Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 20
1.1 Искуственные магнитодиэлектрики и метаматериалы 20
1.2 Электродинамические устройства на основе искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов 25
1.3 Микроволновые антенные коллиматоры 37
1.4 Планарный магнитодиэлектрический волновод 38
1.5 Излучение антенн бегущей волны 41
1.6 Диэлектрические стержневые антенны 43
Глава 2. Исследование листовых образцов магнитодиэлектриков со спиральными включениями 49
Глава 3. Излучение из открытого конца полубесконечного круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода. Вариант магнито диэлектрической широкополосной антенны 75
Глава 4. Поля в волноводах, на основе метаматериалов и излучение антенн на их основе 82
4.1 Собственные волны планарного волновода из метаматериала 82
4.2 Излучение антенны на основе планарного волновода из метаматериала 84
4.3 Экспериментальное подтверждение эффекта обратного излучения 90
Глава 5. Стержневой диэлектрический облучатель с расширенной полосой рабочих частот 100
Глава 6. Исследование распределения полей в рабочей зоне зеркального коллиматора МАК-5 111
Заключение 119
Список литературы 122
- Электродинамические устройства на основе искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов
- Планарный магнитодиэлектрический волновод
- Излучение из открытого конца полубесконечного круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода. Вариант магнито диэлектрической широкополосной антенны
- Излучение антенны на основе планарного волновода из метаматериала
Введение к работе
Актуальность темы
Развитие современной электродинамики требует исследования и разработки новых типов искусственных магнитодиэлектриков, обладающих более совершенными характеристиками и свойствами, которые невозможно достичь с использованием природных материалов: диэлектриков, ферритов и т.д. Благодаря их уникальным электрофизическим свойствам привычные электродинамические устройства приобретают новые качества, порой необычные и с более лучшими, чем при применении обычных материалов [1-6].
Так, в частности, это относится к облучателям коллиматоров [7-9].
Задача облучателя коллиматора - формирование на поверхности рефлектора заданного распределения амплитуды и фазы поля, как правило, постоянного в некоторой области и плавно спадающего к минимально возможным значениям на краях зеркала, в максимально возможной полосе частот. Это в свою очередь определяет максимальный размер рабочей зоны и широкополосность и соответственно электрические размеры объектов и антенн, исследуемых коллиматорным методом. Следовательно, задача увеличения рабочей зоны и расширения полосы частот является актуальной [9].
Основным требованием, предъявляемым к коллиматорам, является равномерность амплитудного и фазового распределения электромагнитного поля, создаваемого в рабочей зоне. Отличие электромагнитного поля в рабочей зоне коллиматора от поля плоской волны вызвано в основном дифракционными эффектами, обусловленными ограниченными размерами коллиматора и неравномерностью облучения зеркала коллиматора, вызванной направленностью облучателя. Кроме того, на поле в рабочей зоне влияют дефекты, связанные с погрешностями изготовления конструкции коллиматора, прямое излучение облучателя в направлении рабочей зоны, зависимость смещения фазового центра облучателя от частоты по отношению к фокусу коллиматора, отражение электромагнитной волны от оборудования безэховой камеры.
Распределение поля в рабочей зоне можно разделить на две составляющие [10]. Первая составляющая представляет собой плавно меняющуюся часть электромагнитного поля в рабочей зоне. Она обусловлена особенностями облучения коллиматора, которые определяются полем облучателя, отклонением отражающей поверхности зеркала коллиматора от поверхности параболоида вращения и неточным расположением фазового центра облучателя по отношению к фокусу коллиматора. Вторая составляющая представляет собой быстро меняющуюся часть электромагнитного поля в
рабочей зоне. Эта составляющая обусловлена в основном дифракцией на кромках зеркала коллиматора, прямым просачиванием поля облучателя в рабочую зону, отражением от стен и оборудования, размещенного в безэховой камере.
Уменьшить влияние дифракционных эффектов на поле в рабочей зоне возможно тремя способами:
выполнить края зеркала коллиматора в виде зубцов или плавно отогнуть;
за счет применения многозеркальной схемы;
путем применения облучателей со специальной формой диаграммы направленности и низким уровнем поля на кромках зеркала коллиматора. Первые два способа технологически сложны, поэтому третий способ кажется наиболее предпочтительным.
