RU2585178C1

RU2585178C1 - Frequency-selective high-impedance surface based on metamaterial

Info

Publication number: RU2585178C1
Application number: RU2015116737/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Кухаренко; Андрей Альбертович Елизаров
Original assignee: Александр Сергеевич Кухаренко
Priority date: 2015-05-05
Filing date: 2015-05-05
Publication date: 2016-05-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention can be used for creation of frequency-selective high-impedance surface. Present invention consists in that frequency-selective high-impedance surface comprises shielded one-layer printed circuit board, on one side of which is impedance array of related at least two capacitive gaps microstrip multi-coil Archimedean spirals, in centres of which are arranged metallised transition holes connected with common metal screen, capacitive gaps are made in form of microstrip coplanar lines.

EFFECT: technical result is design of a frequency-selective high-impedance surface, which has negative values of effective dielectric and magnetic permeability, as well as surface impedance, tuned in this frequency range, and significantly exceeding wave impedance of free space.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре.The invention relates to radio and microwave technology and can be used in electronic equipment.

Известны ферромагнитные материалы (ферриты) с большой величиной относительной магнитной проницаемости, поверхность которых обладает сопротивлением, превышающим волновое сопротивление свободного пространства, равное 120π = 376,7 (Ом) [Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. М.: Физматлит, 1994. 464 С.]. Однако такие ферромагнитные поверхности не обладают свойством частотной селекции колебаний и волн.There are known ferromagnetic materials (ferrites) with a large value of relative magnetic permeability, the surface of which has a resistance exceeding the wave resistance of free space, equal to 120π = 376.7 (Ohms) [Gurevich AG, Melkov G.A. Magnetic vibrations and waves. M .: Fizmatlit, 1994. 464 S.]. However, such ferromagnetic surfaces do not possess the property of frequency selection of oscillations and waves.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является композитная высокоимпедансная поверхность метаматериала в виде конструкции, образованной металлическими элементами в форме шестиугольных «грибочков», размер каждого из которых много меньше рабочей длины волны [Sievenpiper D., Zhang L., Broas R., Alexopolous N.G., Yablonovitch E. // IEEE Trans. Microw. Theory. 1999. Vol. 47. #11. P. 2059-2074]. Такая высокоимпедансная поверхность находит практическое применение как излучающий или отражающий элемент миниатюрных антенн и не рассматривается как частотно-селективная структура. Closest to the proposed technical solution is the composite high-impedance surface of the metamaterial in the form of a structure formed by metal elements in the form of hexagonal "mushrooms", the size of each of which is much smaller than the working wavelength [Sievenpiper D., Zhang L., Broas R., Alexopolous NG, Yablonovitch E. // IEEE Trans. Microw. Theory. 1999. Vol. 47. # 11. P. 2059-2074]. Such a high-impedance surface finds practical application as a radiating or reflecting element of miniature antennas and is not considered as a frequency-selective structure.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание частотно-селективной высокоимпедансной поверхности, которая, по отношению к электромагнитной волне СВЧ, имеет отрицательные значения эффективной диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также поверхностный импеданс, перестраиваемый в данном частотном диапазоне и существенно превосходящий волновое сопротивление свободного пространства, равное 120π (Ом). The technical problem to which this invention is directed is the creation of a frequency-selective high-impedance surface, which, in relation to the microwave electromagnetic wave, has negative effective dielectric and magnetic permeabilities, as well as the surface impedance tunable in this frequency range and significantly exceed the wave free space resistance of 120π (Ohms).

Решение технической задачи достигается тем, что частотно-селективная высокоимпедансная поверхность содержит однослойную экранированную печатную плату, с одной стороны которой выполнена импедансная решетка из связанных не менее чем двумя емкостными зазорами микрополосковых многозаходных спиралей Архимеда, в центрах которых расположены металлизированные переходные отверстия, соединенные с общим металлическим экраном. Согласно предложенному изобретению, емкостные зазоры выполнены в виде микрополосковых копланарных линий. The solution to the technical problem is achieved by the fact that the frequency-selective high-impedance surface contains a single-layer shielded printed circuit board, on one side of which an impedance array is made of Archimedes microstrip multiple-strip helixes connected by at least two capacitive gaps, in the centers of which there are metallized vias connected to a common metal screen. According to the proposed invention, capacitive gaps are made in the form of microstrip coplanar lines.

Одной из отличительных особенностей частотно-селективной высокоимпедансной поверхности может являться установка параллельно емкостным зазорам сосредоточенных емкостей, позволяющих обеспечивать настройку полосы заграждения в заданном диапазоне частот.One of the distinguishing features of a frequency-selective high-impedance surface may be the installation of parallel capacitive gaps in parallel with the capacitive gaps, which allows for the adjustment of the obstacle band in a given frequency range.

