RU2488926C1 - Антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала - Google Patents
Антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2488926C1 RU2488926C1 RU2011146627/08A RU2011146627A RU2488926C1 RU 2488926 C1 RU2488926 C1 RU 2488926C1 RU 2011146627/08 A RU2011146627/08 A RU 2011146627/08A RU 2011146627 A RU2011146627 A RU 2011146627A RU 2488926 C1 RU2488926 C1 RU 2488926C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metamaterial
- reflectors
- radiation
- antenna emitter
- antenna
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к антенным устройствам и может быть использовано как отдельная антенна, а также в качестве элемента сложной антенны или антенной системы радиочастотного, терагерцового, инфракрасного или оптического диапазонов. Технический результат - уменьшение массогабаритных характеристик и ширины диаграммы направленности. Антенный излучатель с узкой диаграммой направленности состоит из двух отражателей, объединенных в единую жесткую конструкцию, разнесенных на расстояние, большее длины волны, и образующих открытый резонатор, связанный с приемником и/или генератором излучения, при этом, по крайней мере, один из отражателей выполнен из метаматериала. 10 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.
Description
Область техники
Изобретение относится к антенным устройствам и может быть использовано как отдельная антенна, а также в качестве элемента сложной антенны или антенной системы радиочастотного, терагерцового, инфракрасного или оптического диапазонов.
Уровень техники
Из уровня техники известна конструкция антенны, окруженной оболочкой из метаматериала, содержащая диполь и непосредственно полусферическую оболочку, выполненную из набора слоистых материалов полусферической формы с радиусом, равным радиусу оболочки в каждом ее поперечном сечении. При этом применяются метаматериалы, конструктивно выполненные на пластике и удовлетворяющие условию µ<0 и/или ε<0. Заявленная конструкция функционирует на частотах 10-500 кГц, при этом размеры антенны составляют от λ/10 до λ/10000, где λ - длина волны [1].
К недостаткам известного технического решения относятся значительные массогабаритные характеристики.
Из уровня техники известна конструкция антенны со слоем дважды отрицательного метаматериала. На частоте 12,4 ГГц для оптимального расстояния d=7,5 мм (0,31λ), толщины слоя метаматериала 15 мм (0,62λ), εэф=µэф=-1,5, коэффициент усиления антенны равен 9,8 дБ против 7 дБ для антенны без слоя метаматериала [2].
К недостаткам известного технического решения относятся значительные массогабаритные характеристики.
Из уровня техники известно устройство излучения электромагнитных волн, включающее в свой состав источник излучения электромагнитных волн и линзу, сформированную на основе левосторонних метаматериалов. При этом линза выполнена в виде сферической, изогнутой поверхности и располагается на некотором расстоянии от источника излучения [3].
К недостаткам известного технического решения относятся значительные массогабаритные характеристики.
Из уровня техники известна антенна высокого усиления Фабри-Перо, состоящая из излучателя и метаматериала в виде частотно-селективного покрытия, расположенного над излучателем, и обеспечивающая расчетный максимум коэффициента усиления 20,28 дБ на частоте 9,96 ГГц [4].
Недостатками известного технического решения являются значительные массогабаритные характеристики антенны (антенна Фабри-Перо имеет поперечные размеры в 5 раз большие по сравнению с ее излучателем).
Из уровня техники известна антенна на основе метаматериала, включающая в свой состав резонатор и метаматериал, расположенный над резонатором. Известная конструкция позволяет повысить коэффициент усиления и улучшить формирование диаграммы направленности [5].
К недостаткам известного технического решения относятся значительные массогабаритные характеристики.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик и ширины диаграммы направленности.
Технический результат заявленного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: антенный излучатель с узкой диаграммой направленности состоит из двух отражателей, объединенных в единую жесткую конструкцию, разнесенных на расстояние большее длины волны и образующих открытый резонатор, связанный с приемником и/или генератором излучения, при этом, по крайней мере, один из отражателей выполнен из метаматериала.
В предпочтительном варианте, по крайней мере один из отражателей проницаем для электромагнитного излучения.
В предпочтительном варианте, оба отражателя выполнены из метаматериала, проницаемого для электромагнитного излучения.
Метаматериал применяется с диэлектрической отрицательной проницаемостью и/или магнитной отрицательной проницаемостью. Пространство между двумя отражателями заполнено диэлектриком с малыми потерями и порами, существенно меньшими длины волны излучения. Открытый резонатор в предпочтительном варианте выполнен полуконфокальным.