Характеристики облучателей, известных из литературы, оказываются на сегодняшний день практически исчерпанными. И применение их для облучения коллиматоров приводит к формированию неравномерных полей и высоким дифракционным составляющим на кромках зеркал. Поэтому возникает потребность в исследовании более сложных облучателей, включающих многослойные диэлектрики, искусственные композитные среды, обладающие одновременно диэлектрическими и магнитными свойствами магнитодиэлектрики, а также метаматериалы, на основе которых возможно построение облучателей с более релевантными характеристиками.
К моменту начала выполнения работы публикации, посвященные формированию электромагнитных полей структурами, включающими искусственные магнитодиэлектрики и метаматериалы, только начали появляться. А ряд принципиальных вопросов, связанных с распространением электромагнитных волн в волноводах и антеннах из метаматериалов, недостаточно изучен. Вопрос об излучении антенн на основе волноводов из искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов в литературе ограничен несколькими десятками публикаций. Уникальные электрофизические свойства этих искусственных сред позволяют создавать антенны и облучатели с необычными характеристиками и порой с более лучшими, чем при применении обычных материалов [11-17].
Из всего вышесказанного следует актуальность темы диссертационной работы, направленной на изучение и разработку новых типов искусственных материалов - магнитодиэлектриков и метаматериалов. Изучение новых физических эффектов, присущих структурам с такими материалами. Исследование электромагнитных полей, формируемых облучателями, в состав которых входят диэлектрики, магнитодиэлектрики и метаматериалы.
Применение облучателей для формирования полей коллиматоров и исследование электромагнитных полей в рабочей зоне коллиматора с целью ее увеличения и расширения частотного диапазона, что приведет к возможности измерения характеристик рассеяния электромагнитных волн электрически более размерными объектами и параметров антенн. Эти вопросы являются актуальными для задач авиации (в частности для Стеле- технологий), связи и электромагнитной совместимости.
Цели работы
Экспериментальное исследование листовых образцов магнитодиэлектриков со спиральными включениями.
Исследование электромагнитных полей в дальней зоне, формируемых магнитодиэлектрической антенной на основе отрезка двухслойного магнитодиэлектрического волновода, возбуждаемого коническим рупором. Разработка широкополосной антенны.
Теоретическое и экспериментальное изучение распространения электромагнитных волн в волноводах из метаматериалов с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостеи и излучения антенн на их основе.
Теоретическое и экспериментальное исследование полей стержневого диэлектрического облучателя в дальней зоне.
Исследование распределения электромагнитных полей в рабочей зоне коллиматора, в зависимости от полей облучателей.
Научная новизна
Исследованы электрофизические свойства листовых образцов искусственных магнитодиэлектриков и сделаны предложения о возможном их использовании для снижения боковых лепестков диаграмм направленности антенн, для корректировки полей в дальней зоне облучателей коллиматоров, в качестве элементов широкополосных облучателей коллиматоров, для формирования электромагнитных полей специальной формы.
Исследованы поля магнитодиэлектрической антенны. Показано, что наличие частотной дисперсии диэлектрической и магнитной проницаемостеи магнитодиэлектрика позволяет сформировать диаграммы направленности антенны специальной столообразной формы с низким уровнем боковых лепестков (менее -20 дБ) в полосе частот от 8 до 12 ГГц (±20% от средней частоты).
Теоретически исследовано распространение электромагнитных полей в планарном волноводе на основе метаматериала с отрицательными значениями
диэлектрической и магнитной проницаемостей. Показано, что такой волновод имеет критическую длину волны и при определенных условиях возникает двухмодовый режим, когда существуют на одной частоте прямая и обратная волна.
Впервые показано, что при излучении открытого конца волновода из метаматериала возникает эффект обратного излучения, т.е. формирование диаграммы направленности с задним лепестком, превышающим передний. Аналитически получено условие возникновения обратного излучения.
Впервые экспериментально подтвержден эффект обратного излучения при излучение прямоугольной двухслойной волноводной структуры из метаматериала с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей.
Предложен способ увеличения рабочей полосы частот стержневого диэлектрического облучателя за счет применения в его конструкции фторопластовой цилиндрической вставки. Численный расчет и эксперимент в безэховой камере показали, что использование фторопластовой вставки позволяет увеличить рабочую полосу частот с ±3.5 % до ±7.5% относительно средней частоты.
