CC BY
6
УДК 621.39
Передавання гармошчних сигнал1в через структуру i3 паралельних провщниюв
Вовчук Д. А.1, Робулець П. Ф.2
1Черн!вецький нацюнальний ушверситет ¡меш lOpin Федьковича 2Чершвецька фШя ПАТ "Укртелеком"
E-mail: dimavovchuk@gmail. com
Робота присвячена дослщженню структуры i3 паралельних провщншав (СПП) для пристроУв передавання гармошчних сигнал 1в. СПП е одним i3 клаглв метаматер1ал1в, що характеризуеться вщ'емним значениям д1електрично1 проникность ПристроУ, в основу яких входять провщников1 метаструктури, знаходять свое застосування при передаванш зображеиь, eHepri'i сигнал1в, зондуванш тощо. В робот1 проведено анал1з можливоста функцюнування СПП у широкому д1апазош частот, що дозволяе по-кращити ироцес передавання електромагштних (ЕМ) хвиль м1ж двома хвилевщними портами, що розмнцет один навпроти одного i3 повиряиим пром1жком м1ж ix апертурами, заповнеиим СПП. Р1виом1рний розподш функгщ передавання у широкому д1апазош частот дозволяе вивчати можлившть передавання гармошчних сигттал1в. де ком1рки (область М1ж чотнрма сусщшми провщниками) можуть розглядатпсь як окрем1 шксел1 зображення. Дослщження розподшу електричного поля показали, що мшмальний перюд розмицения дипол1в на передавальтй сторот повинен становптп 2а вздовж oci х та 3а вздовж oci у для того, щоб гармотчт спгналп кожного з них можна було ч1тко розтзнати на приймальнш сторот. Вивчення спектральних характеристик сигнал in. отриманих на приймальнш сторот, показало, що частка eHepri'i, яка фшсуеться розмиценими у сусщтх KOMipKax i3 кроком 2а та 3а диполями е на порядок меншими, тж частка eHepri'i, що фшсуеться диполем необхщно1 KOMipKH. Частка eHepri'i гармошчних cигнaлiв, отриманих розмщеними по дiaгoнaлi диполями на приймальнш сторот, е на дeкiлькa порядив меншою. Таким чином, встановлено, що крок розмщення днпольнпх BnnpoMiHroBaniB на приймальнш та передавальтй сторот повинен становити не менше, тж 2а. Результата даноУ роботи можуть стати корисними у подалыних дослщженнях систем передавання зображень, ендоскотУ, зондування з використанням провщникових метаструктур.
Ключовг слова: мeтaмaтepiaли; структура i3 паралельних провщншав; передавання зображень; розподш електричного поля; спектральнпй aнaлiз
DOI: 10.20535/RADAP.2018.75.9-15
Вступ
Метаматер1али е одним 1з найбшып перспектив-них вщцв штучних матер1ал1в, що забезпечуються IX незвичайними та ушкальними властивостями. Щ властивосп визначаються вщ'емними значениями д1електрично1 та/або магштно1 проникностей [1,2]. Таке явище е можливим через забезпечення необхь дних параметр1в складових елементав матер1алу чи структури. Матер1али, що волод1ють такими характеристиками, можуть знайти широкий спектр за-стосувань, таких як модифжацп антен, передавання зображень та ЕМ енергп, поглинач1, рефлектори та багато шших [3-6].
Одним [з клаав метаматер1ал1в е провщнико-в1 метаматер1али, що представляють собою дво- та трирозм1рний масив металевих провщнишв, розмь щених у д1електричнш матрищ [1,7]. Одним 1з вщцв провщникових метаматер1ал1в е СПП, загальний ви-гляд яко! приведений на рис. 1.
Рис. 1. Метаструктура, що складаеться i3 паралельних металевих провщнишв довжиною L та д1аме-тром 2r, i3 перюдом ix розташування а.
Структура складаеться i3 провщнишв довжиною L та д1аметром 2г, вщстань м1ж якими стано-вить а. Для спрощення модел1 у якост1 д1електрика може використовуватись вакуум. Така структура е е-негативним метаматер1алом при умов1 а << А,
де А - довжина хвшп, що вщповщае резонанснш частот! (частот! резонансу ФабрьПеро).
; |
Рис. 2. Експериментальний зразок СПП, що скла-даеться 1з масиву 27 на 13 мщних провщнишв Ь = 100 мм, г = 0,75 мм та а = 6 мм.