В предпочтительном варианте один из отражателей выполнен металлическим, а связь открытого резонатора с приемником и/или генератором излучения осуществляется через отверстие связи в центре металлического отражателя.
В другом предпочтительном варианте один из отражателей выполнен сплошным металлическим, а связь открытого резонатора с приемником и/или генератором излучения осуществляется через отражатель из метаматериала, связанный с внешним свободным пространством.
В другом предпочтительном варианте во внутренний объем открытого резонатора помещено устройство связи, которое связано с приемником и/или генератором излучения.
Метаматериал выполнен, например, в виде расположенных регулярно с периодом и/или периодами существенно меньшими длины волны излучения индуктивных и/или емкостных резонансных структур, образующих электропроводящую сетку.
Резонансные структуры выполнены на полимерной пленке, при этом электрическая толщина полимерной пленки существенно меньше длины волны.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг.1 (а, б, в) представлены варианты конструкции антенного излучателя с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала состоящего из двух отражателей, разнесенных на расстояние заметно большее длины волны, и образующих открытый резонатор.
На фиг.2 (а, б, в, г) и 3 (а, б, в) представлены варианты конструкции антенного излучателя с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала состоящего из двух отражателей, разнесенных на расстояние заметно большее длины волны, и образующих открытый резонатор, связанный с приемником и/или генератором излучения.
На фиг.4 (а, б) представлен вариант конструкции отражателя с метаматериалом, выполненным на полимерной пленке:
- отражателя с метаматериалом, проницаемого для электромагнитного излучения (фиг.4а),
- поперечное сечение отражателя с метаматериалом, проницаемого для электромагнитного излучения (фиг.4б).
На фиг.5 представлена экспериментальная диаграмма направленности антенного излучателя с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала.
На фиг.1-4 обозначено следующее:
1 - полимерная пленка с электрической толщиной существенно меньшей длины волны,
2 - метаматериал отражателя, проницаемого для электромагнитного излучения,
3 - пространство между двумя отражателями, заполненное вспененным диэлектриком с малыми потерями и порами, существенно меньшими длины волны излучения,
4 - металлический отражатель,
4а - отражатель с метаматериалом, сферической формы полуконфокального открытого резонатора,
5 - отверстие связи,
6 - тракт связи с генератором и/или приемником излучения,
7 - электропроводящая сетка, образованная резонансными структурами,
8 - устройство связи внутреннего объема открытого резонатора с приемником и/или генератором излучения,
d - период регулярно расположенных электропроводящих элементов,
L - расстояние между двумя отражателями большее длины волны.
Осуществление изобретения
Заявляемый антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала функционирует следующим образом.
В качестве основного элемента антенного излучателя с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала была выбрана электропроводящая сетка, образованная резонансными структурами с периодом существенно меньшим длины волны излучения. Такие электропроводящие сетки впервые применял в качестве поляризаторов электромагнитного излучения (проходит излучение с электрическим вектором направленным перпендикулярно проводникам) Генрих Герц, а метод расчета электромагнитных характеристик впервые дал Лэмб [6]. Современные представления о физике метаматериалов позиционируют их как SNM - метаматериал с одиночной отрицательностью (только по диэлектрической поляризуемости). Кроме того, можно считать, что электромагнитная плазма, образованная электронами проводимости металла оказывается как бы разбавленной, т.е. с существенно меньшей усредненной по пространству концентрацией с пониженной плазменной частотой (иногда это явление называется случаем разбавленного металла). Однако одна такая сетка не может служить в качестве метаматериальной антенны. При высоких частотах, когда длина волны близка к периоду расположения проводников она прозрачна и практически не взаимодействует с волной. С увеличением длины волны быстро уменьшается ее коэффициент пропускания (по мощности):
Т~(d/λ)2,
где d - период расположения проводников, λ - длина волны излучения, а коэффициент отражения соответственно растет. Две сетки с параллельно расположенными плоскостями могут служить в качестве зеркал интерферометра Фабри-Перо, или открытого резонатора. Причем такой интерферометр, если потери в нем незначительны на резонансной частоте обладает коэффициентом пропускания близким к единице. Величина потерь в металлических проводниках обусловлена скин-эффектом и в случае золоченых проводников на длине волны λ=2 мм составляет величину G~0,3% при толщине скин слоя ~0,3 мкм. Еще один вид потерь: D - дифракционные, обусловленные соотношением геометрических размеров и длины волны излучения. Сумма всех коэффициентов потерь падающего на сетку излучения:
R+T+G+D=1
Функция частотной зависимости коэффициента пропускания интерферометра широко известна как функция Эйри. Величина 2L/λ есть порядок интерференции и определяется числом полуволн, укладывающихся на длине интерферометра. Его спектр резонансных частот является практически эквидистантным, а разность соседних частот соответствует величине:
Δf=c/2L
В случае открытого резонатора многократные переотражения излучения формируют в резонаторе на его зеркалах спадающее к краям распределение поля по закону Гаусса. Антенна, основанная на открытом резонаторе, имеет следующие преимущества. Она может являться многочастотной антенной с дискретным спектром и с высоким коэффициентом подавления падающего изучения не резонансных частот. Наличие двух отражающих зеркал приводит к эффективному взаимодействию (за счет многократных переотражений) излучения с метаматериалом. Такой резонатор эффективно преобразует излучение открытого конца волновода в собственные типы колебаний. Еще более высокодобротным с малыми потерями на излучение является полуконфокальный открытый резонатор, который и продемонстрировал двукратное сужение диаграммы направленности. Таким образом, проблема потерь существенная в резонансном метаматериале эффективно решается применением резонансного объема открытого резонатора примыкающего к тонкому и плоскому метаматериалу, являющегося одним из его зеркал.