Численно исследованы поля в рабочей зоне коллиматора с использованием различных видов облучателей. В качестве облучателей применялись как стандартные облучатели коллиматора МАК-5 (конический рупор, облучатель с обратным ребристым фланцем), диэлектрический стержневой облучатель и магнитодиэлектрическая антенна. Показано, что при облучении зеркала коллиматора облучателем на основе магнитодиэлектрической антенны рабочую зону можно увеличить на 30% и более по сравнению с облучением стандартными облучателями в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц.
Достоверность результатов
Достоверность результатов определяется корректным использованием математических методов и физических моделей и хорошим совпадением результатов расчетов с результатами экспериментов в безэховой камере, а также публикациями результатов исследований в журналах, рекомендованных ВАК.
Научная и практическая ценность
На основе методов и подходов, развитых в работе, созданы образцы искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов, которые могут быть с успехом применены в качестве элементов антенн. Результаты исследования
возможности создания широкополосной магнитодиэлектрическои антенны с диаграммой направленности специальной формы, основанной на отрезке круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода, могут быть использованы в качестве прототипа для облучателей и антенн на основе магнитодиэлектрических структур, что имеет фундаментальное и практическое значение. А стержневая диэлектрическая антенна с расширенной полосой частот внедрена в качестве облучателя коллиматора МАК-5.
Исследование распространения электромагнитных волн в волноводах из метаматериалов с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей имеет фундаментальное значение. Максимум излучения антенн на основе такого волновода может быть расположен как в прямом, в обратном, так и в обоих направлениях одновременно. В случае расположения максимума в обратном направлении речь идет об эффекте обратного излучения. Практическая сущность эффекта может быть реализована в качестве сканирующей антенны с возможностью излучения в прямом, обратном и в обоих направлениях одновременно.
Исследования полей в рабочей зоне коллиматора носит как фундаментальный, так и практический интерес. В частности увеличение размеров рабочей зоны за счет применения облучателей со специальной формой диаграммы направленности приводит к уменьшению осцилляции распределения полей в пределах рабочей зоны, увеличивает ее размеры, что в свою очередь позволяет проводить измерения на коллиматоре более размерных объектов.
Основные положения, выносимые на защиту
Экспериментально показано, что частотная дисперсия диэлектрической и магнитной проницаемостей искусственного магнитодиэлектрика позволяет сформировать у магнитодиэлектрическои антенны (антенны на основе отрезка двухслойного волновода, стенки которого состоят из такого магнитодиэлектрика) диаграммы направленности, имеющие столообразную форму главного лепестка и низкий уровень боковых лепестков (ниже -20 дБ) в широком диапазоне частот (в частности ±20% от средней частоты).
Теоретически показано, что при облучении зеркала коллиматора такой магнитодиэлектрическои антенной кромки зеркала возбуждаются низким уровнем поля и в результате поле в рабочей зоне коллиматора имеет малые осцилляции, за счет чего размеры рабочей зоны увеличиваются на 30 % и более, а рабочий диапазон частот расширяется, по сравнению со стандартными видами облучателей.
Теоретически показано, что планарный волновод из метаматериала с отрицательными значениями относительной диэлектрической и магнитной проницаемостеи имеет критическую длину волны и найдены условия, при которых поддерживается режим, когда существуют на одной частоте прямая и обратная волна. Показано, что в случае возбуждения в волноводе обратной волны, при излучении антенны на основе такого волновода, задний лепесток диаграммы направленности больше переднего. В этом случае проявляется эффект обратного излучения. Условие обратного излучения получено аналитически.
Проведено экспериментальное исследование обратного излучения электромагнитных волн антенной на основе прямоугольного двухслойного волновода, внешний слой которого состоит из метаматериала, с одновременно отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостеи. В случае возбуждения обратной волны в волноводе проявляется эффект обратного излучения, т.е. формирование излучения в заднем направлении. При положительных значениях диэлектрической и магнитной проницаемостеи такого эффекта не наблюдалось.
Предложена конструкция стержневого диэлектрического облучателя с фторопластовой вставкой. Диаграмма направленности такого облучателя приближенно может быть представлена как сумма косинусоидальной диаграммы направленности стержня, воронкообразной диаграммы направленности втулки и косинусоидальной диаграммы направленности фторопластовой вставки. Диаграмма вставки, при определенной фазировке с суммарной диаграммой, позволяет сформировать диаграмму направленности облучателя специальной формы с главным лепестком столообразной формы в более широкой полосе частот (±7.5 % от средней частоты), чем без применения вставки. Это приводит к формированию распределения поля в рабочей зоне коллиматора с неравномерностью амплитуды не более 1 дБ и фазы не более 3 в этой полосе частот.
