Метаматериал в антенной технике

 

В последнее время значительно растет интерес к использованию метаматериалов в радиотехнических приложениях. Свидетельство тому – резкий скачок числа публикаций по данной тематике, фиксируемый в цифровой библиотеке сайта IEEE Xplore. Например, по состоянию на 1 мая 2010 года поиск по ключевому слову Metamaterial за период с 2001 по 2010 год позволил выявить 1545 публикаций, из которых более 72,7% (1124) приходится на последние три года. Аналогичные процессы происходят и в отношении антенной тематики – по запросу "Metamaterial & Antenna". Такой рост исследований в области антенных конструкций на основе метаматериалов должен неизбежно привести к качественным изменениям параметров технических решений и серийный изделий на их основе. Многие из результатов совместных усилий научного сообщества, прилагаемых в этой сфере, доступны на рынке уже сегодня.[7]

Метаматериалы в технике антенн сегодня в основном применяются для:

1)- Изготовления подложек и излучателей в печатных антеннах для достижения широкополосности и уменьшения размеров антенных элементов;

2)- Компенсации реактивности электрически малых антенн в широкой полосе частот, в том числе превышающей фундаментальный предел;

3)- Достижения узкой пространственной направленности элементарных излучателей, погруженных в метасреду;

4)- Изготовления антенн поверхностной волны;

5)- Уменьшения взаимного влияния между элементами антенных решеток, в том числе в MIMO-устройствах;

6)- Согласования рупорных и других типов антенн.

Не будем вдаваться в подробности антенной техники, но можно привести пример того, что метаматериалы способны снижать размеры традиционных излучателей, увеличивать их полосы пропускания и эффективность излучения. Т.е. в общих словах, метаматериалы могут антенную технику делать более компактной, при этом не теряя своих технических показателей. Можно отметить, что анализ известных направлений исследований в теории метаматериалов позволяет спрогнозировать появление антенных конструкций на основе активных и нелинейных метаструктур, теорию и технологии которых еще предстоит разработать. Учитывая успешное начало эры метаматериалов в антенной технике, сопровождавшееся открытием целого ряда замечательных эффектов, есть основания надеяться, что ее продолжение станет не менее впечатляющим.[7]

 

 

V. Заключение

 

За предыдущие 10-ки лет метаматериалы переживают настоящий расцвет. Спектр их возможностей ограничивается только нашим воображением.

Проблема, которая мешает распространять метаматериалы повсеместно, заключается в том, в сложности их создания. Ученые сейчас работают над тем, как бы облегчить данную задачу. Ведь теория метаматериалы носят по большому факту лишь более теоретический характер, нежели практический. А чтобы реализовывать все проекты нужно не мало денег и спонсирования. Однако на сегодняшний день очень многие заинтересованы в такой отрасли науки как метаматериалы. Некоторые, как мы выяснили, даже поступают в рамки государственных заказов.

Насущными технологическими проблемами являются уменьшение размеров исходных компонентов и снижение потерь для продвижения в коротковолновую область видимого света, а также кардинальное уменьшение стоимости производства. Организация промышленного выпуска метаматериалов должна быть достойным результатом нанореволюции.

Одним словом предстоит еще очень много работы в данном направлении науки.

 

 

Примечания:

1. - уравнение Максвелла.

2. Диэлектрическая проницаемость, величина, характеризующая диэлектрические свойства среды — её реакцию на электрическое поле.

3. Магнитная проницаемость — физическая величина, характеризующая связь между магнитной индукцией B и напряжённостью магнитного поля H в веществе.

4. Резонатор - колебательная система с резко выраженными резонансными свойствами.

5. Волновод - устройство или канал в неоднородной среде, по которым распространяются волны.

6. Акустические волны – это волны, имеющие продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны.

7. Анизотропия – (от греч. ánisos — неравный и tróроs — направление), зависимость физических свойств вещества (механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических) от направления.

8. Плоскопараллельная пластинка - ограниченный параллельными поверхностями слой однородной среды, прозрачной в некотором интервале длин волн λ оптического излучения.

9. Комплементарность — взаимное соответствие молекул биополимеров или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между пространственно взаимодополняющими (комплементарными) фрагментами молекул или их структурных фрагментов.

 

 

Список литературы:

1. О. Баклицкая. Метаматериалы для УЗИ. // Наука и жизнь. 2011. №2. С.29

2. С. Транковский. То чего на свете нет или оптические секреты метаматериалов. // Наука и жизнь. 2011. №2. С.113-117.

3. За гранью возможного. // New Scientist.2011. № 4. С.4-5.

4. И. Бычков. Угловой спектрометр для исследования метаматериалов. // Журнал Радиоэлектроники. 2011. №5. С.45-49.

5. Плащ невидимка. // GEO. 2011. №3. С.26.

6. О. Вольпян. Фотонные материалы: технология, аспекты их получения. // Sensor & System. 2010. №6. С.64-73.

7. В. Слюсар. Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты.// Первая миля. 2010. №3.С.31-35.

8. Леонид Левкович-Маслюк. Взгляд со всех сторон. // Коммерсантъ. 2008. №221 (4038). С.12-15.

9. Н. Розанов. Невидимость: за и против.// Природа. 2008. №6. С.56 - 57.

10. А. Шварцбург. Свет в конце туннеля. // Наука и жизнь. 2008. №8. С.34-39.

