RU170145U1 - Чувствительный элемент на метаматериале - Google Patents
Чувствительный элемент на метаматериале Download PDFInfo
- Publication number
- RU170145U1 RU170145U1 RU2016122952U RU2016122952U RU170145U1 RU 170145 U1 RU170145 U1 RU 170145U1 RU 2016122952 U RU2016122952 U RU 2016122952U RU 2016122952 U RU2016122952 U RU 2016122952U RU 170145 U1 RU170145 U1 RU 170145U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metamaterial
- layer
- dielectric
- sensitive element
- screen
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
- G01R1/20—Modifications of basic electric elements for use in electric measuring instruments; Structural combinations of such elements with such instruments
Abstract
Использование: для микроволнового измерения физических величин и контроля параметров технологических процессов. Сущность полезной модели заключается в том, что чувствительный элемент содержит участок плоской частотно-селективной высокоимпедансной поверхности, выполненный на основе метаматериала грибовидного типа, который закрыт сверху однослойным или многослойным плоским диэлектрическим экраном, при этом метаматериал представляет собой двухслойную диэлектрическую плату с металлическим экраном, выполненным на нижнем слое, и периодически расположенными рядами сквозных металлизированных отверстий, в каждом из которых закреплены идентичные металлические элементы в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами, и имеющих геометрические размеры, много меньшие рабочей длины волны, а толщина диэлектрического экрана не превышает толщину метаматериала. Технический результат: обеспечение возможности создания чувствительного элемента на грибовидном метаматериале. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Полезная модель относится к элементам и устройствам для микроволнового измерения физических величин и контроля параметров технологических процессов, и может быть использована в радиоэлектронной аппаратуре.
Известны чувствительные элементы радиоволновых измерительных преобразователей, выполненные на основе одиночных и (или) связанных замедляющих систем, работа которых основана на измерении электродинамических параметров резонансных структур при изменении их геометрических размеров, параметров окружающих сред или расстояния до металлических предметов [Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. - М.: Радио и связь, 2002. – с.125 - 134]. Недостатком таких чувствительных элементов является их работа в радиоволновом диапазоне, на частотах в единицы-десятки МГц, что не всегда позволяет обеспечить равномерное распределение электромагнитного поля в контролируемом объекте или технологической среде, и снижает точность таких измерений.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является развязывающий фильтр на грибовидном метаматериале, содержащий экранированную с одной стороны однослойную или многослойную диэлектрическую плату с периодически расположенными рядами сквозных отверстий, в каждом из которых закреплены идентичные металлические элементы в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами, и имеющих геометрические размеры, много меньшие рабочей длины волны [Патент РФ на изобретение № 2 571 385. Развязывающий фильтр на метаматериале/ А.С.Кухаренко, А.А.Елизаров. Опубл. в БИ № 35, 2015]. Однако возможность использования такой структуры в качестве основы для создания чувствительного элемента не рассматривалась.
Технической задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является создание чувствительного элемента на грибовидном метаматериале, обладающего полосой заграждения не менее 100 МГц (на уровне (-3дБ)) и затуханием не хуже 20 дБ, смещение которых в микроволновом диапазоне позволит обеспечить эффективное измерение и контроль физических величин или параметров технологического процесса.
Решение технической задачи достигается тем, что чувствительный элемент содержит участок плоской частотно-селективной высокоимпедансной поверхности, выполненный на основе метаматериала грибовидного типа, который закрыт сверху однослойным или многослойным плоским диэлектрическим экраном. Согласно предлагаемой полезной модели, метаматериал представляет собой двухслойную диэлектрическую плату с металлическим экраном, выполненным на нижнем слое, и периодически расположенными рядами сквозных металлизированных отверстий, в каждом из которых закреплены идентичные металлические элементы в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами, и имеющих геометрические размеры, много меньшие рабочей длины волны, а толщина диэлектрического экрана не превышает толщину метаматериала.
Одной из отличительных особенностей чувствительного элемента может являться выбор относительной диэлектрической проницаемости однослойного плоского диэлектрического экрана вдвое большей относительной диэлектрической проницаемости однослойной диэлектрической платы метаматериала.