Проведен теоретический анализ распределения полей в рабочей зоне коллиматора в зависимости от типов облучателей. В частности: стандартные облучатели коллиматора МАК-5 (конический рупор, облучатель с обратным фланцем), стержневой диэлектрический облучатель с фторопластовой вставкой и магнитодиэлектрическая антенна. Из них наиболее равномерное поле в рабочей зоне коллиматора, с наименьшим уровнем осцилляции в широкой полосе частот, возникает при облучении зеркала коллиматора облучателем на основе магнитодиэлектрической антенны. Применение такой антенны позволяет увеличить рабочую зону на 30 % по сравнению со стандартными видами облучателей, применяемых ранее.
Апробация результатов
Результаты докладывались на следующих международных и российских конференциях:
Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -2002.
Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -2003.
Четвертая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2003.
Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -2004.
Пятая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2004.
Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -2005.
Шестая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2005.
Седьмая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2006.
9. Восьмая ежегодная конференции ИТПЭ РАН, Москва-2007.
Ю.Международная научная конференция «Излучение и рассеяние
электромагнитных волн» ИРЭМВ-2007, Таганрог-2007.
Девятая ежегодная конференции ИТПЭ РАН, Москва-2008.
Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2008", МГУ, Москва-2008.
Progress in Electromagnetic Research Symposium in Cambridge MA, USA, 2008.
Десятая ежегодная конференции ИТПЭ РАН, Москва-2009.
Международная научная конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2009, Таганрог-Дианоморское-2009.
Progress in Electromagnetic Research Symposium in Moscow, Russia, 2009.
The 3-rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwave & Optics. Metamaterials - 2009, London, UK.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 106 наименований. Общий объем 130 страниц, в том числе 65 рисунков и 2 таблицы.
Электродинамические устройства на основе искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов
Предсказание о возможном существовании веществ с отрицательным показателем преломления В.Г. Веселаго в 1967 году [20] побудило многих исследователей к созданию первых метаматериалов и СВЧ - устройств на их основе. В частности В.Г. Веселаго предложил устройство, получившее наименование «линзы Веселаго»: пластину толщиной d, которая изготовлена из вещества с є=-1 и х=-1, имеющего коэффициент преломления п=-1. В итоге изображение источника фокусируется в двух точках: одной - внутри слоя метаматериала, другой- вне его (Рис. 3). Поскольку входной импеданс поверхности равен 1, то от нее нет отражения, и вся энергия падающей волны переходит в преломленную волну.
В 2000 г. Дж. Пендри показал, что линза Веселаго, обладает также способностью переносить изображение предмета с точностью, не ограниченной дифракционным пределом (сверхразрешение) [21]. Он обратил внимание, что плоский слой метаматериала с є=-1 и ця=-1 обладает способностью усиливать экспоненциально затухающие волны. В качестве такого слоя, он выбрал пленку серебра, у которого значение диэлектрической проницаемости в оптическом диапазоне отрицательное. В этом случае на границе между пленкой и вакуумом может распространяться поверхностная волна, и возникают условия плазмонного резонанса, при котором колебания электронов в проводящем слое поддерживаются внешним электромагнитным полем.
А.Н. Лагарьковым и В.Н. Киселем впервые проведен эксперимент, продемонстрировавший эффект сверхразрешения [22]. Между двумя нитевидными источниками излучения и приемником помещалась плоская пластина, выполненная-из метаматериала с отрицательными значениями- є и р в. области частот 1.7 ГГц: Расстояние между источниками- составляло величину Х/6. Без пластины из метаматериала приемник регистрировал один-максимум электромагнитного поля. То же самое наблюдалось вне полосы частот, соответствующей отрицательным значениям є и р.. Измерения электромагнитного поля в полосе частот, где є и и. отрицательны, показали два- четко различимых максимума, поля, что доказывает эффект сверхразрешения.