11. К. Сукулис. Поворачивая свет назад. Материалы с отрицательным показателем преломления.// Фотоника. 2007. №2. С.10-15.

12. О. Закутняя. Теория и практика Виктора Веселаго. // В мире науки. 2006. №12. С.67-69.

13. http://www.carbon-info.ru/articles/art1.php

14. http://www.nanometer.ru/2007/06/15/metamateriali_3578.html

15. http://nanotec.invur.ru/index.php?id=2260

16. http://lenta.ru/articles/2008/08/11/cloak/

17. http://all.offtopic.su/viewtopic.php?id=63

18. http://metamaterials.ru/

19. http://lenta.ru/articles/2009/08/18/cloak/

20. http://www.opticsinfobase.org/oe/home.cfm

21. http://lenta.ru/news/2010/07/23/cloack/

22. http://www.membrana.ru/particle/12055

23. http://www.mallex.info/science/Shapka-nevidimka-obrela-obxjom/

24. http://jre.cplire.ru/jre/may11/6/text.html

25. http://elementy.ru/news/431286

26. http://server.ihim.uran.ru/files/info/Nano%20mictroskop.htm

27. http://www.nanometer.ru/2007/03/08/microscopy.html

28. http://popnano.ru/news/show/3396

29. http://i-port.su/main/3361-sozdan-material-obespechivajushhijj-nevidimost.html

30. http://elementy.ru/lib/430392

31. http://lenta.ru/news/2011/02/02/invisible/

32. http://lenta.ru/news/2011/08/23/metamaterials/

 

Приложения:

Приложение 1.

Иллюстрации Л.И. Мандельштама - преломление луча: а) в обычной среде, б) в среде, где групповая скорость волн отрицательна.

α -угол падения, β - угол преломления. n₁- среда 1, n₂ – среда 2.

 

 

Приложение 2.

Металлическая сетка, созданная Джоном Пендри.

 

Периодическая структура, составленная Джоном Пендри из бесконечно тонких проводников так, так чтобы формировалась простая кубическая решетка, находящаяся под действием электромагнитного излучения. В типичном примере использовались проводники диаметром несколько десятков микрон, расположенные на расстоянии нескольких миллиметров и облучаемые полем гигагерцевой частоты.

 

Оптимизированная трехмерная ячейка метаструктуры Пендри.

 

 

Приложение 3.

Металлическая сетка созданная Дэвидом Смитом

 

Сетка Дэвида Смита, составленная из листов медной сетки и расположенных в несколько слоев. Размер ячеек чуть больше 2,5 миллиметра. Выбрав ячейки должным образом, Смит добился того, что этот медный "пирог" стал для электромагнитных волн с частотой 10 гигагерц материалом с отрицательным коэффициентом преломления.

 

Проводник

Диэлектрик

 

Двойной кольцевой резонатор

 

 

Приложение 4.

«Невидимый Танк» на британском испытательном полигоне в 2011 году

 

 

 

 

Приложение 5.

Представление первого трехмерного метаматериала

 

Структура нового слоёного полупроводникового материала поворачивает световой луч в обратную сторону, а это может пригодиться при создании необычных устройств.

 

Приложение 6.

а)- Пример структуры метаматериала с отрицательным значением ε; а – постоянная решетки. б)- Некоторые типы плоских резонаторов СВЧ диапазона, применяемые в метаматериалах.

 

а)

 

Типичные размеры резонаторов, настроенных на частоту ~10ГГц, таковы: диаметр ≈3 – 4 мм, размер щелей ≈0,4x0,2 мм2. Обычно резонаторы изготавливают методами травления меди с фольгированного стеклотекстолита

б)

 

 

Приложение 7.

 

Влияние левосторонних сред на собирающую (зеленую) и рассеивающую (желтую) линзу. Здесь четко показано, что в левосторонней среде, собирающая линза, вместо того чтобы «собирать», рассеивает, а рассеивающая, вместо того, чтобы «рассеивать» «собирает».

 

 

Приложение 8

«Обтекание" предмета светом»

Световые волны огибают металлический шар, покрытый слоем диэлектрика. Шар становится невидимым — он световой поток не отражает, не поглощает и не преграждает.

Градиентный слой диэлектрика, нанесённый на поверхность тела, рассеивающего электромагнитные волны металлического шара. Волны определённой части спектра, падая на шар, не рассеиваются, но, обогнув его по диэлектрическому слою, продолжают распространяться в прежнем направлении.

 

Слой диэлектрика

Падающий свет

 

Приложение 9.

Суперлинза, изобретенная группой Жанга.

Вытравленное изображение под действием УФ-излучения

Ширина 35 нанометров

 

 

Ультрафиолетовое излучение

Наноструны, помещенные перед суперлинзой

 

 

Приложение 10.

 

Дырчатый трехмерный метаматериал.

Конструкция состоит из 1600 полых медных трубок диаметром около миллиметра, упакованных в 16-сантиметровый брусок с квадратным поперечным сечением (6,3 см). Такая структура ловит исчезающие волны и, прогоняя по трубкам до конца бруска, помогает восстановить нужные детали на изображении. Устройство можно установить на ультразвуковом зонде.

 

Приложение 11.

А)

Схема и микроснимок "рыбацкой сети", из которой сделана призма. В призме 21 чередующийся слой серебра и фторида магния.

 

 

Б)

Наращенные нанонити.

«Поры» из оксида алюминия