаря чему обладают рядом уникальных свойств, в частности, в антенной технике и радиолокации. Они представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными свойствами, сложно достижимыми технологически, либо не встречающимися в природе.
Все многообразие естественных и искусственных сред классифицируется в зависимости от эффективных значений их диэлектрической и магнитной проницаемостей. Последние несколько лет были богаты событиями в области развития концепций и решения проблем создания метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления, который обусловлен одновременно отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемо-стей. Дан обзор современных метаматериалов для мобильных применений. Рассмотрены антенны поверхностной волны на основе линии передачи из метаматериала, антенны с управляемой диаграммой направленности - АУДН, такое конструктивное направление развития миниантенн как использование оболочки из метаматериала, сужение диаграмм излучения электрически малых антенн. Метаматериалы открывают совершенно новые возможности в антенностроении. Изучение их свойств актуально и с точки зрения распространения наносекундных сигналов. Исследовано падение сигнала из вакуума на слой некоторой толщины. Осуществляется нахождение параметров, при которых достигается высокая степень отражения при сохранении формы сигнала. Реализован алгоритм обработки отраженного сигнала, позволяющий выявить закономерности между длительностью импульса и параметрами метаструктуры для минимизации искажений наносекундных импульсов.
Для цитирования:
Будагян И.Ф. Наносекундные импульсы и метаматериалы в системах связи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. -Том 9. - №8. - С. 68-74.
For citation:
Budagyan I.F. Nanosecond pulses and metamaterials in communication systems. T-Comm. 2015. Vol 9. No.8, pp. 68-74. (in Russian).
Будагян Ирина Фадеевна,
д.ф.-м.н., профессор, кафедра КПРЭС, Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики (МГТУ МИРЭА), Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова: наносекундные импульсы, метаматериалы и метаструктуры, системы связи, электрически малые антенны, анализ трансформации импульсов.
Т-Сотт Уо!.9. #8-2015
Т-Сотт Уо!.9. #8-2015
Анализ трансформации
наносекундных импульсов
Все это вызывает повышенный интерес к технологиям исследования волновых процессов в метаматериа-лах [1]. Методы спектрального анализа позволяют разработать эффективные алгоритмы для минимизации искажений наносекундных импульсов различной формы, установить закономерности между их длительностью и параметрами метаструктур [9]. Особенности при отражении импульсов от слоя мета-материала связаны с необходимостью учитывать знаки диэлектрической и магнитной проницаемостей при нахождении коэффициентов преломления и импедансов сред [10]. Изучаются следующие виды наносекундных импульсов: прямоугольный импульс, импульс в виде разности полиномов Лаггера, импульс гауссовой формы с меньшей и большей крутизной. Ниже приводятся результаты численных экспериментов в среде МаШСАР, проводимых на математических моделях с учетом реальной дисперсии при отражении наносекундных импульсов, и осуществлен анализ результатов.
1. Отражение от е-негативных метаматериалов: е(ю)= I-м;,/<о: ~ пазменных слоев полубесконечной и
конечной толщины без потерь, полубесконечных слоев композитного метаматериала с плазменной частотой @2р М-Зтк'¡{а1 Ьа/2яг) в виде набора тонких металлических проводников радиуса г с межпроводным расстоянием а, погруженных в поддерживающий диэлектрик (рис. 4). Изменение формы прямоугольного импульса, импульса в виде разности полиномов Лаггера и гауссова импульса с большей крутизной при отражении от слоя плазмы полубесконечной (пунктирная кривая) и конечной (сплошная кривая) толщины для различной нормированной толщины слоя Л/представлено в табл. 1,
Таблица 1
Динамика изменения отраженных импульсов от плазмы
Форма отражённого импульса зависит от произведения ЫТ=с!/с{Т- длительность импульса). С увеличением длительности импульса его частотный спектр сжимается и необходимо проводить корректировку плазменной частоты с целью получения импульсов близкой формы для разных длительностей импульсов. При уменьшении толщины слоя форма импульса начинает расплываться, а амплитуда уменьшается.
Варианты исследуемых размеров композитного метаматериала и соответствующие им плазменные частоты приведены в табл. 2.
Таблица 2
Варианты исследуемых метаструктур
Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
Расстояние между проводниками: а = 70 «10'3М а = 80 <10"э м <3= 100 - кг3 м
Радиус проводника: /-=60 ■10'3м г =75 -10"3 м /-=85 -10"3м
Значение плазменной частоты С)у= 8,2ГГц ыр=7,0 ГГц (йр= 5,8 ГГц
Таблица 3
Динамика изменения отраженных импульсов от метаслоя
В табл. 3 представлено изменение формы прямоугольного импульса, импульса в виде разности полиномов Лаггера и гауссова импульса при отражении от полубесконечного слоя композитного метаматериала для трех вариантов (представленных в табл. 2).
Наименьшие искажения формы показал при отражении импульс в виде разности полиномов Лаггера. Отражённые гауссовы импульсы теряют форму на конце при всех длительностях. Наилучшей картины добиваются путём подбора оптимального соотношения параметров: длительности импульса и плазменной частоты.