В последнее время появилось большое число работ, посвященных проблемам создания волноводных устройств на основе метаматериалов. В частности Н. Энгета исследовал распространение волн в двухслойном волноводе из обычного и левого материала, ограниченного двумя металлическими поверхностями для случая тонких слоев [23]. Нефедов И.С. и Третьяков С.А. [24] теоретически изучили волноводные свойства плоского двухслойного волновода, содержащих слои, безграничные вдоль осей у и z, один из которых представлял собой левый материал, а другой обычную среду и показали, что в таком волноводе могут распространяться поверхностные волны на границе раздела между правой и левой средой. Баена и др. продемонстировали усиление и туннелирование бесконечно малых волн в прямоугольном волноводе, заполненном метаматериалом с отрицательными є и ц. И показали, что использование в качестве заполнения прямоугольного волновода чередующихся слоев правого и левого материала приводит к значительному снижению потерь и дисперсионных эффектов [25],[26]. Кори и Штром рассмотрели распространение электромагнитных волн в прямоугольном металлическом волноводе, заполненном слоями воздуха и левого метаматериала, и показали, что в диапазоне, соответствующем отрицательным значениям- коэффициента преломления, постоянная распространения становится комплексной даже в среде без потерь, что говорит об отсутствии потока энергии вдоль волновода [27]. В.В. Шевченко исследовал планарный волновод и показал, что в. таком волноводе могут распространяться как прямые, так и обратные волны [28]. С. Храбар-и др. показали возможность минитюаризации прямоугольного металлического волновода, за счет применения вставки из материала с отрицательным значением є [29]. Достойны внимания работы Б. Эдвардса и др. [30], показавших, что бесконечно тонкий волновод с є=0 и ц.=0 позволяет «туннелировать» волны с неограниченной частотой.
Интересны характеристики антенн, в состав которых входят искусственные среды. В частности, применение коаксиально вложенных друг в друга рупоров разных размеров, стенки которых выполнены из искусственного магнитодиэлектрика, позволяет создать многочастотную антенну [31]. В простейшем случае такая антенна состоит из двух слоев: внешнего — с металлическими стенками и внутреннего - со стенками из частотно-селективной поверхности. На низких частотах стенки внутреннего рупора радиопрозрачны и эффективные размеры рупора определяются стенками внешнего металлического рупора. На высоких частотах внутренние частотно-селективные стенки становятся отражающими, и волна распространяется в этом рупоре. Поэтому внешняя структура не играет роли и характеристики устройства определяются размерами внутреннего рупора. Такая рупорная антенна применялась в качестве облучателя зеркальной антенны. Ленгли Р.Дж. предложил конструкцию двухдиапазонного прямоугольного волновода [32] с магнитодиэлектриком помещенным внутри волновода, параллельно одной из узких стенок. На частотах нижнего поддиапазона магнитодиэлектрик радиопрозрачен, а на частотах верхнего поддиапазона он выполняет роль сплошной металлической стенки, т.е. электромагнитная волна верхнего частотного поддиапазона канализируется во внутреннем волноводе. Ли С.К., Лангли Р.Ж. и Паркер Е.А., исследовали зеркальную параболическую антенну. Внутренняя часть рефлектора является сплошной. Внешний, обод рефлектора представляет собой слой магнитодиэлектрика, отражающего электромагнитную волну нижнего диапазона облучателя, и пропускающего волны верхнего диапазона [33]. На. основе магнитодиэлектриков, также строятся плоские фокусирующие рефлекторы и линзы, а также отражательные антенные решетки с частотным сканированием. Большой вклад в эту область исследований внесли Касьянов А.О. и Обуховец В.А. [34]. В последнее время исследователи обращают внимание на искусственные магнитные проводники или Mushroom структуры, позволяющие минимизировать размеры антенн. Элементы таких структур напоминают грибы и являются плоскими резонаторами совместно с металлической подложкой, на которой они расположены. Исследованию этих структур посвящены работы Ю.Н. Казанцева, В.И. Аплеталина, B.C. Солосина [35], а также О. Лукконена, К.Р. Симовского и С.А. Третьякова [36].
Планарный магнитодиэлектрический волновод
Способом преодоления этих недостатков, присущих измерениям в дальней зоне, является существенное уменьшение расстояния между испытуемой и индикаторной антенной. В качестве решения.этой проблемы. предложен коллиматорный метод- измерений. Важнейшее достоинство состоит в том, что измерения с его помощью могут проводиться на расстоянии, в десятки и сотни раз меньшем, чем расстояние до границы дальней зоны.