Планарная конструкция отражателей с проводниками относительно легко позволяет интегрировать в них ничтожные по размерам планарные же микросхемы генераторов и/или приемников излучения, используя проводники сетки в качестве, например, двухпроводной линии для передачи или отвода сигналов, а также для подвода питания. Интересные возможности открываются при создании генераторов использующих непосредственно резонансные частоты самого открытого резонатора для возбуждения колебаний и их излучения, как это происходит в лазерах. В приемных антеннах можно осуществлять параметрическое усиление сигнала, возбуждая дополнительно открытый резонатор и, соответственно, нелинейный элемент интегрированной планарной схемы на кратных принимаемой частоте гармониках и т.п.
Уменьшение массогабаритных характеристик и ширины диаграммы направленности, конечно, являются взаимосвязанными. Однако сужение диаграммы направленности вдвое дает само по себе качественное улучшение разрешающей способности от 2-х до 4-х раз для приемной антенны или соответствующее улучшение соотношения сигнал - шум на приемном конце.
Таким образом, заявленный антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала представляет собой совокупность связанного с приемным и/или передающим излучение трактом открытого резонатора (или интерферометра Фабри-Перо), являющегося согласователем импеданса и преобразователем пространственных мод колебаний, образованного двумя отражателями, объединенных в единую жесткую и стабильную конструкцию заполняющим его внутренний объем, диэлектриком с малыми потерями излучения, причем по крайней мере один из отражателей выполнен из нерезонансного реактансного единожды отрицательного планарного метаматериала.
Предложенные технические решения были использованы при реализации антенного излучателя с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала на частоту 64-69 ГГц. Зеркала открытого резонатора представляли собой металлические проволочные электропроводящие сетки (метаматериал с отрицательной диэлектрической проницаемостью), изготовленные методами фотолитографии. Параметры изготовленных одномерных электропроводящих сеток приведены в таблице, где L - период сетки, d - ширина металлических полосок, S - коэффициент заполнения сетки, Т - коэффициент пропускания. Одномерную электропроводящую сетку для экспериментального образца выбирали исходя из максимальной величины коэффициента пропускания.
| Таблица | ||||
| Параметры одномерных электропроводящих сеток | ||||
| N | L, мкм | d, мкм | S=d/L | Т |
| 1 | 220 | 44 | 0,2 | 3*10-3 |
| 2 | 210 | 42 | 0,2 | 1,6*10-3 |
| 3 | 210 | 32 | 0,15 | 1,6*10-3 |
| 4 | 200 | 30 | 0,15 | 6*10-3 |
| 5 | 148 | 30 | 0,2 | 1*10-3 |
Был изготовлен антенный излучатель с полуконфокальным открытым резонатором, одно из зеркал которого было сплошным и имело сферическую форму с радиусом кривизны 110 мм при толщине 100 мкм с фокусным расстоянием 55 мм, в котором имелось отверстие связи в центре с диаметром 1,5 мм для ввода излучения из открытого конца волновода. Второе зеркало представляло металлическую одномерную электропроводящую сетку. Конструкция антенного излучателя была изготовлена из пенополистирола, обладающего низкими коэффициентами поглощения и рассеяния излучения. Конструкция позволяла подстраивать частоту резонанса изменением расстояния между зеркалами. Экспериментально измеренная величина ширины диаграммы направленности (см. фиг.5), по уровню половинной мощности составляет 12°. Это в два раза уже, чем расчетная величина для идеализированного расчетного (практически никогда не выполняется) значения с наиболее узкой диаграммой прямоугольного распределения поля в эквивалентном раскрыве антенны такого же кругового сечения. При применении сеток с другими параметрами также наблюдался эффект сужения диаграммы направленности.
