RU2594947C1 - Метаматериал - Google Patents

Метаматериал Download PDF

Info

Publication number
RU2594947C1
RU2594947C1 RU2015133291/28A RU2015133291A RU2594947C1 RU 2594947 C1 RU2594947 C1 RU 2594947C1 RU 2015133291/28 A RU2015133291/28 A RU 2015133291/28A RU 2015133291 A RU2015133291 A RU 2015133291A RU 2594947 C1 RU2594947 C1 RU 2594947C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
meander line
microstrip
metamaterial
width
cell
Prior art date
Application number
RU2015133291/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Николаевич Бойко
Александр Сергеевич Кухаренко
Сергей Владимирович Косякин
Юрий Сергеевич Яскин
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Объединенная ракетно-космическая корпорация" (ОАО "ОРКК")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Объединенная ракетно-космическая корпорация" (ОАО "ОРКК") filed Critical Открытое акционерное общество "Объединенная ракетно-космическая корпорация" (ОАО "ОРКК")
Priority to RU2015133291/28A priority Critical patent/RU2594947C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2594947C1 publication Critical patent/RU2594947C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике. Особенностью заявленного метаматериала является то, что диэлектрическая плата ячейки выполнена трехслойной, в ее центральном слое выполнены щелевые линии, равномерно распределенные вдоль всей длины микрополосковой меандровой линии и ориентированные параллельно ее ширине, имея при этом длину не меньше ширины меандровой линии, плата снабжена металлическим экраном, расположенным на ее нижней стороне, при этом щелевые линии отделены от микрополосковой меандровой линии и от экрана слоями диэлектрика. Техническим результатом является создание частотно-селективной поверхности, обеспечивающей подавление распространяющейся вдоль нее электромагнитной волны в относительной полосе частот до одной октавы. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве частотно-селективной поверхности для создания специальных экранов отсечки отраженных сигналов, радиомаскирующих покрытий, а также для обеспечения развязки между элементами в антенных решетках.
Известен метаматериал, включающий множество ячеек, расположенных периодически на прямой, на плоскости или в пространстве. Каждая ячейка состоит из диэлектрической подложки, имеющей первую и вторую параллельные поверхности, и первый и второй проводник в форме спирали. Первый проводник находится на первой поверхности подложки, а второй - на второй поверхности подложки таким образом, что второй проводник находится строго под (или над) первым и имеет с ним электромагнитную связь [Патент US 8780010, кл. H01Q 15/10, опубл. 15.07.2014 г.].
Известный метаматериал имеет ряд недостатков: узкая рабочая полоса пропускания (порядка 10%) и многослойная конструкция, не технологичная в производстве.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является метаматериал, представляющий собой ячейку частотно-селективной поверхности, состоящую из диэлектрической платы, на верхней стороне которой расположена микрополосковая меандровая линия с прямоугольным базовым элементом, причем ширина линии превышает ее период [Патент CN 103199347, кл. H01Q 15/00, опубл. 2013.07.10].
Метаматериал может содержать n ячеек, расположенных на плоскости общего металлического экрана.
Известный метаматериал имеет по крайней мере один существенный недостаток: крайне узкую рабочую полосу запирания (несколько процентов).
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание частотно-селективной поверхности, обеспечивающей подавление распространяющейся вдоль нее электромагнитной волны в относительной полосе частот до одной октавы.
Указанный результат достигается тем, что в метаматериале, представляющем собой ячейку частотно-селективной поверхности, состоящую из диэлектрической платы, на верхней стороне которой расположена микрополосковая меандровая линия, причем ширина линии превышает ее период, диэлектрическая плата ячейки выполнена трехслойной, в ее центральном слое выполнены щелевые линии, равномерно распределенные вдоль всей длины микрополосковой меандровой линии и ориентированные параллельно ее ширине, имея при этом длину не меньше ширины меандровой линии, плата снабжена металлическим экраном, расположенным на ее нижней стороне, при этом щелевые линии отделены от микрополосковой меандровой линии и от экрана слоями диэлектрика.
Преимущественно ширина микрополосковой меандровой линии равна четверти длины волны на центральной частоте полосы задержки метаматериала.
Целесообразно базовый элемент микрополосковой меандровой линии выполнить прямоугольным, U- или V-образным, а плату ячейки - в форме квадрата.
Преимущественно метаматериал представляет собой частотно-селективную поверхность, состоящую из n×n ячеек, разделенных между собой зазорами, ширина которых не превышает период микрополоской меандровой линии, и расположенных на плоскости общего металлического экрана в шахматном порядке таким образом, что каждая ячейка повернута относительно ячеек, располагающихся слева, сверху, справа и снизу от нее на 90 градусов по или против часовой стрелки.
Предложенный метаматериал позволяет при распространении волны вдоль микрополосковой меандровой линии обеспечить полосу запирания за счет создания среды с отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей, т.е. метаматериальной среды. Границы полосы запирания определяются параметрами микрополосковой меандровой линии, а также параметрами и периодом следования щелевых линий.
На фиг. 1 представлен вид микрополосковой меандровой линии, располагающейся на верхней стороне платы.
На фиг. 2 - вид щелевой линии, располагающейся в центральном слое платы.
На фиг. 3 - поперечный разрез ячейки частотно-селективной поверхности.