2. Отражение от р-негативных мета материалов:
ц((й) = 1-со;„„/ш: - полубесконечных слоев без потерь и
с потерями композитного метаматериала в виде двой-
резонатора с
-1
, включая конечные
нога
ЙГ [ Я
кольцевого
3/
+ 7-
I
без потерь (вверху), с потерями (внизу)
^_£_
1x10-9
1^(01
N=5 (вверху)+ N° 0,1 (внизу)
а
^гу
-1иЮ 0 1x10
в)
г=5мм (вверху), г=3мм (внизу)
а«
ш
Рассматривались падающие импульсы длительностью Т= 1нс. Представлены импульсы, отраженные от: а) полубесконечного слоя с г=2мм, /=0,05мм; б) метас-лоя с потерями конечной и полубесконечной (пунктирная кривая) толщины и в) метаслоя конечной толщины С потерями (/ =0,005мм) при изменении их размеров. При уменьшении параметра г наблюдается значительное уменьшение амплитуды для всех типов отраженных импульсов с учетом потерь, тогда как без потерь -изменений нет.
Проанализирована также динамика изменения формы отраженных импульсов при изменении нормированных размеров метаслоя, Уменьшение N вплоть до 0,01 приводит к снижению амплитуды на 80% у прямоугольного импульса для слоя конечной толщины с потерями и наибольшим искажениям. При изменении внутреннего радиуса г с 5 мм на 3 мм, происходит значительное уменьшение амплитуды отраженного импульса от слоя конечной толщины (приблизительно в три раза). Влияние параметра / на форму и амплитуду
отраженных импульсов прямоугольной формы, гауссовой формы с большей и меньшей крутизной показано на рис. 11.
слои метаматериала, и при изменении топологических параметров метаструктуры - внутреннего радиуса г меньшего из колец и зазора / между разрезными кольцами в поперечном сечении (рис. 8). Эффективная магнитная проницаемость Рэф приобретает отрицательное значение в интервале частот между резонансной щ0я = И плазменной = ^31с21(тгг"(\-пгг/а2))
частотами. Параметры ли/ выбираются так, чтобы обеспечивался наиболее широкий диапазон частот. В табл. 4 представлено изменение форм импульсов в виде разности полиномов Лаггера.
Таблица 4
Динамика изменения отраженных импульсов с учетом потерь
1ЗД
Л и
1x10*'
Рис. 11. Формы отраженных прямоугольного и гауссовых импульсов при уменьшении зазора /в 10 раз (пунктирная кривая)
3. Отражение от бинегативных метаматериалов
с диэлектрической с и магнитной р проницаемостями близкими к -1. Угол 0=0 характеризует угол полного преломления волны, когда отраженная волна отсутствует. Поэтому для моделирования выбираются достаточно большие углы падения.
Динамика изменения форм прямоугольного импульса, импульса в виде разности полиномов Лаггера и гауссова импульса меньшей крутизны (при падении под углом о = 75"), отраженных от слоя конечной толщины при изменении его толщины и длительности импульса представлена в табл. 5: а) N =0,1; 7"=10"е; б) N =5; 7"=0,510"9. Качественных различий при отражении импульсов разной длительности нет. Лучше других сохраняет форму при отражении импульс, представленный в виде разности полиномов Лаггера, и заметно хуже -прямоугольный сигнал, что можно объяснить различиями в спектрах импульсов.
Таблица 5
Изменение форм импульсов/ отраженных от бинегативного метаматериала
¡.«с
'шш
К.Ч
Характер отражения для различных поляризаций примерно одинаков, однако отраженные сигналы отличаются знаком, и амплитуда отраженного сигнала при горизонтальной поляризации больше. При 0 = 88° можно получить степень отражения вплоть до 0,8 по амплитуде. Форма отраженного импульса наиболее хорошо сохраняется, когда нормированная на скорость света толщина слоя б/с=ЫТсоставляет 2,5...5*10"9.
Проведенный анализ полученных результатов подтвердил эффективность алгоритма: выявлены закономерности между соотношением длительности импульса, плазменной частоты и размерами метаструктуры.
Литература
1. Бойко С.Н., Веселаго В.Г., Виноградов ЕЛ. и др. Малогабаритные антенны на основе метаматериалов (Практические аспекты) // Антенны, № 12, 2012. - С. 32-41,
2. Вендик И. В., Вендик О. Г. Мета материалы и их применение в технике сверхвысоких частот (Обзор) // Журнал технической физики, т.83, вып,1, 2013. - С. 3-28.
3. Слюсар В. Мета матер налы в антенной технике: история и основные принципы // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, №7, 2009. - С.70-79.
4. Будагян И.Ф., Ковальчук А.А., Чебышев В.В. Микропо-лосковая спиральная антенна в многослойной среде на основе диэлектрических и метаматериалов в режиме излучения наносекундных импульсов // Т-Сотгл - Телекоммуникации и транспорт, №10, 2012. - С.30-33.
