XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Метаматериалы («мета» – по латыни «над») – искусственные композитные структурированные среды, электрический и магнитный отклик которых существенно отличается от отклика составляющих метаматериал сред – дают возможность создания сред со свойствами, недостижимыми в природе. Эти материалы представляют собой неоднородные среды, состоящие из поляризуемых частиц, расположенных регулярным или хаотическим образом в матрице, которая обеспечивает механическую целостность системы. Свое название они получили вследствие необыкновенно широких возможностей управления электрофизическими параметрами и присущих им уникальным электродинамическим свойствам.
Отклик метаматериалов на воздействие электромагнитной волны можно представить как отклик однородной среды (с помощью эффективных проницаемостей), если размеры поляризуемых частиц и расстояния между ними существенно меньше, чем длина волны.
Эффективные проницаемости метаматериала могут принимать значения, неосуществимые в природных однородных веществах.
Если частицы образуют регулярную решетку, а их размеры и расстояния между ними сравнимы с длиной волны, такие (мета) материалы называют фотонными кристаллами.
Отличительной особенностью фотонных кристаллов является наличие чередующихся спектральных полос прозрачности и непропускания.
Метаматериалы состоят не из атомов и молекул, как обычные вещества, а из микроструктур: крошечных, меньше микрона, искусственных металлических резонаторов.
Если размеры резонаторов намного меньше длины волны используемого излучения, электромагнитная волна распространяется в такой среде как в веществе с определенными диэлектрической и магнитной проницаемостями. Метаматериалы уже позволили существенно расширить область частот, на которых проявляются магнитные свойства материала, и сейчас речь идет о серьезном пересмотре основных представлений оптики: появились сообщения об изготовлении материалов с отрицательным показателем преломления, и линзах, позволяющих получать изображение с неограниченным разрешением.
Метаматериалы позволяют преодолеть дифракционный предел при создании и обработке изображений и открывают невиданные до сих пор возможности манипуляций со светом. Кроме того, очень перспективно применение устройств с использованием таких материалов в качестве сенсоров, имеющих большое прикладное значение в медицине, фармакологии, биологии и химии [4].

Разработка и применение метаматериалов

Инженеры из Университета Тафтса (штат Массачусетс) предложили эффективные технологии изготовления микроволновых метаматериалов с перспективами применения последних в телекоммуникациях, в GPS, радарах, мобильной технике и в биосовместимых медицинских устройствах.

Разработка метаматериалов для видимого света всё еще находится на ранней стадии из-за технических проблем, связанных с созданием нанометровых массивов антенн, но метаматериалы для микроволнового диапазона (сантиметровые волны) более удобны для изготовления с помощью широко распространённых методов.

Инновация, описанная в Nature Electronics, позволяет создавать метаматериалы с использованием недорогой струйной печати. Это делает предложенный метод широкодоступным и масштабируемым, а также обеспечивает возможность покрытия метаматериалами больших поверхностей и взаимодействие их биологической средой. Эта работа также впервые продемонстрировала, что органические полимеры можно использовать для электрической «настройки» свойств метаматериалов [5].

Классификация метаматериалов

По степени преломления

1. Одномерные метаматериалы состоят из слоёв элементов, которые расположены параллельно и имеют разные степени преломления. В них волна распространяется лишь в одном направлении.

2. Двумерные метаматериалы – это метаповерхности. В них распространение волны может происходить в двух направлениях.

3. Трёхмерные метаповерхности – метаструктуры – представляют из себя объёмную структуру (шар, куб и т.д.), расположенную в трёхмерном пространстве. Степень преломления в них постоянно меняется в трёх направлениях [2].

