Частотно-селективная высокоимпедансная поверхность на основе метаматериала



Частотно-селективная высокоимпедансная поверхность на основе метаматериала
Частотно-селективная высокоимпедансная поверхность на основе метаматериала
Частотно-селективная высокоимпедансная поверхность на основе метаматериала
Частотно-селективная высокоимпедансная поверхность на основе метаматериала

 


Владельцы патента RU 2585178:

Кухаренко Александр Сергеевич (RU)

Использование: для создания частотно-селективной высокоимпедансной поверхности. Сущность изобретения заключается в том, 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, емкостные зазоры выполнены в виде микрополосковых копланарных линий. Технический результат: обеспечение возможности создания частотно-селективной высокоимпедансной поверхности, которая имеет отрицательные значения эффективной диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также поверхностный импеданс, перестраиваемый в данном частотном диапазоне, и существенно превосходящий волновое сопротивление свободного пространства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где

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;

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;

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.

Работа участка частотно-селективной высокоимпедансной поверхности осуществляется следующим образом.

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.

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.

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 S11 от 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.

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.

1. Частотно-селективная высокоимпедансная поверхность, содержащая 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, отличающаяся тем, что емкостные зазоры выполнены в виде микрополосковых копланарных линий.

2. Частотно-селективная высокоимпедансная поверхность по п.1, отличающаяся тем, что параллельно емкостным зазорам установлены сосредоточенные емкости.

3. Частотно-селективная высокоимпедансная поверхность по п.1, отличающаяся тем, что параллельно одному из емкостных зазоров установлены диоды-варикапы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к СВЧ электронике, в частности к частотно-селективным фильтрам. Широкополосный полосно-пропускающий фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую сторону нанесен полосковый проводник, частично расщепленный с одного конца.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано для подавления внеполосных и паразитных колебаний в трактах приемопередающих систем, в том числе высокой мощности, а также для грубого измерения частоты микроволнового излучения.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат - расширение полосы пропускания при уменьшении габаритов трансформатора.

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам. Соединение между антенным устройством и устройством радиосвязи содержит фланцевые участки, включающие в себя неконтактные противостоящие поверхности и участки волновода, проходящие через неконтактные противостоящие поверхности, каждый из которых выполнен для антенного устройства и устройства радиосвязи; дроссельную канавку, сформированную вне упомянутого участка волновода на любой одной или на обеих неконтактных противостоящих поверхностях антенного устройства и устройства радиосвязи, и волновод, сформированный из упомянутых участков волновода, противостоящих один другому, с просветом между ними в состоянии, в котором антенное устройство и устройство радиосвязи прикреплены один к другому, и неконтактные противостоящие поверхности непосредственно противостоят друг другу с просветом между ними и помещаются параллельно друг другу, и при этом фланцевые участки противостоят друг другу с промежутком между ними.

Изобретение относится к СВЧ-технике. Невзаимный схемный элемент содержит: ферримагнетик, который размещен поверх схемной платы, проводящую крышку, которая закрывает верхнюю поверхность ферримагнетика и выполнена как единое целое, множество соединительных частей, которые электрически соединяют проводящую крышку с множеством соответствующих линий передачи сигналов поверх схемной платы; и магнит, который прикладывает магнитное поле к ферримагнетику.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано как оконечная нагрузка в волноводных трактах с высоким уровнем мощности и в качестве эталонной измерительной согласованной нагрузки.

Многослойный полосно-пропускающий фильтр, относящийся к микроволновой и оптической технике, содержит параллельные слои диэлектрика резонансной толщины, каждый из которых отделен один от другого и от окружающего пространства прилегающими зеркалами.

Использование: для использования аттенюатор с фиксированным затуханием при измерениях в волноводных трактах с высоким уровнем мощности. Сущность изобретения заключается в том, что СВЧ-аттенюатор содержит металлический прямоугольный волновод, поглотитель и экран, при этом волновод выполнен с высотой b узкой стенки и шириной а широкой стенки, в котором образованы два сопряженных друг с другом идентичных плавных перехода длиной L переменной высоты, уменьшающейся до b2, поглощающая поверхность каждого перехода совмещена с поглощающей поверхностью поглотителя шириной s, расположенной на одной из широких стенок волновода, а отражающая поверхность перехода расположена на противоположной широкой стенке, при условии s<a, α=arctg((b-b2)/L), где α - угол наклона перехода.