Таким образом, заявленный антенный излучатель на основе метаматериала обеспечивает формирование узкой диаграммой направленности, может быть использован в антенных системах приемо-передающей радиоаппаратуры с существенно уменьшенными по сравнению с аналогами массогабаритными характеристиками.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Международная публикация заявки на изобретение WO 2010/011391, Boeing Company. Опубл. 28.01.2010.
2. Burocur S.N., Latrach M., Toutain S., Left-Handed Medium effect on the characteristics of a circular patch antenna. Proc. Antennas and Propagation Society International Symposium. 3-8 July 2005. 2005 IEEE. V.1A. P.680-683.
3. Международная публикация заявки на изобретение WO 2011/055744. Panasonic Electric Works Co. Опубл. 04.11.2010.
4. Lee D.H., Lee Y., Hao Y., Vardaxoglou Y., Park W.S., Perturbation input impedance matching technique for Fabry-Perot high gain antenna. Proc. Loughborough Antennas and Propagation Conference. Loughborough, UK. 17-18 March 2008. P.301-304.
5. Заявка США на изобретение US 2010/0277374. Electronics and Telecommunications Research Institute. Опубл. 04.11.2010.
6. Г. Лэмб. Гидродинамика, пер. с 6-го англ. издания А.В. Гермогенова и В.А. Кудрявцева. Под редакцией профессора Н.А. Слезкина, ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1947 Ленинград.
Claims (11)
1. Антенный излучатель с узкой диаграммой направленности, состоящий из двух отражателей, объединенных в единую жесткую конструкцию, разнесенных на расстояние, большее длины волны, и образующих открытый резонатор, связанный с приемником и/или генератором излучения, при этом, по крайней мере, один из отражателей выполнен из метаматериала.
2. Антенный излучатель по п.1, в котором, по крайней мере, один из отражателей проницаем для электромагнитного излучения.
3. Антенный излучатель по п.2, в котором оба отражателя выполнены из метаматериала, проницаемого для электромагнитного излучения.
4. Антенный излучатель по п.3, в котором применяется метаматериал с диэлектрической отрицательной проницаемостью и/или магнитной отрицательной проницаемостью.
5. Антенный излучатель по п.4, в котором пространство между двумя отражателями заполнено диэлектриком с малыми потерями и порами, существенно меньшими длины волны излучения.
6. Антенный излучатель по п.5, в котором открытый резонатор выполнен полуконфокальным.
7. Антенный излучатель по п.6, в котором один из отражателей выполнен металлическим, а связь открытого резонатора с приемником и/или генератором излучения осуществляется через отверстие связи в центре металлического отражателя.
8. Антенный излучатель по п.6, в котором один из отражателей выполнен сплошным металлическим, а связь открытого резонатора с приемником и/или генератором излучения осуществляется через отражатель из метаматериала, связанный с внешним свободным пространством.
9. Антенный излучатель по п.6, в котором во внутренний объем открытого резонатора помещено устройство связи, которое связано с приемником и/или генератором излучения.
10. Антенный излучатель по п.7 или 8, или 9, в котором метаматериал выполнен, например, в виде расположенных регулярно с периодом и/или периодами существенно меньшими длины волны излучения индуктивных и/или емкостных резонансных структур, образующих электропроводящую сетку.
