Разработка антенно-фидерных устройств нового поколения с использованием неуправляемых и смарт-метаматериалов

Радиоэлектроника занимает ведущее место в современной научно-технической революции и прогрессе всего человечества. Расширение круга задач, решаемых современной радиоэлектроникой, а также их усложнение стимулировало в последние десятилетия интенсивное развитие теории и техники антенн, являющихся неотъемлемой частью любой радиоэлектронной системы. Поэтому проблема усовершенствования их характеристик и миниатюризации является чрезвычайно важной. Наиболее перспективным направлением ее решения является применение антенн в микрополосковом исполнении. Микрополосковая антенна (МПА) представляет собой подложку из высокочастотного диэлектрика, на поверхности которого расположены планарные излучатели различной формы. Однако технология микрополосковых антенн, которая была столь многообещающей около двух десятилетий назад, ныне достигла своих пределов относительно сокращения габаритов СВЧ-устройств. Поэтому поиск нетрадиционных подходов к созданию микроволновой техники в последнее время существенно активизировался. Одним из перспективных направлений в создании антенн нового поколения связывают с использованием в их конструкции искусственных композитных метаматериалов. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что применение метаматериалов и материалов с киральными свойствами позволяет значительно усовершенствовать технические и массо-габаритные характеристики МПА. Метаструктуры, как известно, проявляют электромагнитные свойства, нехарактерные для обычных диэлектрических сред. Одним из классов метаматериалов являются киральные среды, которые представляют собой совокупность равномерно размещенных и хаотически (упорядоченно) ориентированных в однородном диэлектрическом слое тонкопроволочных элементов зеркально асимметричной форме. В связи с этим значительный интерес для развития антенной техники нового поколения представляет исследование характеристик микрополоскых антенн на подложках из метаматериала, в частности, киральной среды. Киральные метаматериалы обладают частотно и поляризационно селективными свойствами, что позволяет значительно изменять характеристики излучающего элемента антенны (микрополоски) на различных частотах. Двумя основными типами киральных сред являются биизотропные (изотропные киральные) материалы, в которых зеркально асимметрчиные элементы ориентируются произвольным образом тем самым обеспечивая изотропию среды для волн с право и левокруговыми поляризациями и бианизотропные (анизотропные киральные) среды, в которых элементы ориентированы одинаково, создавая оси анизотропии. Использование биизотропных и бианизотропных подложек в микрополосковых антеннах позволят значительно улучшить электродинамические и массогабартиные характеристики антенн, что связано с тем, что тонкопроволочные зеркально асимметричные элементы в подложке антенны сами представляют собой дополнительные излучатели поля и этот факт позволяет изменить характеристики излучения всей микрополосковой антенны в целом, а также уменьшить её линейные размеры. Кроме того, с использованием подложек из «управляемых» метаматериалов можно управлять характеристиками антенны при помощи внешних электрических и магнитных полей. «Управляемый» метаматериал представляет собой слой из материала с внедренными элементами, материальные параметры которого зависят от внешних электрических и магнитных полей (феррит, сегнетоэлектрик и т.п.). Таким образом, целью работы является развитие теории и исследование микрополосковых антенн с подложками из киральных метаматериалов (биизотропных, бианизотропных и управляемых). Проект направлен на развитие теории микрополосковых антенн с киральными подложками. В ходе выполнения проекта планируется разработать адекватные и корректные математические модели микрополосковых антенн с киральными подложками, разработать устойчивые и быстросходящихся алгоритмы для численного моделирования процессов излучения электромагнитных волн и расчета электродинамических характеристик таких антенн. Разработка этих математических моделей и алгоритмов позволит создавать принципиально новые конструкции микрополосковых антенн с киральными подложками и существенно снизить материально-временные затраты на опытное производство, экспериментальные исследования, конечную доводку и их настройку. Такие математические модели и алгоритмы могут стать основой новых быстродействующих САПР, позволяющих рассчитывать антенны данного типа с точностью и скоростью существенно превышающей максимально возможную в существующих аналогах. Ожидается расширение теоретических знаний в области микрополосковых антенн с киральными подложками, в частности вопросах, связанных с формированием характеристик излучения, влияния размеров, геометрии излучателя, формы и электродинамических параметров подложки на характеристики излучения. Ожидается получение новых научных данных о процессах излучения электромагнитных волн такими антеннами, обнаружение новых явлений, эффектов и закономерностей. Ожидается открытие путей применения новых явлений и закономерностей при излучении электромагнитных волн микрополосковыми антеннами с киральными подложками для совершенствования характеристик микрополосковых антенн. В ходе выполнения проекта планируется провести теоретическое и методологическое обоснование принципов и путей модернизации микрополосковых антенн с киральными подложками. Ожидаемая практическая значимость Проекта заключается в разработке практических рекомендаций по проектированию антенн данного типа, совершенствованию их характеристик и повышению эффективности функционирования радиотехнических систем за счет применения таких антенн.