Изобретение относится к технике СВЧ и представляет собой волноводный переключатель. Переключатель содержит концентрично расположенные статор и ротор с выполненными в них волноводными каналами, узел управления, устройство фиксации ротора относительно статора и исполнительное устройство.

Изобретения относятся к областям радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоэлектронной борьбы и могут быть использованы для создания устройств усиления и частотной демодуляции.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в устройствах измерительной техники. Технический результат - уменьшение продольного размера фотонного кристалла вдоль направления распространения электромагнитной волны до величины, меньшей длины волны основного типа. Для этого в качестве элементов волноводного СВЧ фотонного кристалла, образующих периодическую последовательность, используют диэлектрические слои, полностью заполняющие волновод по перечному сечению, и тонкие металлические пластины, частично перекрывающие сечение волновода и образующие зазор между пластиной и широкой стенкой волновода по всей ее длине, при этом зазоры между нечетными металлическими пластинами и волноводом расположены у верхней широкой стенки волновода, а зазоры между четными металлическими пластинами и волноводом - у нижней широкой стенки волновода. 4 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи. Технический результат изобретения заключается в повышении диапазона генерируемых колебаний, генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать устройства генерации с заданным количеством радиоканалов при любых заданных частотных характеристиках нагрузки. Способ генерации высокочастотных сигналов характеризуется тем, что нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, последовательно подключенный к цепи прямой передачи, цепь прямой передачи и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, и нагрузкой. Условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз и условия согласования одновременно выполняют на заданном количестве частот за счет выбора значений сопротивлений второго двухполюсника, реализующего сопротивление z0n источника сигнала генератора в режиме усиления, выполняют в соответствии с математическими выражениями. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и радиолокации. Технический результат изобретения заключается в обеспечении модуляции амплитуды и фазы высокочастотного сигнала при заданных зависимостях отношения модулей и разности фаз передаточной функции модулятора в двух состояниях управляемого нелинейного элемента, определяемых двумя уровнями управляющего низкочастотного сигнала. Способ амплитудно-фазовой модуляции высокочастотного сигнала характеризуется тем, что высокочастотный сигнал подают на модулятор, выполненный из четырехполюсника, управляемого двухэлектродного нелинейного элемента, источника управляющего низкочастотного сигнала и нагрузки, амплитуду и фазу высокочастотного сигнала изменяют путем изменения амплитуды управляющего низкочастотного сигнала на нелинейном элементе, при этом заданные зависимости отношения модулей и разности фаз передаточной функции модулятора и заданные зависимости модуля и фазы передаточной функции модулятора от амплитуды управляющего низкочастотного сигнала обеспечивают за счет выбора зависимости элемента матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника от частоты с помощью заданных математических выражений. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение предназначено для использования в селективных трактах радиоаппаратуры различного назначения. Фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца, и на вторую сторону также нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца. Проводники, образующие каждый из резонаторов фильтра, расположены на разных поверхностях подложки и закорочены противоположными концами. Согласно изобретению ширина полосковых проводников, образующих резонаторы, хотя бы у одного из них отличается не менее чем в 1.1 раза от ширины полосковых проводников других резонаторов. Изобретение обеспечивает расширение высокочастотной полосы заграждения при сохранении высокой технологичности конструкции. 3 ил.