Другой отличительной особенностью частотно-селективной высокоимпедансной поверхности может являться установка параллельно одному из емкостных зазоров каждой пары связанных многозаходных спиралей диодов-варикапов, что позволяет обеспечить электронную перестройку полосы заграждения участка высокоимпедансной поверхности путем изменения значения обратного постоянного напряжения диодов-варикапов.Another distinctive feature of a frequency-selective high-impedance surface may be the installation of parallel to one of the capacitive gaps of each pair of connected multiple-input spirals of varicap diodes, which allows for electronic tuning of the fence band of the high-impedance surface area by changing the value of the inverse constant voltage of the varicap diodes.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является обеспечение, по отношению к электромагнитной волне СВЧ, отрицательных значений эффективной диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также поверхностного импеданса, перестраиваемого по частоте и существенно превосходящего волновое сопротивление свободного пространства, равного 120π (Ом), что позволяет создать частотно-селективную высокоимпедансную поверхность.The technical result achieved in the implementation of the totality of the claimed essential features is to ensure, with respect to the microwave electromagnetic wave, negative values of the effective dielectric and magnetic permeabilities, as well as the surface impedance, tunable in frequency and significantly exceeding the free-space wave impedance of 120π (Ohm ), which allows you to create a frequency-selective high-impedance surface.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на фиг.1 показана топология участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности, выполненной на диэлектрической подложке из стеклотекстолита с относительной диэлектрической проницаемостью 4,8 и габаритными размерами 210×210×1 мм, где цифрой 1 обозначена экранированная диэлектрическая плата, цифрой 2 - колебательные контуры в виде четырехзаходных прямоугольных спиралей Архимеда, цифрой 3 - емкостные зазоры, выполненные в виде микрополосковых копланарных линий, цифрой 4 - сосредоточенные емкости или варикапы;figure 1 shows the topology of the portion of the frequency-selective high-impedance surface made on a dielectric substrate made of fiberglass with a relative dielectric constant of 4.8 and overall dimensions of 210 × 210 × 1 mm, where the number 1 denotes a shielded dielectric board, the number 2 - oscillatory circuits in in the form of four-starting rectangular spirals of Archimedes, the number 3 - capacitive gaps, made in the form of microstrip coplanar lines, the number 4 - concentrated containers or varicaps;

на фиг.2 (а, б) приведены результаты расчетов комплексных коэффициента передачи S₂₁ и коэффициента отражения S₁₁ от частоты для рассматриваемого участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности при установке параллельно емкостным зазорам сосредоточенных емкостей с величинами 2,0 пФ (а) и 6,0 пФ (б), полученные численно с помощью программных средств AWR Design Environment v.9.0;figure 2 (a, b) shows the results of calculations of the complex transmission coefficient S ₂₁ and reflection coefficient S ₁₁ from the frequency for the considered section of the frequency-selective high-impedance surface when parallel to the capacitive gaps of concentrated capacitances with values of 2.0 pF (a) and 6 , 0 pF (b), obtained numerically using the AWR Design Environment v.9.0 software;

на фиг. 3 (а, б) приведены результаты расчетов зависимостей эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей от частоты для рассматриваемого участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности при установке параллельно емкостным зазорам сосредоточенных емкостей 6,0 пФ. in FIG. Figures 3 (a, b) show the results of calculating the dependences of the effective dielectric and magnetic permeabilities on the frequency for the considered section of the frequency-selective high-impedance surface when the concentrated capacitances of concentrated capacitances of 6.0 pF are installed in parallel.

Работа участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности осуществляется следующим образом. The work area of the frequency-selective high-impedance surface is as follows.

Участок частотно-селективной высокоимпедансной поверхности возбуждается с помощью емкостного зазора, образованного двумя параллельными микрополосковыми линиями, расположенными по краям диэлектрической платы 1 (на чертеже не показаны). Конструктивные размеры каждого из колебательных контуров 2, выполненных в виде связанных емкостными зазорами четырехзаходных прямоугольных спиралей Архимеда, много меньше рабочей длины волны возбуждения. Участок такой электродинамической структуры является метаматериалом, эквивалентная схема которого представляет собой линию 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. Выполнение емкостных зазоров в виде микрополосковых копланарных линий объясняется практической независимостью их волнового сопротивления от толщины подложки, что позволяет использовать подложки с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости и за счет этого уменьшать геометрические размеры структуры.A portion of the frequency-selective high-impedance surface is excited using a capacitive gap formed by two parallel microstrip lines located at the edges of the dielectric board 1 (not shown in the drawing). The structural dimensions of each of the oscillatory circuits 2, made in the form of four-way rectangular spirals of Archimedes connected by capacitive gaps, are much smaller than the working excitation wavelength. A section of such an electrodynamic structure is a metamaterial, the equivalent circuit of which is a negative dispersion transmission line with a negative phase velocity and a positive group velocity. Each of the identical oscillatory circuits forming the metamaterial has its own Q factor Q> 100 and, if the geometric dimensions are changed, can have a resonant frequency from 0.1 to 100 GHz. The performance of capacitive gaps in the form of microstrip coplanar lines is explained by the practical independence of their wave impedance on the thickness of the substrate, which makes it possible to use substrates with a high relative permittivity and thereby reduce the geometric dimensions of the structure.