1 Широкосмугове передавання енерт ЕМ хвиль через СПП
Перш за все, СПП е широковщом1 як суперлшзи для передавання зображень чи випромшювання ЕМ хвиль [8]. Проте, 1х використання е дощльним тшь-ки на частотах резонанав ФабрьПеро, що значно обмежуе спектр застосувань структури. Проте, не-щодавно була доведена можлившть широкосмугово-го передавання енергп ЕМ хвиль [9,10]. Гол овна щея полягала в тому, що джерело сигнал1в безконтактно розмщувалось всередиш структури м1ж сусщшми провщниками або щонайменше на однш площиш 1з шнцями провщнишв (на площиш штерфейсу СПП) [9]. Це дозволяло забезпечити ближньо- польову взаемодпо м1ж джерелом сигнал1в та провщниками структури, затухания можливих резонанав та вщповщне розширення смуги робочих частот. Для того, щоб реал1зувати таку концепщю, було розро-блено модель, що складалася 1з двох хвилевод1в, яи виконували роль джерела та приймально1 сто-рони, 1з П0в1тряним пр0м1жк0м ДОВЖИНОЮ I м1ж IX апертурами, а також сконструйовано СПП, параме-три яко1 становили Ь = ЮОмм, г = 0,75 мм та а = б мм (рис. 2). Розм1ри СПП вщповщали розмь рам апертури хвилевод1в, а п довжина становила Ь = а+1. СПП розм1щувалась м1ж двома хвилевода-ми та вмонтовувалась у кожен 1з порт1в на глибину а/2 (рис. ).
Результати, що були отримаш у роботах [9,10], доводять широкосмуговий ефект покращення передавання енергп ЕМ хвиль у 2,5-3 рази вщ в середньому -4, 3 дБ до -0.25 дБ у частотному дь апазош вщ 1 до 2 ГГц. В загальному, у робота [ ] показано, що покращення проявляеться у д1апазо-т значно ширшому, шж на приведених граф1ках, проте у данш робот1 зосередимось на результатах,
12
оскшьки в1н вщповщае одномодовому режиму ро-боти використовуваних хвилевод1в.
(б)
Рис. 3. Модель (а) та експериментальна установка (б) системи, що складаеться 1з двох прямокутних металевих хвилевод1в розм1рами апертури 164 на 82 мм. Хвилеводи розмщеш один навпроти одного на вщсташ I = 90 мм. СПП вмонтована у кожен 1з хвилевод1в на глибину а/2
2 Анал1з розподшу електри-чного поля
Дослщження у [11] показали, що сигнали, яи проходять через СПП, не шдцаються нел1н1йним спотворенням. Якщо джерелом сигнал1в та 1х при-ймачем е хвилевщш порти, то поперечне електри-чне поле р1вном1рно розподшене по вс1й поперечн1й площин1 структури. В такому випадку можливе передавання сигнал1в, генерованих тшьки одним джерелом. Проте, використовуючи, наприклад, си-метричний диполь як джерело сигнал1в та розмь стивши його м1ж чотирма сусщшми провщниками, електричне поле буде сконцентроване в основному м1ж провщниками та частково в IX окол1 [12]. Дослщження розпод1лу електричного поля за умови випромшювання диполем дасть можлившть використання тако1 структури для передавання зображень, де кожен шксель може задаватись ЕМ хвилею 1з тим самим чи р1зним значениями частот; або для вир1шення задач телекомушкацш при передаванш одночасно дешлькох сигнал1в через один 1 той же напрямний пристрш.
Для дослщження впливу взаемного розмще-ння дипол1в на розпод1ли електричних пол1в на
(а)
(б)
Рис. 4. СБТ модель для дослщження роздшьно!' здатност! передавання сигнал1в, що показуе розм1ще-ння дипольних випромшювач!в !з кроком 2а ! 3а (а), кольорова мапа розподшу електричного поля на приймальнш сторош (б) та розподш електричного поля Е(х) при у = 0 1 Е(у) при х = 0 (в)
приимальнш сторон1, у середовинц моделювання СЗТв^МовиИе було спроектовано модель мета-структури, що складаеться !з 10 на 10 металевих провщниюв довжиною 100 мм та !'х перюдом розта-10
однш площиш!з юнцями провщниюв передавально!' сторони !з перюдом 2а та 3а так, як показано на рис. 4а. Таке розм1щення дипол1в дозволяе ощнити вплив пол1в сусщн1х дипол1в, що вщображаються за допомогою кольорово!' мапп рис. 46, а також рис. 4в, де показано розподш електричного поля вздовж осей координат х та у ^и у = 0 (синя штрих-пунктирна крива) та ж = 0 (червона суцшьна крива), вщповщно. Якщо взаемод1я м1ж сигналами, що вииром1нюються сусщн1ми джерелами, не е важливою, тод1 пер1од розташування дипол1в як у ирав1й верхнш чверт1 штерфейсу СПП (рис. 4а) е допустимим.