Коллиматор- устройство (обычно в виде антенны с размерами апертуры, много большими, чем рабочая длина волны), создающее в области, где размещается испытуемый объект, электромагнитное поле, близкое к полю плоской волны. Такая область называется рабочей зоной. Расстояния между коллиматором и рабочей зоной составляет несколько метров, поэтому измерительные стенды с коллиматорами называются компактными полигонами [46]. Коллиматоры компактных полигонов, как правило, представляют собой параболические или сферические зеркала, преобразующие поле облучателя в поле плоской волны [47]. Также в качестве коллиматоров используют диэлектрические линзы [48], антенные решетки [49], а также голографические устройства [50],[51]. Первые отечественные коллиматоры были разработаны и исследованы под руководством Л.Д. Бахраха и А.П. Курочкина [45]. Первые измерения коллиматорным методом проводились в ближней зоне параболических антенн. Затем нашли применение коллиматоры, в качестве рефлектора которых использовалась верхняя половина параболоида, при этом облучатель менее затеняет и искажает поле в рабочей зоне. Такая конструкция с вынесенным облучателем используется и сейчас [47] (Рис. 4).
Значительно улучшить равномерность поля в рабочей зоне позволяют двухзеркальные коллиматоры, построенные по схеме Грегори и Кассегрена [52],[53]. Дополнительный рефлектор дает возможность использовать облучатели с менее широкой диаграммой направленности. Одной из основных причин неравномерности амплитуды и фазы поля в рабочей зоне являются дифракционные эффекты на краях зеркала коллиматора. Уменьшить влияние дифракционных эффектов возможно несколькими способами.
Писториус, Бурнсайд и др. [54],[55] предложили плавно отогнуть края зеркала коллиматора. Зеркало имеет центральную параболическую часть и гладко согласованный с ней переход специальной формы. Такая форма края зеркала позволяет осуществить постепенный переход свет-тень и обеспечить достаточно гладкое распределение поля в рабочей зоне. Однако реализация такой конструкции сложна, и связана с трудностями изготовления-поверхности с кривизной сложной формы. В результате, авторам. [55] удалось/уменьшить осцилляции поля в рабочей. зоне с 5 до 1- дБ. Вработе [56] предложен метод синтеза плавно загнутых краев рефлектора. В основу метода положено требование непрерывности кривизны и производных более высокого порядка в области соединения параболической поверхности рефлектора с эллиптической поверхностью загнутого края. Осцилляции поля не превышали 0.4 дБ.
Ли и Бурнсайд [57] выполнили; кромки зеркала коллиматора, в виде зубцов, тем самым уменьшив интенсивность, краевой волны. Неравномерность поля в рабочей зоне не превышала 2 дБ. В конструкции коллиматора предложенной Н.П. Балабухой и др. [58] боковые края зеркала образуют зубчатый край. У нижнего и верхнего краев зеркала был размещен радиопоглощающий материал, который создал эффект «вырезания» части поверхности. Начальная форма поглощающего покрытия и их расположение были выбраны с учетом соображения геометрической оптики. Коэффициент отражения радиопоглощающего материала, используемого в расчетах, составлял -15 дБ. Распределение поля в рабочей зоне не превышает 1.8 дБ, в то время как без использования радиопоглощающего покрытия колебания составляли 2.6 дБ. В работах Л.Д. Бахраха с соавторами показан способ улучшения характеристик коллиматоров с помощью неоднородных слоев с переменной радиопрозрачностью, наносимых по периферии рефлектора [59],[60]. Такой способ позволяет ослабить краевые волны коллиматора и повысить точность измерения характеристик антенн. Еще одним способом улучшения поля в рабочей зоне коллиматора является применение облучателей со специальной формой диаграммы направленности. Наряду с рефлектором коллиматора они оказывают влияние на распределение поля в рабочей зоне. Основная задача облучателя — создать на поверхности рефлектора заданное распределение амплитуды поля. Заданное - почти постоянное в области рабочей зоны и плавно спадающее к минимально возможным значениям на краях зеркала, в максимально возможной полосе частот. Облучатели коллиматоров, как правило, строятся на свойствах излучения открытого конца волновода с различными модификациями. Это могут быть рупорные антенны, диэлектрические антенны, антенны с ребристым фланцем. Рассмотрим основные виды облучателей коллиматоров для диапазона частот 8-10 ГГц, на примере широко используемого в России - коллиматора МАК-5. Зеркало коллиматора представляет собой несимметричную вырезку параболоида вращения, состоящего из 67 щитов, с фокусным расстоянием 3.5 м, поперечные размеры которого, 4.5 м на 5 м. Наиболее простым конструктивно и широко используемым является конический облучатель (Рис. 5а), состоящий из круглого волновода с волной Н]], который плавно расширяется в направление оси облучателя. Диаметр раскрыва рупора примерно равен длине волны.