Другой отличительной особенностью может являться выбор относительной диэлектрической проницаемости первого слоя многослойного плоского диэлектрического экрана вдвое большей относительной диэлектрической проницаемости однослойной диэлектрической платы метаматериала, и ее дальнейшим линейным уменьшением при увеличении расстояния от плоскости метаматериала.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности существенных признаков, является обеспечение смещения полосы заграждения шириной не менее 100 МГц (на уровне (-3 дБ)) и затухания не хуже 20 дБ в микроволновом диапазоне, что позволит создать чувствительный элемент на грибовидном метаматериале для эффективного измерения физических величин и параметров технологических процессов.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется рисунками, где
на фиг.1 показана конструкция чувствительного элемента на метаматериале, где цифрой 1 обозначена двухслойная диэлектрическая плата, цифрой 2 – распределенные колебательные контуры, связанные емкостными зазорами и образующие частотно-селективную высокоимпедансную поверхность метаматериала, цифрой 3 – плоский диэлектрический экран; здесь же показано образование эквивалентных индуктивности и емкости между двумя распределенными колебательными контурами;
на фиг.2 показана топология чувствительного элемента на основе грибовидного метаматериала со «шляпками грибов» в форме мальтийского креста, выполненная на диэлектрической подложке из стеклотекстолита FR4 с относительной диэлектрической проницаемостью 4,5 и геометрическими размерами: a = b = 100мм; c = 7 мм; d = 9 мм; e = 5 мм; f = g = 1 мм;
на фиг.3 приведены зависимости комплексного коэффициента передачи S21 от частоты, полученные для модели чувствительного элемента при изменении зазора между его поверхностью и однослойной диэлектрической пластиной толщиной 2 мм и относительной диэлектрической проницаемостью 4,5 (стеклотекстолит FR-4);
на фиг.4 приведены зависимости комплексного коэффициента передачи S21 от частоты, полученные для модели чувствительного элемента с лежащей на его поверхности однослойной пластиной толщиной 2 мм при измерении ее относительной диэлектрической проницаемости 4,5 (стеклотекстолит FR4) и 9,8 (поликор).
Работа чувствительного элемента на метаматериале осуществляется следующим образом.
Композитная поверхность метаматериала чувствительного элемента возбуждается с помощью емкостного зазора, образованного двумя параллельными микрополосковыми линиями, расположенными по краям диэлектрической платы и обозначенными цифрами 1 и 2 (фиг.2). Конструктивные размеры каждого из колебательных контуров, образующих метаматериал, много меньше рабочей длины волны возбуждения. Распределенные колебательные контуры метаматериала могут быть представлены эквивалентной схемой, содержащей индуктивности, образованные полыми цилиндрическими металлическими ножками, соединенными с экраном, и емкости, сформированные между соседними контурами (фиг.1). Такая эквивалентная схема представляет собой схему линии передачи с отрицательной дисперсией, обладающую отрицательной фазовой скоростью и положительной групповой скоростью. Каждый из идентичных колебательных контуров, образующих метаматериал, обладает собственной добротностью Q > 100 и при изменении геометрических размеров может иметь резонансную частоту от 0,1 до 100 ГГц. При размещении в ближней зоне от поверхности метаматериала измеряемых объектов или контролируемых сред (как диэлектрических так и токопроводящих) возникает дополнительная электромагнитная связь, изменяющая эквивалентные погонные параметры индуктивности и емкости колебательных контуров метаматериала, что приводит к смещению резонансной частоты и изменению коэффициента затухания структуры. Величины изменения резонансной частоты и коэффициента затухания зависят от проводимости и относительной диэлектрической проницаемости объекта, размещаемого вблизи поверхности метаматериала, что и позволяет использовать предложенную конструкцию в качестве чувствительного элемента.