Возможность достижения технического результата достигается сравнением затухания, обеспечиваемого высокоимпедансной поверхностью метаматериала, и импедансной металлической поверхностью, имеющей аналогичные габаритные размеры. При расположении параллельно рассматриваемым поверхностям СВЧ-излучателя, например, горизонтального вибратора в нем возникает зеркально отраженный ток, эквивалентный наличию второго излучателя. Причем этот ток будет противофазен току при наличии импедансной металлической поверхности и синфазен в случае поверхности, образованной метаматериалом. Таким образом, при синфазных токах наличие отражения усиливает излучение вибратора, а при противофазных токах излучение вибратора будет компенсироваться. Следует также подчеркнуть еще одно преимущество метаматериала - поверхностный ток не затекает на обратную сторону экранированной диэлектрической платы, что полностью уничтожает обратное излучение, всегда возникающее в излучающей структуре с импедансной металлической поверхностью. The ability to achieve a technical result is achieved by comparing the attenuation provided by the high-impedance surface of the metamaterial and the impedance metal surface having similar overall dimensions. When parallel to the surfaces under consideration of the microwave emitter, for example, a horizontal vibrator, a mirror-reflected current arises in it, equivalent to the presence of a second emitter. Moreover, this current will be out of phase with the current in the presence of an impedance metal surface and in phase in the case of a surface formed by a metamaterial. Thus, with common-mode currents, the presence of reflection enhances the vibrator's radiation, and with antiphase currents, the vibrator's radiation will be compensated. One more advantage of the metamaterial should also be emphasized - the surface current does not flow to the back of the shielded dielectric board, which completely destroys the backward radiation that always arises in a radiating structure with an impedance metal surface.

Проведенный анализ подтверждается результатами численного эксперимента, полученными с помощью программных средств AWR Design Environment (Microwave Office v.9.0). На фиг.2(а) показаны зависимости комплексных коэффициента передачи S₂₁ и коэффициента отражения S₁₁от частоты, полученные для участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности при установке параллельно емкостным зазорам сосредоточенных емкостей с величиной 2,0 пФ. На фиг.2(б) показаны аналогичные зависимости при величинах сосредоточенных емкостей, равных 6 пФ. Сравнение данных характеристик показывает смещение полосы заграждения участка поверхности 1,65-1,87 ГГц (фиг.2(а)) вниз до 1,59-1,67 ГГц при средней величине затухания (-10) дБ. На фиг.3(а) и 3(б) приведены результаты расчетов зависимостей эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей от частоты для рассматриваемого участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности при установке параллельно емкостным зазорам сосредоточенных емкостей 6,0 пФ. Из графиков видно, что в области резонанса структуры диэлектрическая и магнитная проницаемости принимают отрицательные значения.The analysis is confirmed by the results of a numerical experiment obtained using the AWR Design Environment software (Microwave Office v.9.0). 2 (a) shows the dependence of the complex transmission coefficient S ₂₁ and S _11, reflection coefficient on the frequencies obtained for the plot of frequency-selective high-impedance parallel to the surface when installing the capacitive gaps lumped capacitances with the value of 2.0 pF. Figure 2 (b) shows similar dependencies at values of lumped capacitances equal to 6 pF. A comparison of these characteristics shows the displacement of the obstacle band of the surface area 1.65-1.87 GHz (Fig. 2 (a)) down to 1.59-1.67 GHz with an average attenuation of (-10) dB. Figure 3 (a) and 3 (b) shows the results of calculations of the dependences of the effective dielectric and magnetic permeabilities on the frequency for the considered section of the frequency-selective high-impedance surface when installed in parallel with the capacitive gaps of the concentrated capacitances of 6.0 pF. The graphs show that in the resonance region of the structure, the dielectric and magnetic permeabilities take negative values.

В случае установки параллельно одному из емкостных зазоров каждой пары связанных многозаходных спиралей диодов-варикапов, емкость которых меняется при изменении обратного постоянного напряжения, можно обеспечить электронную перестройку полосы заграждения участка высокоимпедансной поверхности, что является достоинством данного изобретения.In the case of installing parallel to one of the capacitive gaps of each pair of connected multi-helix spirals of varicap diodes, the capacitance of which changes with a change in the inverse constant voltage, it is possible to provide electronic tuning of the fencing strip of the high-impedance surface area, which is an advantage of this invention.

Claims

1. Frequency-selective high-impedance surface containing a single-layer shielded printed circuit board, on one side of which an impedance grating is made of Archimedes microstrip multiple-strip helixes connected by at least two capacitive gaps, in the centers of which there are metallized vias connected to a common metal screen, characterized in that capacitive gaps are made in the form of microstrip coplanar lines.

2. The frequency-selective high-impedance surface according to claim 1, characterized in that concentrated capacitances are installed parallel to the capacitive gaps.

3. The frequency-selective high-impedance surface according to claim 1, characterized in that varicap diodes are installed parallel to one of the capacitive gaps.