МЕТАМАТЕРИАЛЫ В АНТЕННОЙ ТЕХНИКЕ ИПА РАН 26.03.2014 Метаматериалы в антенной технике 1 С. Б. Глыбовский. - презентация

1 МЕТАМАТЕРИАЛЫ В АНТЕННОЙ ТЕХНИКЕ ИПА РАН Метаматериалы в антенной технике 1 С. Б. Глыбовский

2 Содержание Введение Отражательные решетки Проходные решетки Покрытия из нано - антенн Линзы из метаматериалов Проволочные среды Высокоимпедансные поверхности Метаматериалы в антенной технике 2

3 Введение Метаматериалы в антенной технике г. Виктор Георгиевич Веселаго описал электромагнитные свойства материалов с отрицательными ε и μ 90 е годы – исследования композитов с включениями : John Pendry, Phys. Rev. Lett – возможность существования субволновой линзы на основе отрицательного закона преломления David Smith, Science, 2001 – первое экспериментальное подтверждение существования отрицательного закона преломления … эпоха метаматериалов

4 Введение Метаматериалы в антенной технике 4 Метаматериал – композитный материал из искусственных частиц с электромагнитными свойствами, не присущими естественным материалам a

5 Основные типы антенн 5 Метаматериалы в антенной технике Слабой направленности (< 10 dBi): Диполи, рамки, микрополосковые, квадрифилярные и т. д. Применение : мобильная связь, передача данных, оповещение, метки Средней направленности : ( dBi) Рупоры, спиральные, широкополосные антенны типа Вивальди и др. Применение : базовые станции, измерения, облучатели Остронаправленные : (>20 dBi) Зеркальные, линзовые, антенные решетки. Применение : космические исследования и связь

6 Введение Отражательные решетки Проходные решетки Покрытия из нано - антенн Линзы из метаматериалов Проволочные среды Высокоимпедансные поверхности Метаматериалы в антенной технике 6

7 Отражательные решетки 7 Метаматериалы в антенной технике Параболические антенны : Простые методы анализа и синтеза Массивные, требуют специальной формы отражателей, ограничены диапазон и скорость сканирования Антенные решетки : Планарные, быстрое управление лучом Сложность разработки, потери в цепи питания элементов Отражательные решетки – новый тип антенн Планарные Малый вес Множество функций Интеграция с цепью управления

8 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 8 Berry, D. et al. The reflectarray antenna, IEEE TAP, Первая – ОР – волноводная: R. E. Munson and H. Haddad, U.S. patent 4,684,952, August Действительно планарной ОР делают элементы в виде микрополосковых антенн – Печатное исполнение

9 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 9 Необходимо сформировать плоский фронт отраженной волны путем регулировки фазы отражения от отдельных элементов Методы фазировки: Нагрузка – линия задержки За счет переменного размера За счет поворота элементов ( CP)

10 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 10 Примеры реализации отражательных решеток: Двухчастотная ОР, 3 м Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology Интеграция солнечной батареи и ОР для космоса NASA ОР на 77 ГГц – многослойная керамическая плата Антенный пост РЛО С-300

11 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 11 Разработка отражательных решеток Критерии : Диаграмма направленности Направление луча Коэффициент усиления КИП Полоса частот Кросс-поляризация Параметры разработки: Апертура (диаметр, форма) Положение облучателя (фок.расст.) ДН облучателя Тип элемента: МП, кольцо, диполь. Подложка (толщина, диэл.прон.) Метод фазировки (размер, поворот, линии задержки) КИП переливания КИП неравномерности

12 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 12 Разработка отражательных решеток – подбор параметров одиночного элемента Металлический экран Полосок Подложка Периодические граничные условия Падающая плоская волна Зависимость фазы коэффициента отражения от ширины полоска HFSS CST FEKO

13 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 13 Частотные свойства Диапазон частот – принципиально узкий Ограничивается двумя факторами : 1. Полоса элемента ( микрополосковый элемент имеет полосу 3-5% - резонанс ) 2. Пространственная разность фаз – частотно зависимая (8-16%) Полоса элемента: Широкополосное обеспечение фазы:

14 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 14 Фазовая ошибка, связанная с разностью фаз соседних элементов – падает с увеличением плотности решетки λ/2, 848 эл. λ/3, 1941 эл. Зависимость КУ от частоты: Фазовая ошибка от частоты: D = дюйма = ГГц / Rogers 5880 P. Nayeri et al. PIER C, 2011

15 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 15 Отражательные решетки могут иметь несколько частотных полос Для этого применяются вложенные резонансные элементы сразу нескольких размеров 1. Ka-диапазон (32 ГГц): Кольцевой резонатор – поворот элемента 2. C-диапазон (7.1 ГГц): Крест-диполь – настройка размером эл-та 3. X-диапазон (8.4 ГГц): Разомкнутая квадратная рамка – настройка положением щелей м: 692 диполей, 685 квадратов, колец A. Yu et al. IEEE APSURSI, 2010

16 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 16 Многолучевые отражательные решетки Способы одновременного синтеза нескольких максимумов ДН : Суперпозиция АФР: Поле в апертуре представляется в виде: Недостатки: Амплитудная ошибка: Ниже КУ Выше УБЛ Геометрический способ : Решетка делится на N подрешеток, каждая из которых создает луч в заданном направлении Недостатки : Подрешетки имеют меньшую апертуру Ниже КУ Выше УБЛ Выход: Численная оптимизация

17 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 17 Многолучевые отражательные решетки c управлением лучом 1. Механическое сканирование: По аналогии с зеркальными антеннами перемещение облучателя приводит к повороту диаграммы, однако при этом снижается КУ и растет УБЛ Необходимо изменять фазовое распределение 2. Электронное сканирование: Фаза отклика каждого элемента контролируется управляющим элементом. Например: ЦФВ 3. Гибридные способы: Увеличить диапазон перестройки, снизить стоимость решетки

18 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 18 Многолучевые отражательные решетки c управлением лучом Контроль фазы отклика отдельных элементов позволяет управлять лучом ДН : Mathieu Riel et al., IEEE TAP, 2007

19 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 19 Еще примеры отражательных решеток Разработаны при участии Михаила Ивановича Сугака ( ЛЭТИ ) ОР – замена бытовой спутниковой антенны Эскиз и Макет ОР на 5.45 ГГц С.В. Поленга, М.И. Сугак. Журнал Сиб.Фед.ун-та, 2011 Прототип ОР ММ-диапазона:

20 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 20 Отражательные решетки можно контролировать внешним источником света : Каждый резонансный элемент нагружен на варикап и фотоэлемент, в результате чего его фазу можно перестраивать, регулируя световой поток I. Shadrivov, P. Kapitanova, S. Maslovski, and Y. Kivshar PRL, Пример: фокусировка/дефокусировка/ изменение направления луча Применение : управляемая светом ОР

21 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 21 Решетки ММ и ТГЦ С повышением частоты растут потери в резонансных элементах, что не позволяет настраивать их фазу Резонансный МП - элемент Экв. схема : Диэлектрическая нерезонансная ОР на 100 ГГц – фактически – зонированная линза Payam Nayeri et al., IEEE AP-S, 2013

22 Отражательные решетки Метаматериалы в антенной технике 22 ОР бокового излучения Периодическая система излучателей ( АР ) может создавать луч диаграммы параллельно плоскости апертуры (End-fire-array) – развитие Удо - Яги Направление приема Цилиндрический облучатель Апертура ОР Фазировка ОР при помощи линий задержки US Patent, Aug 4, 1987, 4,684,952

23 Введение Отражательные решетки Проходные решетки Покрытия из нано - антенн Линзы из метаматериалов Проволочные среды Высокоимпедансные поверхности Метаматериалы в антенной технике 23

24 Проходные решетки Метаматериалы в антенной технике 24 Управляемая СВЧ цепь Облучатель Приемная решетка Передающая решетка Принцип работы проходной решетки Пассивная ПР на линиях задержки Активная ПР на 12 ГГц из ЧСС на ферроэлектрических варакторах Mohsen Sazegar et al., IEEE TAP, 2012

25 Введение Отражательные решетки Проходные решетки Покрытия из нано - антенн Линзы из метаматериалов Проволочные среды Высокоимпедансные поверхности Метаматериалы в антенной технике 25