Проте, для чпжого розмежування максимум1в розподшу електричного поля, необхщно забезпечи-ти розташування дипол1в 1з пер1одом 3а вздовж двох напрямюв х та у, як приведено на рис. а. Незважаючи на те, що залежшсть Е(х) при у = 0 на рис. 4в мае виражеш максиму ми, але р1зни-ця м1ж максимумами та м1н1мумами може бути недостатньою. Розподш електричного поля Е, що приведений у вигляд1 кольорово!' мапи на рис. 56, та залежност1 Е(х) при у = 01 Е(у) при х = 0
рис. 5в демонструють ч1тке розр1знення кожного 1з сигнал1в, що передаються.
На рис. 6 приведен! розподши електричних иол!в при розташуванш дппол!в !з кроком 2а вздовж ос! х (при у = 0) згщно модел! приведено!' на рис. а, та !з кроком 3а вздовж ос! у (при х = 0) - згщно модел! приведено!' на рис. 5а. Розподши явно показують, що передавання е ефективним нав1ть якщо довжи-на структури не е сшв-кратною довжиш шв-хвшп ЕМ сигналу, що головним чином е шдтвердженням результапв у [10]. Рис. ба показуе, що дипольш випромшювач! можуть бути розм!щеш !з кроком 2а, оскшьки основна частина енергп ЕМ сигнал!в кожного диполя зосереджена м1ж сусщн!мп провщ-никами СПП.
3 Спектральный анал1з сигна-л1в
Для дослщження можливост! передавання си-гнал!в р!зно!' частоти одночасно через СПП, на приймальнш сторон! на однш площпн! !з задшм !н-терфейсом СПП розм!щено чотирнадцять дппол!в у такому ж порядку як ! у модел!, приведено!' на рис. 4а. На передавальнш сторон! на однш площи-ш !з передн!м !нтерфейсом СПП з координатами (х,у) = (0,0) розм!щено один передавальний диполь. У процес! моделювання для живлення дне-
(а)
(б)
Рис. 5. СБТ модель для дослщження роздшьно!' здатност! передавання сигнал1в, що иоказуе розм1щення дипольних вииромшювач1в 1з кроком 3а вздовж двох координат вхщного штерфейсу СПП (а), кольорова мапа розподшу електричного поля на приймальнш сторош (б) та розподш електричного поля Е(х) при
у = ^ Е(у) при х = 0 (в)
Рис. 6. Розподш електричного поля 1з кроком розташованих дипольних випромшювач1в 2а у илощиш хх
при у = 0 (а) та з кроком 3а у площиш у г при х = 0 (б)
(д)
Рис. 7. Споктральш характеристики! потужностей сигнатв, прийнятих диполями приймаючо! сторони, розмпценими навпроти диполя, що випромшюе - центральний диполь (a), i3 кроком 2а вздовж oci х (б) i у (в), i3 кроком 3а вздовж oci у (г), а також то даагонал1 i3 кроком 2а (д) та 3а (е)
кретного порту диполя, що вииромпиое, використо-вувався гармошчний сигнал i3 задаиим значениям
2
ймалыий CToponi один i3 дишгмпв розмщувався боз-посередньо навпроти диполя передавально! сторони (центральний диполь), а решта приймалышх диио-л1в розмщеш на вщетанях 2а та 3а вздовж двох осей координат XI у та по fliaronani.
Шляхом комп'ютериого моделювання було нооб-х1дно переконатись чи дшено структура не вносить нелшшних спотворень шд час передавання через не! гармошчного коливання в1д диполя породавальнсм сторони до розташованого навпроти диполя при-ймалыго! сторони. а також визначити задовшышй перюд розташування дипатв та взаемний вплив на процесн прнймання гармошчних сигнатв суадшх дипсипв.