11. Антенный излучатель по п.10, в котором резонансные структуры выполнены на полимерной пленке, при этом электрическая толщина полимерной пленки существенно меньше длины волны.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011146627/08A RU2488926C1 (ru) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | Антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011146627/08A RU2488926C1 (ru) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | Антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011146627A RU2011146627A (ru) | 2013-05-27 |
| RU2488926C1 true RU2488926C1 (ru) | 2013-07-27 |
Family
ID=48789006
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011146627/08A RU2488926C1 (ru) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | Антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2488926C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2764539C1 (ru) * | 2020-12-09 | 2022-01-18 | Акционерное общество «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» (АО «Российские космические системы») | Конструктивный элемент метаматериала из высокоомного кремния для приемных и передающих систем, монтируемый к излучателю антенны |
| RU2816965C1 (ru) * | 2023-12-07 | 2024-04-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Электрически малая антенна на основе метаматериала с высоким эффективным показателем диэлектрической проницаемости |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1022245A1 (ru) * | 1981-12-29 | 1983-06-07 | Предприятие П/Я В-8751 | Отражательна антенна решетка |
| SU1383457A1 (ru) * | 1986-04-22 | 1988-03-23 | Предприятие П/Я Г-4421 | Линзова антенна с электромеханическим круговым сканированием |
| US6542131B1 (en) * | 1999-02-24 | 2003-04-01 | Nokia Networks Oy | Apparatus for suppressing mutual interference between antennas |
| US8031128B2 (en) * | 2008-05-07 | 2011-10-04 | The Boeing Company | Electrically small antenna |
-
2011
- 2011-11-17 RU RU2011146627/08A patent/RU2488926C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1022245A1 (ru) * | 1981-12-29 | 1983-06-07 | Предприятие П/Я В-8751 | Отражательна антенна решетка |
| SU1383457A1 (ru) * | 1986-04-22 | 1988-03-23 | Предприятие П/Я Г-4421 | Линзова антенна с электромеханическим круговым сканированием |
| US6542131B1 (en) * | 1999-02-24 | 2003-04-01 | Nokia Networks Oy | Apparatus for suppressing mutual interference between antennas |
| US8031128B2 (en) * | 2008-05-07 | 2011-10-04 | The Boeing Company | Electrically small antenna |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2764539C1 (ru) * | 2020-12-09 | 2022-01-18 | Акционерное общество «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» (АО «Российские космические системы») | Конструктивный элемент метаматериала из высокоомного кремния для приемных и передающих систем, монтируемый к излучателю антенны |
| RU2816965C1 (ru) * | 2023-12-07 | 2024-04-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Электрически малая антенна на основе метаматериала с высоким эффективным показателем диэлектрической проницаемости |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011146627A (ru) | 2013-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6281868B2 (ja) | フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体および高周波金属配線回路、電子部品、および送信器、受信器および近接無線通信システム | |
| Majid et al. | Microstrip antenna's gain enhancement using left-handed metamaterial structure | |
| Temelkuran et al. | Photonic crystal-based resonant antenna with a very high directivity | |
| EP2019447B1 (en) | Electromagnetic screen | |
| Kushwaha et al. | Design of slotted ground hexagonal microstrip patch antenna and gain improvement with FSS screen | |
| Liu et al. | Enhancement of the gain for microstrip antennas using negative permeability metamaterial on low temperature co-fired ceramic (LTCC) substrate | |
| JP5469054B2 (ja) | フィルタ・コーティングを有する共振子を備えるアンテナ及びそのようなアンテナを含むシステム | |
| KR20100134567A (ko) | 인공 매질 | |
| Hussain et al. | Performance of multiple-feed metasurface antennas with different numbers of patch cells and different substrate thicknesses | |
| Jamilan et al. | Design and characterization of a dual-band metamaterial absorber based on destructive interferences | |
| Ge et al. | A method to design dual-band, high-directivity EBG resonator antennas using single-resonant, single-layer partially reflective surfaces | |
| RU2488926C1 (ru) | Антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала | |
| Dincer et al. | Multi-band metamaterial absorber: Design, experiment and physical interpretation | |
| US9882286B1 (en) | Cylindrical antenna using near zero index metamaterial | |
| Saenz et al. | Power transmission enhancement by means of planar meta-surfaces | |
| Ishiyama et al. | Unit cell block including dielectric cube wrapped with metallic wire mesh for 3-D isotropic CRLH metamaterials | |
| Hamid et al. | Analysis of absorption mechanism in a planar radome absorber | |
| Derkach et al. | Gigant optical activity in artificial plane-chiral structures | |
| Chen et al. | Broadband beam control and gain enhancement based on non-resonant transmission phase gradient metasurfaces | |
| Duangtang et al. | Wire Medium Structure for Gain Enhancement of Conical Horn Antenna | |
| Räisänen et al. | Propagation at THz frequencies | |
| Xia et al. | Quasi-optical Frequency Selective Surface for atmospheric remote sensing application | |
| Dawar et al. | Research Article UWB Metamaterial-Loaded Antenna for C-Band Applications | |
| sheng Hou et al. | Ultrathin broadband focusing metasurface for high-gain antenna application with high efficiency | |
| Babar et al. | Design and simulation of dual band EBG |