26 Покрытие из нано - антенн Метаматериалы в антенной технике 26 Широкополосный захват света в сверхтонком полупроводниковом слое нм при помощи покрытия из нано - антенн Комп.модель ячейки Выигрыш в поглощении энергии до 30% в ИК-диапазоне и до 15% - в видимом Размер антенн – 160 нм НИУ ИТМО совместно с Aalto university Солнечные батареи на тонких пленках – гибкие, более практичные и дешевые в изготовлении, но менее эффективные, чем объемные

27 Покрытие из нано - антенн Метаматериалы в антенной технике 27 Разрабатываемые технологии для покрытий из нано - антенн Фокусированное ионное травление в золотой пленке 50 нм Матрица золотых нано-антенн Серебряные нано-антенны на фотодетекторе Аналогичная задача существует для повышения чувствительности ТГц детекторов

28 Введение Отражательные решетки Проходные решетки Покрытия из нано - антенн Линзы из метаматериалов Проволочные среды Высокоимпедансные поверхности Метаматериалы в антенной технике 28

29 Линзы из Метаматериалов Метаматериалы в антенной технике 29 Сферическая линза Люнеберга фокусирует излучение точечного источника на ее периферии. Для этого она должна быть неоднородна ( показатель преломления зависит от расстояния до центра сферы ): Стандартная реализация – Множество вложенных шаровых слоев с разным показателем преломления Требуется большое число слоев – высокая стоимость Объем полностью заполнен – значительный вес

30 Линзы из Метаматериалов Метаматериалы в антенной технике 30 Сферическая линза Люнеберга на основе диэлектрического метаматериала Разработана совместно СПбГПУ и ИТМО И.К. Мешковский, Д.В. Шанников, ПЖТФ, 2002 Сопровождение движущихся спутников Одновременная работа по нескольким спутникам Экспериментальный образец : Широкая полоса частот (5-15 ГГЦ ) Малый вес ( в 3-4 раза ниже многослойной линзы ) Состоит из одинаковых элементов Используется один материал Может быть изготовлена на 3D- принтере Радиальные диэлектрические штырьки переменного профиля образуют неоднородный материал

31 Линзы из Метаматериалов Метаматериалы в антенной технике 31 Планарная линза Люнеберга на основе сетки Между двумя периодическими структурами возможно замедление ТЕМ волны – меняется показатель преломления Carl Pfeiffer and Anthony Grbic, IEEE TAP, 2010 Линза Люнеберга фокусирует излучения источника на ее периферии

32 Линзы из Метаматериалов Метаматериалы в антенной технике 32 Массив из композитных линз Микаэляна Концепция искусственного неоднородного диэлектрика находит применение и для цилиндрических линз Неоднородная линза Микаэляна фокусирует излучение точечного источника, расположенного в торце цилиндра если : Распределение показателя преломления достигается использованием многослойной структуры с элементарной ячейкой определенной формы : А.М. Александрин, Ю.П. Саломатов. Доклады ТУСУРа, 2012

33 Введение Отражательные решетки Проходные решетки Покрытия из нано - антенн Линзы из метаматериалов Проволочные среды Высокоимпедансные поверхности Метаматериалы в антенной технике 33

34 Проволочные среды Метаматериалы в антенной технике 34 Среда из параллельных проводов круглого сечения, образующих решетку Структуру можно рассматривать как анизотропную (одноосную) среду с эквивалентными параметрами: E k Режимы работы : 1. f < fp – запредельный режим, экспоненц.затухание, ε reff fp – распространяющаяся волна, ε ref >0 fp - плазменная частота, зависит от геометрических параметров решетки

35 Проволочные среды Метаматериалы в антенной технике 35 Синфазная апертура при помощи проволочной среды В режиме ε ref =0: фазовая скорость в среде бесконечна : все лучи выходят из среды под углом, близким к нормали -> можно расположить точечный диполь внутри слоя и получить синфазную апертуру Лучи в слое из проводов: Точечный монополь: Экспериментальная реализация слоя из проводов: Bonefacic, D., Hrabar, S. et al, Microw. Opt. Technol. Lett, 2006

36 Проволочные среды Метаматериалы в антенной технике 36 Укороченная рупорная антенна за счет вставки из проволочного материала За счет бесконечной фазовой скорости можно реализовать фокусирующую вставку в рупор Оптимальный рупор для заданной длины имеет фиксированные размеры апертуры За счет вставки из проволочного метаматериала длину можно уменьшить с тем же КИП КУ короткого рупора равен КУ длинного: Не содержит диэлектрика! Удобно для космических систем. Hrabar, S. et al., Proc. IEEE APS 2008

