Двокомпонентні метаматеріали і мікросмужкові антени на їх основі

Abstract

Дана дисертація присвячена теоретичному й експериментальному дослідженню ефективних електродинамічних властивостей двокомпонентних метало-діелектрич-них метаматеріалів у надвисокочастотному (НВЧ) діапазоні, а також створенню кон-цепції мініатюризації мікросмужкових прямокутних антен НВЧ-діапазону з підклад-ками на основі зазначених метаматеріалів із поліпшеними характеристиками ближ-нього і далекого полів. Розглянуті в дисертації метаматеріали являють собою ізотропні діелектрики (матриці) з періодично вбудованими в них металевими включеннями циліндричної або сферичної форми. У дисертації були окремо розглянуті випадки немагнітних (мідних) металевих включень і феромагнітних (залізовмісних) металевих включень. У другому випадку розглядалися режими повного та часткового намагнічування фе-ромагнітних включень під дією зовнішнього постійного магнітного поля з позицій розповсюдження електромагнітних хвиль як у напрямку зовнішнього магнітного поля, так й перендикулярно до цього напрямку. Дисертація складається з шести розділів. Перший розділ присвячений огляду літератури за темою дисертації та обґрунту-ванню вибору напрямку дослідження, його мети, а також завдань, які необхідно розв’язати для досягнення мети. Другий розділ дисертації присвячений створенню теорії ефективного середо-вища для безмежного ізотропного діелектрика з періодично вбудованими в нього не-магнітними металевими включеннями циліндричної і сферичної форми. Уперше отримані мікрохвильові наближення для ефективних електромагнітних відгуків для таких композитних середовищ. Уперше показано, що в НВЧ-діапазоні ці композитні середовища мають приріст ефективної відносної діелектричної проник-ності і діамагнітну ефективну відносну магнітну проникність, а також володіють ни-зькими як діелектричними, так і магнітними втратами. Уперше дано фізичне пояснення явища приросту ефективної відносної діелект-ричної проникності та явища діамагнітної ефективної відносної магнітної проникно-сті для розглянутих в даному розділі безмежних немагнітних мета матеріалів. Третій розділ дисертації присвячений експериментальному підтвердженню тео-рії, створеної у другому розділі. З цією метою було виготовлено композитні матеріали у вигляді діелектричних матриць паралелепіпедної форми з періодично вбудованими в них металевими включеннями циліндричної форми. Також даний розділ присвячений вимірюванням ефективних проникностей та-ких метаматеріалів. У розділі розроблений і практично апробований новий та недо-рогий метод вимірювання ефективних проникностей метаматеріалів. Уперше експе-риментально показано, що метаматеріали у вигляді діелектричних матриць правиль-ної форми з періодично вбудованими в них металевими включеннями циліндричної форми мають такі властивості:– приріст дійсної частини ефективної відносної діелектричної проникності і діамагнітний характер дійсної частини ефективної відносної магнітної проникності; – приріст дійсної частини ефективної відносної діелектричної і магнітної проникностей у випадку феромагнітних металевих включень; – такі метаматеріали можуть бути використані для поліпшення характеристик дале-кого поля мікросмужкової антени при повному покритті її випромінювального еле-менту (патча) цими матеріалами; – S-параметри даних метаматеріалів містять аномальні піки, що є обумовлені розмірним резонансом. Четвертий розділ дисертації присвячено аналітичному дослідженню в НВЧ-діапазоні ефективних електродинамічних параметрів шаруватих метал-діелектрич-них композитів та розробці чисельно-аналітичного алгорітму пошарової декомпо-зиції плоских композитних/метаматеріальних середовищ. Показано, що плоскі метало-діелектричні композитні середовища характеризу-ються приростом дійсної частини ефективної відносної діелектричної проникності і діамагнітною дійсною частиною ефективної відносної магнітної проникності, при-чому дані ефекти виявляються сильнішими, якщо в композиті можна виділити елеме-нтарну комірку, тобто якщо композит є метаматеріалом. П'ятий розділ присвячено створенню теорії ефективного середовища для безмежного ізотропного діелектрика з періодично вбудованими в нього феромагнітними металевими включеннями циліндричної і сферичної форм, намагнічений повністю або частково під дією зовнішнього постійного магнітного поля. Уперше отримані тензори ефективної магнітної проникності для