Як зазначалось вище. моделювання проводились у CST Studio Suite. Отримаш результати ixinop-тувались у середовище MatLab & Simulink, де за допомогою в1дпов1дно1 модел1 проводився анатз сиектр1в потужностей сигнатв, прийнятих диполями приймалыго1 сторони. На рис. 7а приведен! результати спектрального анатзу прпйнятого гармошчного сигналу централышм диполем прийма-ючо1 сторони. Видно, що гармошчний сигнал передаться без спотворень, оскшьки сиостершаеться тшьки одна спектральна складова, та може бути ч1тко детектований на ириймалыий CToponi за до-
помогою вщповщного диполя. При цьому дииолыи ириймач1, що розмщеш на вщетанях 2а вздовж осей координат х та у ввд приймаючого центрального диполя, також отримують певну частку онери! (рис. 76, в). Проте, ця частка набагато менша, в пор1внянш 1з часткою онери!, що приймасться централышм диполем, та може бути зиехтуваиа. Тому, в щлому можиа твердити, що розташування дипсипв 1з кроком 2а е цшком задовшьнпм.
Для повиси картини також проанатзовано си-гналп, отримаш диполями приймаючея сторони, що розташоваш на ввдеташ 3а то ос1 х вщ центрального приймаючого диполя (рис. 7г), а також дипемпв, розташованих по доагонат вщ центрального приймаючого диполя на ввдеташ 2а та 3а (рис. д, е). Споктральш характеристики показують, що частка онери!, що прийнята цнмн диполями, с позначною та може бути зиехтуваиа.
Висновки
У робот показано можлившть шкеелыгого передавання сигнатв, а само по паралелышх кохйрках СПП, що базусться на ефекта широкосмугового передавання онери! ЕМ сигнатв, впершо приведеного в робот [9]. СПП дозволяс покращити процес передавання ЕМ сигнатв у широкому д1апазош частот, якщо джероло сигнатв розмщене безконтактно хйж будь-якими чотирьома суадшми ировщниками
безиоссредньо у структур! або щонайменше на одшй плопщш i3 штерфейсом СПП. У такому випадку можна зробити припущення. що сигнали pi3iio'i частоты можуть передаватись. використовуючи одну i ту ж СПП.
Дослщження розподшв електричних патв по-казуе. що дишмп варто розташовувати i3 иерюдом 2а у випадку колшеарного розташування дииол1в mdk собою та 3а - якщо дииол1 розмпцеш иаралель-но. Такс розмщення дипсипв дае можливкть розш-знавання кожного i3 шксел1в зображення. Зменше-ння перюду унеможливлюе розшзнавання сигнатв
СуС1ДШХ KOMipOK.
Спектралышй анатз при передаванш гармош-чного синусо1далыюго сигналу показав, що розмь щення дипол1в навиь i3 кроком 2a е задовшьним, оскшьки у спектрах прийнятих сигнатв спостсрь гаеться тшьки одна достатньо виражена складова. Частка cueprii. яку складають гармошки спектру сутадшх дишмпв приймаючо! сторони. е на порядок мошною.
Таким чином. СПП можо знайти свое застосу-вання при иородавання зображень i3 роздшьною здатшетю, що становить 2а. Зпдно i3 тим, що СПП можо функщонувати у широкому доапазош частот, при вщповщному розмщеш джерол випромпиова-ння ЕМ хвиль. уможливлюеться передавання гармошчних сигнатв i3 р1зними значениями частот по паралельних кохйрках. Отримаш в статта резуль-тати розширюють спектр можливих застосувань СПП. не тшьки шд час перодання зображень. a i для розвитку телекомушкацшних провщннх систем.