На фиг. 4 - результаты вычисления эффективных значений электрической проницаемости ячейки в диапазоне частот 0,9-1,2 ГГц по измеренным значениям S-параметров.
На фиг. 5 - результаты вычисления эффективных значений магнитной проницаемости ячейки в диапазоне частот 0,9-1,2 ГГц по измеренным значениям S-параметров.
На фиг. 6 - принцип пространственной развязки расположенных по соседству в решетке микрополосковых антенн с помощью предложенной ячейки частотно-селективной поверхности.
На фиг. 7 - результат измерений параметра S21 структуры.
На фиг. 8 - расположение ячеек предложенного метаматериала в шахматном порядке с поворотом друг относительно друга для формирования частотно-селективной поверхности.
Метаматериал представляет собой ячейку частотно-селективной поверхности, состоящую из диэлектрической платы 1, с верхней стороны которой расположена микрополосковая меандровая линия 2, причем ширина W линии превышает ее период Т (фиг. 1). Ширина W меандровой линии 2 равна четверти длины волны на центральной частоте полосы задержки метаматериала. Базовый элемент микрополосковой меандровой линии - повторяющийся элемент меандровой линии, представляет из себя две прямоугольного профиля структуры, соединенные встречно (фиг. 1). Базовый элемент может быть также выполнен U- или V-образным.
В центральном слое диэлектрической платы выполнены щелевые линии 3 (фиг. 2), равномерно распределенные вдоль всей длины L микрополосковой меандровой линии 2 и ориентированные параллельно ее ширине W, имея при этом длину не меньше ширины W меандровой линии 2. Металлический экран 4 располагается с нижней стороны платы 1. Щелевые линии 3 отделены от микрополосковой меандровой линии 2 и от экрана 4 слоями диэлектрика 5 (фиг. 3).
Совокупно конструкция обеспечивает создание среды с отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей, что характеризует ее как метаматериал.
Ячейка может быть выполнена в форме квадрата (при этом длина L и ширина W микрополосковой меандровой линии равны).
Частотно-селективная поверхность на основе вышеописанных ячеек строится из n×n ячеек, разделенных между собой зазорами, ширина которых не превышает периода Т микрополосковой меандровой линии 2, что обеспечивает равенство потенциала смежных сторон соседних ячеек, и расположенных на плоскости общего металлического экрана в шахматном порядке таким образом, что каждая ячейка повернута относительно ячеек, располагающихся слева, сверху, справа и снизу от нее на 90 градусов по или против часовой стрелки (фиг. 8). Ячейки не имеют омического контакта между собой, но имеют общий экран 4 на обратной стороне платы 1, образуя тем самым частотно-селективную поверхность, обеспечивающую подавление электромагнитной волны, приходящей с любого направления в полосе частот, в которой значения электрической и магнитной проницаемостей приобретают отрицательные значения.
Таким образом, ячейки метаматериала заполняют всю плоскость, образуя частотно-селективную поверхность, имеющую полосу задержки в области частот, в которой электрическая и магнитная проницаемости метаматериала принимают отрицательные значения при любых падениях плоской волны на такую поверхность.
Метаматериал, представляющий собой ячейку частотно-селективной поверхности, работает следующим образом.
Микрополосковая меандровая линия имеет свойства фильтра низких частот (ФНЧ), тогда как щелевая линия имеет свойства фильтра верхних частот (ФВЧ). Последовательное включение ФНЧ и ФВЧ может создавать как широкодиапазонный полосно-запирающий фильтр, так и полосно-пропускающий фильтр в зависимости от взаимного расположения частот отсечки у ФНЧ и ФВЧ. Эти частоты определяются параметрами щелевой 3 и микрополосковой меандровой линий 2. Наличие же многочисленных периодически расположенных неоднородностей, имеющих резонансные свойства, по направлению распространения электромагнитной волны на протяжении как минимум четверти ее длины обуславливает создание искусственной среды с отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей в частотной области полосы задержки фильтра, образованного микрополосковой меандровой линией 2 и щелевыми 3 линиями, что является исключительным свойством метаматериала.
Были проведены вычисления эффективных значений электрической (фиг. 4) и магнитной (фиг. 5) проницаемостей ячейки в диапазоне частот 0,9-1,2 ГГц по измеренным значениям S-параметров по методике, предложенной в [Numan А.В. and Sharawi М.S. Extraction of material parameters of metamaterials using a full-wave simulator // IEEE Antenna and Propagations Magazine, Oct. 2013, No. 5, vol. 55, pp. 202-2011]. Из графиков фиг. 4 и 5 видно, что в указанном диапазоне на определенных частотах электрическая и магнитная проницаемости принимают отрицательные значения, что обуславливает частотно-запирающие свойства ячейки.
Одним из применений представленного метаматериала являются развязывающие устройства в антенных решетках (фиг. 6). В этом случае ячейка метаматериала должна быть помещена между антенными элементами таким образом, чтобы направление протяжения микрополосковой меандровой линий совпадало с осью, соединяющей центры антенных элементов. При этом микрополосковая меандровая линия должна лежать в одной плоскости с экраном, на который установлены антенные элементы. Расположенная таким образом ячейка метаматериала обеспечивает увеличение пространственной развязки между двумя антенными элементами в той частотной области, в которой значения электрической и магнитной проницаемостей приобретают отрицательные значения (фиг. 7).
Таким образом, ячейка метаматериала является развязывающим устройством, обеспечивающим подавление сигнала в полосе, в которой электрическая и магнитная проницаемости метаматериала принимают отрицательные значения.