таких магнітних метаматеріалів. Уперше показано, що метаматеріали в НВЧ-діапазоні мають такі властивості: – при повній магнетизації включень розповсюдження електромагнітної (ЕМ) хвилі в напрямку зовнішнього намагнічування або в напрямку, що є перпендикулярним до зовнішнього намагнічування, характеризується тим, що тангенс кута магнітних втрат поза резонансів коливається в межах 3 1 10 10  для циліндричних включень і є на два порядки вищим для сферичних включень; – при частковому намагнічуванні включень елементи тензора ефективної магнітної проникності мають малі магнітні втрати, причому в разі циліндричних включень такі втрати на два порядки вище, ніж в разі сферичних втрат; – при частковому намагнічуванні включень розповсюдження ЕМ-хвилі в напрямку зовнішнього намагнічування або в напрямку, шо є перпендикулярним до зовнішнього намагнічування, характеризується тим, що тангенс кута магнітних втрат поза резонансів коливається в межах 8 1 10 10  ; – як при частковому, так і при повному намагнічуванні включень, в залежності від напрямку розповсюдження ЕМ-хвилі, у розглянутих метаматеріальних середовищах виявляються ефекти, що супроводжуються: а) приростом дійсної частини ефективної відносної магнітної проникності; б) ультранизькими значеннями дійсної частини ефективного коефіцієнта заломлення; в) негативними значеннями дійсної частини ефективної відносної магнітної проникності. Теоретичні результати якісно підтверджуються експериментальними резуль- татами, які було отримано для феромагнітних включень і відображено в третьому розділі. У даному розділі також уперше отримано умова відсутності втрат у слабкому полі для композитних магнітних середовищ у вигляді безмежного ізотропного діеле- ктрика з періодично вбудованими у нього частково намагнічених металевих ферома- гнітних включень циліндричної і сферичної форми. Уперше показано, що при різних значеннях зовнішнього постійного магнітного поля дані магнітні метаматеріали можуть замикати проходження монохроматичних компонентів НВЧ-хвилі, забезпечувати її повне проходження в заданому діапазоні частот або інвертувати її фазу. Отримані вище результати дозволяють використовувати досліджувані магнітні метаматеріали для синтезу штучних феритів НВЧ-діапазону, які можуть бути вико- ристані для: – створення метаферитних ізоляторів, метаферитних фазообертачів і метаферитних циркуляторів НВЧ-діапазону; – створення керованих метаповерхонь НВЧ діпазону; – створення альтернативних до вже існуючих НВЧ-фільтрів, конверторів і ретрансляторів/транспондерів ЕМ-хвиль; – створення компактних бездротових систем передачі електромагнітної енергії в НВЧ-діапазоні з високими значеннями коефіцієнта корисної дії. Шостий розділ дисертації присвячено розробці принципів мініатюризації мікросмужкових прямокутних антен НВЧ-діапазону з подальшим поліпшенням ха- рактеристик ближнього та далекого полів таких антен. Уперше показано, що можна домогтися суттєвої мініатюризації профілю пря-мокутної мікросмужкової антени і поліпшення її коефіцієнта посилення за потуж-ністю і коефіцієнта корисної дії при використанні в якості підкладки метаматеріалів або композитів з приростом ефективної відносної діелектричної проникності і/або ефективної відносної магнітної проникності. Причому, поліпшення даних параметрів антен також відбувається при збільшенні кількості метаматеріальних шарів у випадку композитних підкладок, при збереженні об'ємного профілю антени. У даному розділі вперше отримані основні співвідношення між резонансною ча-стотою хвилі і бажаною товщиною метаматеріальної підкладки антени або резонанс-ною довжиною хвилі і бажаним значенням ефективної відносної діелектричної про-никності метаматеріальної підкладкою в припущенні мінімально можливого об'ємного профілю антени з немагнітною підкладкою з приростом ефективної віднос-ної діелектричної проникності. Також у даному розділі вперше показано, що при заміні діелектричної підкладки на метаматеріальну підкладку з приростом ефективної відносної діелек-тричної проникності або ефективної відносної магнітної проникності інтенсивність полів у ближній зоні істотно зменшується, що відкриває широкі перспективи для використання таких метаматеріальних антен у мобільному зв'язку, а також при ви-робництві гаджетів. При цьому, найбільш корисним виявляється використання ба-гатошарових немагнітних композитних підкладок, що містять один магнітний мета-матеріальний шар.