5. Ziolkowski R.W. Metamaterial-Based Antennas: Research and Developments 11 IEICE TRANS. ELECTRON., V.E89.C, No. 9, 2006. - Pp. 1267-1275.
6. Слюсар В. Перспективные технологии антенных решеток мобильных терминалов спутниковой связи // ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА СВЯЗИ, №4, 2014. - С. 64-68.
7. Сарычев А.К., Шалаев В.М. Электродинамика метаматериалов / Пер. с англ. В.Г. Аракчеева, Ю.В. Владимировой. — М.; Научный мир, 2011. - 224 с.
8. Costas М. Soukoulis, Martin Wegener. Past achievements and future challenges in the development of three-dimensional photonic meta materials. Reviews // Nature Photonics, №5, 2011. - Pp. 523-530.
9. Будагян И.Ф., Илюшечкин M.H., Щучкин Г.Г. Анализ формы наносекундных сигналов. Излучение и распространение: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. -132 c.
10. Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Наноантенны, - М.: Радиотехника, 2010. - 96 с.
NANOSECOND PULSES AND METAMATERIALS IN COMMUNICATION SYSTEMS
Budagyan Irina Fadeevna, D.of Sci, the professor, department KPRES, Moscow State Institute of Radio Engineering, Electronics and Automation (MSTU MIREA), Moscow, Russia, [email protected]
Abstract
In radar technology the application of nanosecond signals allows for high resolution measurements and to increase the data rate. In the General case of nanosecond signals have an effective spectral width of the order of several gigahertzes, which leads to a qualitatively different picture of their distribution in comparison with the signals, commonly used in radar. The link between radiation characteristics and parameters of the propagation medium when working with nanosecond pulses, as well as topical issues related to the processes of their propagation through the natural (semiconducting, plasma) and artificial materials (metamaterials) are investigated. Considerable attention is given to the application of modern technologies of materials (including metamaterials), ensuring the implementation of new physical principles in the construction of microwave devices and antennas. Metamaterials are materials with negative electromagnetic parameters, including negative refractive index, whereby they have a number of unique properties, in particular, in antenna technology and radar. They are artificially created and structured in a special way medium having electromagnetic properties, it is difficult technologically achievable or not found in nature. The diversity of the natural and artificial environments classified depending on their effective values of permittivity and permeability. The last few years have been eventful in the development of concepts and problem solving to create metamaterials with negative refractive index, which is caused simultaneously negative values of permittivity and permeability. A review of modern metamaterials for mobile applications is produce. Antennas of surface wave based on the transmission line from the metamaterial, antenna with a controlled directivity - AUDN, such constructive towards the development of mini antennas as the use of shell made of metamaterial, narrowing the radiation pattern of electrically small antennas are considered. Metamaterials open up completely new possibilities in designing antennas. The study of their properties is important from the point of view of nanosecond signals propagation. The incidence of a signal from the vacuum on a layer of some thickness is studied. The parameter values that achieve a high level of reflection while maintaining the shape of the signal is finding. The algorithm for processing the reflected signal, allowing to identify patterns between pulse duration and parameters of metastructure to minimize distortion nanosecond pulses is implemented.
Keywords: nanosecond pulses, metamaterials and metastructures, communication systems, electrically small antennas, analysis of the impulses transformation.
References
1. Boiko S.N., Veselago, V.G., Vinogradov E.A., etc. Small antennas based on metamaterials (Practical aspects) / Antenna, 12, 2012. Pp.32-41.
2. Vendik I.B., Vendik O.G. Metamaterials and their application in the technique of ultra-high frequencies (Review) / Journal of applied physics, vol.83, issue.1, 2013. Pp.3-28.
3. Slyusar V. Metamaterials in antenna technology: history and basic principles / ELECTRONICS: Science, Technology, Business, No.7, 2009. Pp.70-79.
4. Budagyan I.F., Kovalchuk A.A., Chebyshev V.V. Microstrip spiral antenna in multilayer environment based on dielectric and metamaterials in the mode of a nanosecond pulses / T-Comm, No.10, 2012. Pp.30-33.
5. Ziolkowski R.W. Metamaterial-Based Antennas: Research and Developments / IEICE TRANS. ELECTRON., vol.E89-C, No.9, 2006. Pp.1267-1275.
6. Slyusar V. Promising technologies antenna arrays for mobile satellite terminals / TECHNOLOGY AND COMMUNICATIONS, No.4, 2014. Pp.64-68.
7. Sarychev A.K., Shalaev V.M. Electrodynamics of metamaterials / Transl. angl. V. G. Arakcheev, V. Vladimirova. Moscow: Scientific world, 2011. 224 p.
8. Costas M. Soukoulis, Martin Wegener. Past achievements and future challenges in the devel-opment of three-dimensional photonic metamaterials. Reviews / Nature Photonics, vol.5, 2011. Pp.523-530.
9. Budagyan I.F., Iliushechkin M.N. Schuchkin G.G. Analysis of the shape of nanosecond signals. Radiation and distribution: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. 132 p.
10. Panchenko B.A., Gizatullin M.H. Nanoantennas. Moscow. Radio Engineering, 2010. 96 p.