Claims (5)

1. Метаматериал, представляющий собой ячейку частотно-селективной поверхности, состоящую из диэлектрической платы, на верхней стороне которой расположена микрополосковая меандровая линия, причем ширина линии превышает ее период, отличающийся тем, что диэлектрическая плата ячейки выполнена трехслойной, в ее центральном слое выполнены щелевые линии, равномерно распределенные вдоль всей длины микрополосковой меандровой линии и ориентированные параллельно ее ширине, имея при этом длину не меньше ширины меандровой линии, плата снабжена металлическим экраном, расположенным на ее нижней стороне, при этом щелевые линии отделены от микрополосковой меандровой линии и от экрана слоями диэлектрика.
2. Метаматериал по п. 1, отличающийся тем, что ширина микрополосковой меандровой линии равна четверти длины волны на центральной частоте полосы задержки метаматериала.
3. Метаматериал по п. 1, отличающийся тем, что базовый элемент микрополосковой меандровой линии выполнен прямоугольным, U- или V-образным.
4. Метаматериал по п. 1, отличающийся тем, что плата ячейки выполнена в форме квадрата.
5. Метаматериал по пп. 1, 2, 3, отличающийся тем, что он представляет собой частотно-селективную поверхность, состоящую из n×n ячеек, разделенных между собой зазорами, ширина которых не превышает период микрополоской меандровой линии, и расположенных на плоскости общего металлического экрана в шахматном порядке таким образом, что каждая ячейка повернута относительно ячеек, располагающихся слева, сверху, справа и снизу от нее на 90 градусов по или против часовой стрелки.
RU2015133291/28A 2015-08-10 2015-08-10 Метаматериал RU2594947C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015133291/28A RU2594947C1 (ru) 2015-08-10 2015-08-10 Метаматериал