Изобретение относится к усилению и демодуляции частотно-модулированных сигналов. Технический результат - увеличение линейного участка частотной демодуляционной характеристики и увеличение динамического диапазона при произвольных характеристиках нелинейного элемента, цепи внешней обратной связи и нагрузки. Для этого устройство выполнено из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, при этом четырехполюсник выполнен резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, подключенный к трехполюсному нелинейному элементу по последовательно-параллельной схеме, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включена высокочастотная нагрузка в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением, резистивный четырехполюсник выполнен в виде T-образного соединения трех резистивных двухполюсников. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции высокочастотных сигналов в радиотехнических устройствах, телевидении, системах связи и радиоканалах передачи телекоммуникационных данных. Предлагаемый фильтр гармоник содержит n последовательно соединенных отрезков линии передачи одинаковой длины, параллельно которым подключены дополнительные отрезки линии передачи, длина которых в 2 раза больше, чем длина последовательно соединенных отрезков линии передачи. Волновые сопротивления всех отрезков линии передачи имеют одинаковую величину, которая в 2,3 раза больше, чем величина сопротивления нагрузок для фильтра гармоник. В предлагаемом устройстве повышение затухания во всей полосе заграждения и увеличение крутизны скатов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) достигнуто за счет того, что фильтр гармоник представляет собой структуру, в которой дополнительно введенные отрезки линии передачи обеспечивают прохождение высокочастотного сигнала по двум путям с различными фазовыми сдвигами. Это вызывает интерференцию высокочастотных сигналов в точках подключения дополнительных отрезков линии передачи, в результате чего образуются пульсации АЧХ как в полосе заграждения, так и в полосе пропускания. АЧХ предлагаемого фильтра гармоник по своей форме соответствует эллиптическому фильтру, в котором обеспечивается повышенное затухание во всей полосе заграждения и увеличение крутизны скатов АЧХ. 4 ил.

Изобретение относится к технике СВЧ. Полосно-пропускающий фильтр содержит прямоугольный металлический корпус 1, образованный параллельными плоскими стенками 2, запредельный для центральной частоты фильтра, n металлических стержней 3, число которых равно порядку фильтра, расположенных параллельно друг другу и разделенных диэлектрическими промежутками 4, причем одни концы соседних металлических стержней 3 присоединены к противоположным плоским стенкам 2, а концы крайних металлических стержней 3 присоединены к центральным проводникам 5 коаксиальных присоединителей 6 внешних линий передачи, оболочки 7 присоединителей 6 соединены с корпусом 1. Фильтр имеет n плоских конденсаторов 8, образованных каждый диэлектрической пластиной 9 с металлизированными параллельными поверхностями 10, формирующими обкладки конденсаторов, другие концы стержней 3 присоединены к первым обкладкам конденсаторов 8, вторые обкладки которых расположены на стенках корпуса 2. Емкость С конденсаторов 8 определяется из предложенного соотношения, связывающего длину металлических стержней 3, лежащую в пределах от 1/7 до 1/10 длины волны λ на центральной частоте ω0 полосы пропускания фильтра, скорость света в вакууме, диаметр стержней 3, расстояние между параллельными металлическим стержням 3 плоскими стенками 2. Изобретение обеспечивает смещение ближайших паразитных полос пропускания фильтра в более высокочастотную область, превышающую 4-5 значений центральной частоты полосы пропускания. 2 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот. Технический результат изобретения заключается в повышении диапазона генерируемых колебаний, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные устройства генерации для средств радиосвязи с заданным количеством радиоканалов. Способ генерации высокочастотных сигналов основан на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, взаимодействии высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, выполненной из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузкой и цепью внешней обратной связи, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, условий согласования цепи прямой передачи с нагрузкой и условий согласования нагрузки с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, при этом нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, подключенный к цепи прямой передачи по параллельно-последовательной схеме. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к микрополосковым корректорам АЧХ. Микрополосковый корректор содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещено металлическое основание, а на другой стороне первый проводник, концы которого являются входом и выходом корректора, и второй проводник, один конец которого подключен к первому проводнику через первый резистор, второй конец - через второй резистор. Длины проводников между точками подключения резисторов одинаковы, а волновые сопротивления микрополосковых линий, образованные первым и вторым проводниками между точками подключения резисторов, выбраны больше сопротивлений входа и выхода, а проводимость общей линии должна быть равна входной проводимости исходя из условия 1/Z1+1/(R+Z2)=1, где Z1 - нормированное волновое сопротивление первого проводника, Z2 - нормированное волновое сопротивление второго проводника, R - нормированное сопротивление резисторов. Технический результат - улучшение согласования, уменьшение габаритных размеров. 2 ил.
Наверх