Излучение из открытого конца полубесконечного круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода. Вариант магнито диэлектрической широкополосной антенны
Для разработки искусственных материалов необходима детальная информация о законах частотной дисперсии диэлектрической є и магнитной ju проницаемости композитных материалов с различными наполнителями в широкой полосе частот. К настоящему времени в мире разработан ряд методик измерения значений є и /л композитных материалов резонаторные, полосковые методики, методики измерения в коаксиальных ячейках и др. [90.],[91]. Эти методики измерения имеют ряд ограничений, связанных с шириной рабочей полосы частот, влиянием зазоров между образцом и измерительной ячейкой, размером образца, предельными значениями параметров образца.
Одним из наиболее перспективных методов измерения проницаемостей композитов на СВЧ является метод измерения листовых образцов в свободном пространстве. Данный метод основан на измерении комплексных коэффициентов прохождения и отражения плоского композитного образца с помощью векторных анализаторов цепей [92],[93]
Для измерения диэлектрической и магнитной проницаемости листовых материалов в СВЧ диапазоне частот в свободном пространстве обычно используется методика измерения, где измеряемый образец располагается между двумя фокусирующими элементами, в качестве которых, как правило, используются громоздкие и дорогостоящие линзовые или отражательные антенны [94]. При этом размер образца должен быть не менее 10 длин волн в свободном пространстве. Данное обстоятельство существенно затрудняет процедуру измерений параметров материалов в низкочастотной области СВЧ диапазона из-за ограниченного размера образцов.
Ранее в работе [95] была разработана методика измерения диэлектрической и магнитной проницаемости листовых материалов в ближней зоне рупорных антенн, основанная на измерении коэффициентов отражения с двумя типами нагрузок (к.з. и х.х.) и использовании метода компенсации паразитных переотражений. Однако последняя методика имеет ряд ограничений, связанных как с высокой погрешностью измерений образцов с высокими значениями диэлектрических потерь є" 100; так и с возможностью реализации процесса измерений пленочных образцов материалов, которые невозможно снять с подложки из-за неизбежного появления механических деформаций, влияющих на диэлектрические свойства материала.
Далее рассмотрена методика измерений коэффициента отражения и прохождения квазиплоской электромагнитной волны при нормальном облучении образцов материалов в СВЧ диапазоне частот, а также методика измерений электрофизических параметров (комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости) плоских листовых образцов материалов. Методика измерений обеспечивает измерение низких значений коэффициента отражения материалов до уровней минус 40 дБ с погрешностью не более 3 дБ и предельно высоких значений коэффициента отражения с погрешностью не более ± 0,2 дБ. Погрешность измерения коэффициента прхождения листовых образцов не превышает 2 дБ для малых значений прохождения вплоть до уровней минус 50 дБ, и не более ±0,1 дБ для предельно высоких значений коэффициента прохождения. Точность измерения электрофизических параметров плоских листовых образцов материалов определяется, в основном, точностью изготовления образцов материалов (однородностью толщины и состава по поверхности образца) и значением их электромагнитных потерь. Метод измерения основан на измерении коэффициентов отражения и прохождения квазиплоской электромагнитной волны плоского образца материала с помощью линзовых рупорных антенн и векторного анализатора цепей ZVA40 фирмы Rohde&Schwarz. Измерения проводятся для образца, расположенного на круглой диафрагме в плоском металлическом экране, расположенном в ближней зоне между линзовыми рупорными антеннами. Неравномерность фазы в плоскости раскрыва диафрагмы не превышает значения 7г/8, неравномерность амплитуды в центральной зоне дифрагмы — не более 1 дБ, что дает основание считать, что диафрагма формирует ограниченный в пространстве квазиплоский волновой пучок [46]. Перед началом измерений S параметров производится специальная процедура калибровки диафрагмы, заключающаяся в измерении матриц двух комплексных сигналов - BGR (фон) и RESP (стандартный отклик) (см. табл.1).