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015133291/28A RU2594947C1 (ru) 2015-08-10 2015-08-10 Метаматериал

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2594947C1 true RU2594947C1 (ru) 2016-08-20

Family

ID=56697389

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015133291/28A RU2594947C1 (ru) 2015-08-10 2015-08-10 Метаматериал

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2594947C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU180959U1 (ru) * 2018-04-03 2018-07-02 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Устройство для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов
RU2666965C2 (ru) * 2016-12-19 2018-09-13 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Диэлектрический метаматериал с тороидным откликом
RU186370U1 (ru) * 2018-05-30 2019-01-17 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Широкополосный метаматериал

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103199347A (zh) * 2011-04-30 2013-07-10 深圳光启高等理工研究院 一种人造微结构
RU2511809C1 (ru) * 2012-11-06 2014-04-10 Закрытое акционерное общество "Инновационный центр "Бирюч"(ЗАО ИЦ"Бирюч") Термический метаматериал

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103199347A (zh) * 2011-04-30 2013-07-10 深圳光启高等理工研究院 一种人造微结构
RU2511809C1 (ru) * 2012-11-06 2014-04-10 Закрытое акционерное общество "Инновационный центр "Бирюч"(ЗАО ИЦ"Бирюч") Термический метаматериал

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2666965C2 (ru) * 2016-12-19 2018-09-13 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Диэлектрический метаматериал с тороидным откликом
RU180959U1 (ru) * 2018-04-03 2018-07-02 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Устройство для снижения отражения радиоволн на основе метаматериалов
RU186370U1 (ru) * 2018-05-30 2019-01-17 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Широкополосный метаматериал

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2019447B1 (en) Electromagnetic screen
TWI590523B (zh) 用於天線隔離的超材料
US9035817B2 (en) Electromagnetic wave reverberation chamber
Ortiz et al. Self-complementary metasurface for designing narrow band pass/stop filters
Deng et al. Design and performance of a double-layer miniaturized-element frequency selective surface
US20130214984A1 (en) Broadband electromagnetic band-gap (ebg) structure
KR20180030213A (ko) 다중 빔 안테나 어레이 어셈블리를 위한 메타물질 기반 트랜스밋어레이
Hajilou et al. Mutual coupling reduction between microstrip patch antennas
KR101751638B1 (ko) 전자파 흡수기
RU2594947C1 (ru) Метаматериал
US7737899B1 (en) Electrically-thin bandpass radome with isolated inductive grids
US10826188B2 (en) Electromagnetically reflective plate with a metamaterial structure and miniature antenna device including such a plate
Rahim et al. Design of X-band frequency selective surface (FSS) with band pass characteristics based on miniaturized unit cell
Vallecchi et al. Metasurfaces with interleaved conductors: Phenomenology and applications to frequency selective and high impedance surfaces
KR20160015199A (ko) Ebg 구조
Chandu et al. Reduction of mutual coupling in a two element patch antenna array using sub-wavelength resonators
Rashid et al. Three-dimensional monolithic frequency selective structure with dielectric loading
Buta et al. Applications of a frequency selective surface based on a combination of a jerusalem cross and a circular ring
Kukharenko et al. Methods for extension of the rejection band of microwave devices on the basis of planar modified mushroom-shaped metamaterial structures
CN108682963B (zh) 一种具有超高频率比的多频带频率选择结构设计方法
Fallah-Rad et al. Enhanced performance of a microstrip patch antenna using a high impedance EBG structure
Ionescu et al. Optimal design of mushroom-like EBG structures for antenna mutual coupling reduction in 2.4 GHz ISM band
Yelizarov et al. Simulation of a Frequency Selective Surface with Fractal Jerusalem Cross Unit Cells
KR101570749B1 (ko) 전자기파 흡수체
WO2019024354A1 (zh) 频率选择表面结构