Возможность достижения цели подтверждается результатами численного эксперимента, полученными с помощью программных средств CST Studio Suite. На фиг.3 показаны зависимости комплексного коэффициента передачи S21 от частоты, полученные для модели чувствительного элемента с геометрическими размерами, приведенными на фиг.2, при изменении зазора между его поверхностью и однослойной диэлектрической пластиной толщиной 2 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 4,5 (стеклотекстолит FR-4). Анализ полученных кривых показывает, что при отсутствии зазора, когда диэлектрическая пластина лежит на поверхности чувствительного элемента, резонансов в диапазоне 3,5 – 4,0 ГГц не наблюдается, а затухание составляет (- 23–24) дБ. При увеличении зазора от 0,2 до 2 мм резонансная частота структуры смещается с 3,51ГГц при затухании (-39 дБ) до 3,55 ГГц при затухании (- 53 дБ). При этом ширина полосы меняется незначительно и составляет 120 МГц на уровне половинной мощности. В результате, чувствительность элемента к изменению зазора по смещению резонансной частоты составляет 0,10, а по изменению величины коэффициента затухания 0,14.
Возможность достижения цели подтверждается также зависимостями комплексного коэффициента передачи S21 от частоты, полученными для модели чувствительного элемента с лежащей на его поверхности однослойной пластиной толщиной 2 мм при изменении ее относительной диэлектрической проницаемости (4,5 (стеклотекстолит FR4) и 9,8 (поликор)) (фиг.4). Анализ результатов моделирования показывает смещение резонансной частоты с 4,10 ГГц при затухании (- 30,5) дБ до 4, 45 ГГц при затухании (- 35,5) дБ. Тем самым, чувствительность элемента к изменению относительной диэлектрической проницаемости составляет 0,11, а по изменению величины коэффициента затухания 0,12.
Увеличение вдвое относительной диэлектрической проницаемости экрана по сравнению с диэлектрической проницаемостью двухслойной диэлектрической платы метаматериала, а также применение многослойного экрана с линейно уменьшающейся диэлектрической проницаемостью, обеспечивает согласование волнового сопротивления высокоимпедансной поверхности чувствительного элемента с внешним воздушным пространством, имеющим сопротивление Ом [Патент РФ на изобретение №2 484 559. Печатная плата с подвешенной подложкой/ А.А.Елизаров, Э.А.Закирова. Опубл. в БИ № 35, 2011].
Достоинством предлагаемой полезной модели является возможность создания чувствительного элемента в микрополосковом исполнении, предназначенного для измерения физических величин и контроля технологических процессов в заданном диапазоне частот, с геометрическими размерами значительно меньшими рабочей длины волны при сохранении высокой добротности структуры.
Claims (3)
1. Чувствительный элемент, содержащий участок плоской частотно-селективной высокоимпедансной поверхности, выполненный на основе метаматериала грибовидного типа, закрытого сверху однослойным или многослойным плоским диэлектрическим экраном, отличающийся тем, что метаматериал представляет собой двухслойную диэлектрическую плату с металлическим экраном, выполненным на нижнем слое, и периодически расположенными рядами сквозных металлизированных отверстий, в каждом из которых закреплены идентичные металлические элементы в виде распределенных колебательных контуров, связанных емкостными зазорами, и имеющих геометрические размеры, много меньшие рабочей длины волны, а толщина диэлектрического экрана не превышает толщину метаматериала.
2. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что относительная диэлектрическая проницаемость однослойного плоского диэлектрического экрана, вдвое больше относительной диэлектрической проницаемости однослойной диэлектрической платы метаматериала.
3. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что относительная диэлектрическая проницаемость первого слоя многослойного плоского диэлектрического экрана вдвое больше относительной диэлектрической проницаемости однослойной диэлектрической платы метаматериала, и линейно уменьшается с увеличением расстояния от плоскости метаматериала.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016122952U RU170145U1 (ru) | 2016-06-09 | 2016-06-09 | Чувствительный элемент на метаматериале |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016122952U RU170145U1 (ru) | 2016-06-09 | 2016-06-09 | Чувствительный элемент на метаматериале |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU170145U1 true RU170145U1 (ru) | 2017-04-14 |
Family
ID=58641459
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016122952U RU170145U1 (ru) | 2016-06-09 | 2016-06-09 | Чувствительный элемент на метаматериале |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU170145U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU222615U1 (ru) * | 2023-06-02 | 2024-01-12 | Ордена трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) | Волноводный поляризатор на метаматериале |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7256753B2 (en) * | 2003-01-14 | 2007-08-14 | The Penn State Research Foundation | Synthesis of metamaterial ferrites for RF applications using electromagnetic bandgap structures |
WO2012094410A2 (en) * | 2011-01-04 | 2012-07-12 | Triton Systems, Inc. | Metamaterial filter |
WO2014025425A2 (en) * | 2012-05-09 | 2014-02-13 | Duke University | Metamaterial devices and methods of using the same |
RU2571385C1 (ru) * | 2014-08-29 | 2015-12-20 | Александр Сергеевич Кухаренко | Развязывающий фильтр на метаматериале |
-
2016
- 2016-06-09 RU RU2016122952U patent/RU170145U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7256753B2 (en) * | 2003-01-14 | 2007-08-14 | The Penn State Research Foundation | Synthesis of metamaterial ferrites for RF applications using electromagnetic bandgap structures |
WO2012094410A2 (en) * | 2011-01-04 | 2012-07-12 | Triton Systems, Inc. | Metamaterial filter |
WO2014025425A2 (en) * | 2012-05-09 | 2014-02-13 | Duke University | Metamaterial devices and methods of using the same |
RU2571385C1 (ru) * | 2014-08-29 | 2015-12-20 | Александр Сергеевич Кухаренко | Развязывающий фильтр на метаматериале |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Кухаренко А.С., Елизаров А.А., Анализ физических особенностей метаматериалов и частотно-селективных СВЧ-устройств на их основе, Электроника. Радиотхника, T-Comm Vol. 9, N 5, 2015. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU222615U1 (ru) * | 2023-06-02 | 2024-01-12 | Ордена трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) | Волноводный поляризатор на метаматериале |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8884722B2 (en) | Inductive coupling in transverse electromagnetic mode | |
Qin et al. | Novel planar electromagnetic bandgap structures for mitigation of switching noise and EMI reduction in high-speed circuits | |
US9748641B2 (en) | Antenna device and method for designing same | |
CN103378387A (zh) | 基于频率选择性耦合技术的宽阻带ltcc带通滤波器 | |
RU170145U1 (ru) | Чувствительный элемент на метаматериале | |
RU2571385C1 (ru) | Развязывающий фильтр на метаматериале | |
US20210091442A1 (en) | Band-pass filter | |
Yelizarov et al. | Metamaterial-based Sensor for Measurements of physical Quantities and Parameters of technological Processes | |
Moscato et al. | Chipless RFID for space applications | |
CN102721707B (zh) | 用于测量ltcc收缩率和介电常数的装置 | |
US9474150B2 (en) | Transmission line filter with tunable capacitor | |
Yelizarov et al. | Metamaterial-based frequency selective surface with a band gap electronic adjustment | |
Yelizarov et al. | Investigation of microwave sensor on the planar mushroom-shaped metamaterial | |
Kukharenko et al. | Methods for extension of the rejection band of microwave devices on the basis of planar modified mushroom-shaped metamaterial structures | |
Kukharenko et al. | Investigation of a frequency-selective surface based on a planar mushroom-shaped metamaterial with an electronically tunable stopband | |
US20180331405A1 (en) | Dielectric filter unit and communication device | |
CN110994172B (zh) | 一种基于宽阻带低频多层频率选择表面的天线罩 | |
RU2585178C1 (ru) | Частотно-селективная высокоимпедансная поверхность на основе метаматериала | |
Baghel et al. | Crosstalk Reduction in Coupled Microstrip Lines using TT-shaped DMS Approach | |
Sakouhi et al. | A quarter mode substrate integrated circular cavity chipless tag based humidity sensor | |
JP6972303B2 (ja) | 導波管アンテナ磁気電気的適合変換器 | |
Kamiya et al. | Study of EBG structures using Metamaterial Technology | |
CN202101949U (zh) | 测量低温共烧结陶瓷收缩率和介电常数的装置 | |
CN104538717A (zh) | 一种基片集成同轴线的尺寸设计方法 | |
RU2816965C1 (ru) | Электрически малая антенна на основе метаматериала с высоким эффективным показателем диэлектрической проницаемости |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20170616 |