37 Проволочные среды Метаматериалы в антенной технике 37 Антенна бегущей волны на волноводе с проволочным заполнением Бесконечная фазовая скорость дает антенну бегущей волны с синфазным раскрывом ! Типичная антенна бегущей волны: максимум излучения – под углом Излучающая линия передачи Волновод с проволочной средой реализует: Режим обратной волны Режим с бесконечной фазовой скоростью Режим с прямой волной частотное сканирование Hrabar, S et al., Proc. Meta 2008

38 Проволочные среды Метаматериалы в антенной технике 38 Система из близких разомкнутых проводов между двумя близкими пластинами играет роль замедляющей структуры – искусственный диэлектрик Для всенаправленности МП антенну нужно делать меньше – растет ε подложки – уменьшается полоса. Искусственный диэлектрик на замедляющей структуре дает широкополосность и всенаправленность одновременно Dmitry Tatarnikov, Topcon

39 Введение Отражательные решетки Проходные решетки Покрытия из нано - антенн Линзы из метаматериалов Проволочные среды Высокоимпедансные поверхности Метаматериалы в антенной технике 39

40 Высокоимпедансные пов - ти Метаматериалы в антенной технике 40 Планарные структуры, в т. ч. периодические – импедансные поверхности От импеданса зависит коэффициент отражения при отражении λ/4 Металлический экран (Е=0, Z=0) 0 0 при отражении h

41 Высокоимпедансные пов - ти Метаматериалы в антенной технике 41 Краевая емкость Для миниатюризации необходимо уменьшить объем элементарной ячейки – увеличить емкость и индуктивность Индуктивность контура Высокоимпедансная поверхность (грибная) Можно еще увеличить емкость:

42 Высокоимпедансные пов - ти Метаматериалы в антенной технике 42 Грибные поверхности могут легко изготавливаться в виде печатных плат, что делает их наиболее популярными в приложениях. Горизонтальный диполь над металлическим экраном – изображение в противофазе – трудно согласовать Горизонтальный диполь над поверхностью с высоким импедансом – изображение в фазе – легко согласовать! Dan Sievenpiper et al., IEEE MTT Trans.,1999

43 Высокоимпедансные пов - ти Метаматериалы в антенной технике 43 Вблизи резонанса поверхности с высоким импедансом блокируют поверхностные волны ( при возбуждении как электрическим, так и магнитным диполями ) ВИП подавляют поверхностные волны TE- и TM-типов – эффект запрещенной зоны Структура из метаматериала позволяет добиться развязки элементов антенной решетки! G. Poilasne, PIER, 2003

44 Высокоимпедансные пов - ти Метаматериалы в антенной технике 44 Конечные высокоимпедансные поверхности могут управлять ближним полем Это важно для уменьшения вредного действия устройств радиосвязи – работа была поддержана Nokia Research Center Результат измерения ближнего поля Область пониженного поля в ближней зоне S.A. Tretyakov et al, Improving antenna near-field pattern by use of artificial impedance screens, 2005

45 Высокоимпедансные пов - ти Метаматериалы в антенной технике 45 Другое применение – снижение краевых эффектов отражателя антенн Поверхностные волны затухают и не доходят до края – не портится форма ДН У обычной GNSS антенны – высокое боковое и заднее излучение – Ошибка измерения координат из-за многолучевости Промышленные GNSS антенны делают с подавлением многолучевости за счет высокоимпедансных поверхностей Происходит подавление краевых эффектов – ровная форма ДН – нет фазовых ошибок Плоская поверхность: Выпуклая поверхность:

46 Высокоимпедансные пов - ти Метаматериалы в антенной технике 46 Модели высокоточных GNSS антенн на высокоимпедансных поверхностях, имеющиеся на рынке В рамках работ по модернизации комплекса "Квазар-КВО" в июле 2010 г. на обсерватории Зеленчукская установлен совмещённый GPS/ГЛОНАСС-приёмник фирмы Javad GNSS Delta-G3T с антенной RingAnt-DM Choke Ring.

47 Метаматериалы в антенной технике 47 Спасибо за внимание!