Использование метаматериалов в радиотехнических устройствах

Развитие устройств мобильной связи, эволюция систем радиолокации, радиоастрономии, радионавигации требуют новых принципов в построении и функционировании радиотехнических устройств. И одна из важнейших задач, стоящих на сегодняшний день перед учёными и инженерами, – это уменьшение массы и габаритов радиоэлектронных компонентов при одновременном повышении их энергоэффективности, надежности и функциональности. Революция технологий производства и проектирования в области микроэлектроники позволила добиться компактных размеров радиоэлектронных устройств. На данный момент применение метаматериалов в антенной технике позволяет:

1. В первую очередь, как было сказано выше, уменьшить размеры антенных элементов при одновременном увеличении их широкополосности;

2. Добиться компенсации паразитных ёмкостей и индуктивностей в электрически малых антеннах. В основном это достигается за счёт использования MNG-материалов, о которых говорилось выше;

3. Уменьшить влияние элементов антенных решеток друг на друга;

4. Улучшить способность излучателя концентрировать сигнал в определенном направлении, то есть достичь сужения его пространственной направленности;

5. Усилить свойства рупорных и других видов антенн [1].

Применение метаматериалов в конструкции рупорных антенн

Покрытие метаматериалами внутренней поверхности раструба рупора помогает повысить эффективность его работы. В качестве метаматериала в таком случае можно использовать квадратные решётки, обычно изготавливаемые из меди, вставленные в раструб рупора. Кроме того, вместо трёх слоев медных решёток можно использовать многослойные сетки из других проводников. Размещение такой конструкции в качестве линзы в раскрыве рупора позволяет повысить его коэффициент усиления и при этом сократить длину раструба до 56%. Однако необходимо помнить, что подобная операция может привести к сужению полосы пропускания антенны. Есть несколько решений этой проблемы, в общем случае сводящихся к поиску оптимальных для данных условий и задач параметров метавставок. Можно, к примеру, изменить интервал между слоями таких вставок или поработать с конструкцией самих решёток, изменив количество и расстояние между проводниками и т.д.

Рис.1. Конструкция рупорной антенны с вставками из метаматериалов [2].

Метаоболочки, используемые в электрически малых антеннах

При конструировании электрически малых антенн можно использовать ENG-материалы, что довольно удобно. Если взять за основу антенны ЭМА-диполь, то придется столкнуться с проблемой его достаточно высокой реактивной ёмкости. Использование ENG-оболочки в данном случае будет компенсировать эту ёмкость. При этом можно избежать обычно возникающего в ходе подобной операции затухания электромагнитного поля. Толщина метаоболочки, которая при определённых условиях может составлять меньше сотых долей длины волны, не приводит к заметным ослабеваниям поля.

Теперь рассмотрим конструкцию из ENG-оболочки, выполняющей роль своеобразного колпака находящегося внутри него монополя, соединённого с коаксиальным фидером. Наиболее важным является то, что такая конструкция, выполненная из простых метаматериалов, обладает добротностью, большей фундаментального предела Чу. Таким образом, сделан ещё один шаг к созданию сверхминиатюрных антенн. Также стоит отметить, что на резонансной частоте для ENGматериала КПД составляет около 98-99% [1].

Заключение

На данный момент можно добиться существенного разнообразия модельного ряда таких антенн, ведь ничто не запрещает использовать в качестве материалов для экранов не только металлы, но и различные метаматериалы. В частности, в качестве экранизирующей поверхности можно использовать решётки из диэлектрических резонаторов (ДР) [3] – у данной технологии достаточно перспективное будущее. Подводя итоги ко всему выше сказанному, остается лишь добавить: уверенное развитие и внедрение метаматериалов в различные отрасли делают их разработку одним из перспективных направлений прикладной физики.

Список литературы

Вендик, И.Б., Вендик, О.Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот: обзор // Журнал технической физики. 2013. №1. С.3.

Метаматериалы. Виды и устройство. Работа и применение [Электронный ресурс]. – URL:

https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/metamaterialy/

Слюсар, В. Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты // Последняя миля – 2010. №3-4. С. 44-58.

Метаматериалы [Электронный ресурс]. – URL: https://laser-portal.ru/content_98

Метаматериалы для телекоммуникационных задач можно печатать на принтере [Электронный ресурс]. – URL: https://ko.com.ua/metamaterialy_dlya_manipulyacij_santimetrovymi_volnami_mozhno_pechatat_na_printere_137781

Код для цитирования: Скопировать