Излучение антенны на основе планарного волновода из метаматериала
Целью этойтлавы является экспериментальное подтверждение эффекта обратного» излучения электромагнитных волн на примере антенны в виде прямоугольной: трубки из метаматериала толщиной d с отрицательными значениями действительных частей" относительных диэлектрической и, магнитной проницаемостей. Сущность эффекта заключается в излучении антенной структуры в обратном направлении. На основе численного моделирования (Метод моментов) [103] и измерений диаграмм направленности в дальней зоне в безэховой камере показано, что такое излучение возможно только, при отрицательных значениях действительных частей относительных диэлектрической и магнитной проницаемости метаматериала. Однако при положительных значениях такая антенна ведет себя как обычная диэлектрическая антенна и излучает в главном направлении. Геометрия антенны на основе волновода в виде трубки из метаматериала представлена на рис. 1. Антенна возбуждалась стандартным коаксиально-волноводным переходом 10-см диапазона длин волн с поперечным размером волновода 50x25 мм. Длина трубки L=150 мм. Средний слой выполнен из пенополистирола (пенопласт), относительная диэлектрическая проницаемость, которого близка к 1. На фотографии (рис. 2) показана исследуемая антенна.
Параметры образца метаматериала подобраны таким образом, чтобы обеспечить резонанс диэлектрической и магнитной проницаемости на частоте близкой к 3 ГГц. Экспериментальная частотная зависимость эффективных материальных параметров образца, пересчитанные по формулам Френеля из измеренных значений S-параметров (комплексных коэффициентов отражения и прохождения) плоского образца метаматaериала представлены на рис. 3 (пунктир - действительная часть, сплошная кривая - мнимая часть). Подробное описание образца метаматериала приведено в Главе 2. Как показывает опыт исследования листовых материалов [87], [13], результаты измерений для двух слоев и более, от приведенных на рис. 2 принципиально не отличаются и здесь не приводятся. Окрестность частоты 3 ГГц является областью отрицательных значений относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериала. Рассмотрим поля, распространяющиеся в волноводной части антенны. Приближенно можно считать, что расчет характеристик прямоугольного волновода из метаматериала можно свести к расчету характеристик планарного [64]. Поля ТЕ- типа в волноводной части антенны (в трубке из метаматериала) представим с помощью продольных составляющих вектора Герца: /2- продольное волновое число, Аго- волновое число в вакууме, г0,Соотносительная диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума, ,//-относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость метаматериала; А,В, QD- коэффициенты. Здесь и далее временной множитель е ш опущен. Составляющие полей, выражаются через векторы Герца. Граничные условия непрерывности тангенциальных компонент на границах раздела х=а} и x=aj п озволяют получить характеристические уравнения для ТЕ- волн. Также необходимо использовать условие непрерывности продольного волнового числа h. Характеристическое уравнение позволяет найти продольное волновое число h и типы волн распространяющихся в прямоугольном трубчатом волноводе из метаматериала. график зависимости полного потока мощности Sj; (Интеграл от вектора Пойтинга по поперечному сечению волновода и окружающего пространства) от толщины трубки d, для частоты 3 ГГц (область отрицательных значений относительной диэлектрической и магнитной проницаемости метаматериала), показан на Рис. 4. Как видно полный поток мощности Sjr может быть положительным (d 10 мм), отрицательным (d 10 мм) и равным нулю (d&10 мм). На основе численных расчетов методом моментов [103] (пунктирные кривые) и измерений диаграмм направленности в безэховой камере ИТПЭ РАН (сплошные кривые) антенны на основе волновода в виде прямоугольной трубки из метаматериала, возбуждаемой коаксиально-волноводным переходом, на частотах близких к резонансной частоте метаматериала 3 ГГц, продемонстрированы диаграммы направленности при излучении такой антенны (зависимость амплитуды напряженности поля от направления от угловой координаты в, обозначенной на Рис Л) На рис. 5-10 представлены нормированные диаграммы направленности на максимальное значение в дБ. Расхождения между измеренными и расчетными диаграммами направленности могут достигать до 5 дБ. Проследим эволюцию диаграмм направленности антенны на основе такого волновода в зависимости от толщины трубки d. При толщине трубки d до 10 мм полный поток мощности положителен (Рис. 5). В волноводе распространяется, согласно [71], прямая волна в направлении 0. На рис. 5 показана диаграмма направленности антенны на основе трубки из метаматериала толщиной d=5 мм на частоте 3 ГГц.