References
[1] Capolino F. ("2009) Theory and Phenomena of Met.amat.eri-als. DOl: 10.1201/9781420054262
[2] Sihvola Л. (2007) Motamatorials in electromagnetics. Met.amat.eri.als, Vol. 1, Iss. 1, pp. 2-11. DOl: 10.1016/j.metmat.2007.02.003
[3] Ziolkowski R.W. and Erontok Л. (2006) Metamaterial-basod officiont electrically small antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 54, Iss. 7, pp. 2113-2130. DOl: 10.1109/tap.2006.877179
[4] Chen H„ Padilla W..J., Zide .I.M.O., Gossard Л.С., Taylor Л..1. and Averitt R.D. (2006) Active terahertz metamaterial devices. Nature, Vol. 444, Iss. 7119, pp. 597-600. DOl: 10.1038/nature05343
[5] Wu В., Wang W., Pacheco .1., Chen X., Grzegorczyk T.M. and Kong .I.A. (2005) A Study of Using Motamatorials as Antenna Substrate to Enhance Gain. Progress In Electromagnetics Research, Vol. 51, pp. 295-328. DOl: 10.2528/pier04070701
[6] Zheludev N.l. and Kivshar Y.S. (2012) From motamatorials to metadevices. Nature Materials, Vol. 11, Iss. 11, pp. 917-924. DOl: 10.1038/nmat3431
[7] Belov P., Tretyakov S. and Viitanen A. (2002) Dispersion and Reflection Properties of Artificial Media Formed By Regular Lattices of Ideally Conducting Wires. .Journal of
Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 16, Iss. 8, pp. 1153-1170. DOl: 10.1163/156939302x00688
[8] Simovski C.R., Belov P.A., Atrashchenko A.V. and Kivshar Y.S. (2012) Wire Motamatorials: Physics and Applications. Advanced, Materials, Vol. 24, Iss. 31, pp. 4229-4248. DOl: 10.100'2/adma.'201200931
[9] Vovchuk D., Kosulnikov S., Nefedov I.S., Tretyakov S.A. and Simovski C. (2015) Multi-Mode Broadband Power Transfer Through a Wire Medium Slab (Invited Paper). Progress In Electromagnetics Research, Vol. 154, pp. 171180. DOl: 10.2528/pierl5111908
[10] Kosulnikov S., Vovchuk D., Nefedov 1., Tretyakov S. and Simovski C. (2016) Broadband power transfer through a metallic wire medium slab. 2016 URS1 International Symposium on Electromagnetic Theory (EM'l'S), pp. 596599. DOl: 10.1109/ursi-emts.2016.7571463
[11] Vovchuk D., Haliuk S. and Politanskyy L. (2018) Distortionless Signals Transfer Through a Wire Media Metastructure. Informatics Control Measurement, in Economy and Environment Protection, Vol. 8, Iss. 1, pp. 44-47. DOl: 10.5604/01.3001.0010.8646
[12] Markov A. and Skorobogatiy M. (2013) Two-wire terahertz fibers with porous dielectric support. Optics Express, Vol. 21, Iss. 10, pp. 12728. DOl: 10.1364/oe.21.012728
Передача гармонических сигналов через среду из параллельных проводников
Вовчук Д. А., Робулец П. Ф.
В работе исследуется среда из параллельных проводников с целыо использования для устройств передачи сигналов. К таким техническим устройствам относятся средства передачи изображений, епергии сигналов или сами сигналы и другие. В дашгой работе была подтверждена возможность широкополосной передачи епергии затухающих электромагпитпих волн. а уровень улучшения в диапазоне частот от 1 до 2 ГГц в среднем составил 2.5-3 раза. Также изучена возможность пиксельной передачи сигналов и показано, что это позволяет использование таких структур в дальнейшем как многоканальной системы телекоммуникаций. Исследована форма распространяющейся волны путем спектрального анализа и показано, что среда из проводников по вносит никаких нелинейных искажений. Показано, что использование дашюй среды может обеспечить связь между портами взаимодействия. Так же спектральный анализ дал возможность оцепить необходимый период расположения диполей па обеих интерфейсах среды для возможности распознавания сигналов па приемной стороне.
Ключевые слова: метаматериалы: среда из параллельных проводов: передача изображений: распределение электрического поля: спектральный анализ
Transmission of Harmonic Signals Through a Wire Media
Vovchuk D. A., Robulets P. F.
This paper is devoted to wire media (WM) investigation for signal transfer devices. Such devices are promising for different applications as imaging, power or signal transfer, sensing etc. However, first WMs could be used as a resonance structures, because the transfer of electromagnetic (EM) waves was possible only at the Fabry-Perot frequencies. It restricts the number of applications. However, the last works has shown the possibility of the broadband power transfer of evanescent electromagnetic waves. It allows using the same source of EM waves and their receiver to transfer the signals with different values of operation frequencies. Another investigation has proved that the WM does not distort the propagation wave. It allowed to suppose the possibility of pixel signal transfer that was studied in the paper and shown the ability of application of the such structures as the multichannel communi-
cation systems. With this aim the signals sources were allocated at the same plane with the input WM interface. First of all, the simulation investigations of the electric feld distributions of transferred harmonic signals through the WM have shown the needed period of dipoles allocations for the satisfactory resolution of received harmonic signals. One more conclusion from obtained results is the approvement that in this case the WM is not the resonance structure, but the same one operates with the signals of different frequencies. More detailed results and understanding of this were obtained from the spectrum analysis of the signals received at the output interface. It shown that the period of sources 2a is acceptable along x, y and diagonal directions. The spectrum analysis of the shape of the propagation wave also demonstrated and proven that the propagating signals do not suffer any nonlinear distortions. In the case of using of WM slab it can provide the excellent coupling between the interaction ports.
Key words: metamaterials; wire media; imaging; electrical feld distribution; spectral analysis
