1.1 Влияние метасреды на характеристики излучения антенн
Влияние метасреды на характеристики
иЗЛУЧЕНИЯ антенн
В. И.Демидчик, Р. В.Корнев
Белорусский государственный университет
Е-mail: *****@***by
В последнее время растет интерес к применению метаматериалов в различных радиотехнических устройствах. В частности, в антенной технике метаматериалы применяются для: достижения узкой пространственной направленности излучателей, уменьшения взаимного влияния между элементами антенных решеток, управления характеристиками излучения.
К примеру, в [1] в качестве подложки плоских спиральных антенн предлагается метаматериал в виде концентрически расположенных трех слоев дисков. Применение подобной подложки позволяет уменьшить высоту антенны соответственно при сохранении характеристик излучения.
Актуальной является и общая задача излучения электромагнитных волн антеннами, расположенными в различных естественных и искусственных метасредах. Одним из вариантов метасреды является киральная среда. Особый интерес к исследованиям электромагнитных свойств киральных структур связан, главным образом, с возможностью их использования в микроволновой технике. Известно, что киральность приводит к увеличению поглощения и уменьшению уровня прямого и обратного рассеяния электромагнитных волн по сравнению с некиральной средой.
Проблема излучения электромагнитных волн в киральной среде в известной литературе освещена слабо. В основном, рассмотрены лишь вопросы излучения элементарных источников [2-3] и прямолинейных вибраторных антенн [4], расположенных в киральной среде.
В работе, на примере плоской спиральной антенны, проведен анализ особенностей излучения тонкопроволочных структур произвольной геометрии, расположенных в биизотропной киральной среде.
Известно, что электромагнитное поле в киральной среде, описываемой уравнениями
| (1) |
, 
.определяется в виде суперпозиции полей [2]:
, (2)
где 
, 
, 
– материальные параметры среды, 
и 
– вектора напряженности электрического поля волн правой и левой круговой поляризаций, 
–характеристический импеданс среды.
Если в безграничной киральной среде, описываемой материальными уравнениями (1) находятся источники тока с объемной плотностью 
, то используя соотношения (2) из уравнений Максвелла можно получить несвязанные неоднородные дифференциальные уравнения второго порядка [3-4]:
(3)
Для излучателей из электрически тонких криволинейных проводников с плавно меняющейся геометрией поле, решение (3) принимает вид [5]:
(4)
где L – длина проводника, S – площадь его боковой поверхности, 
–единичный вектор, касательный к проводнику, 
– осевой ток, текущий по проводнику.
Используя на поверхности идеального проводника граничное условие 
, где 
, в [6] получено интегральное уравнение относительно неизвестной функции токораспределения:
(5)
где 
– касательная к проводнику составляющая электрического поля источника возбуждения. 
– функция Грина в тонкопроволочном приближении для полей левой и правой поляризаций.
Для некиральной среды соотношение (5) переходит в известное уравнение Поклингтона для тонких проводников [7].
В результате решения уравнения (5) находится амплитудно-фазовое распределение тока на проводниках антенны, по которому рассчитывается поле в дальней зоне и все необходимые характеристики и параметры исследуемой антенны.
В качестве тестовых, проведены результаты расчета распределения амплитуды тока прямолинейного вибратора длиной 
, возбуждаемого сосредоточенным источником в зависимости от параметра киральности. Характер зависимости амплитуды тока от параметра киральности соответствует аналогичным данным, полученным в [4].
Влияние киральности среды на характеристики и параметры излучателей исследовалось на примере плоской спиральной антенны Архимеда (ПСА).
В результате численного эксперимента установлено, что увеличение параметра киральности среды приводит к увеличению отраженной волны тока от концов спирали. Коэффициент направленного действия с ростом параметра киральности достигает максимума, а затем убывает. При этом, коэффициент эллиптичности излучения монотонно убывает с ростом параметра киральности.
Особенностью работы ПСА, расположенной в безграничной среде является то, что в одно полупространство (относительно плоскости, в которой расположена спиральная антенна) излучение правой поляризации, а в другое – левой. Это приводит к разным условиям распространения поля излучения, что в свою очередь влияет на формирование диаграммы направленности. При этом, за счет киральности среды можно сформировать однонаправленное излучение ПСА в широком диапазоне частот в отличие от использования для этих целей отражающего металлического экрана.
В целом, результаты расчетов позволяют рекомендовать применение киральных метаматериалов в качестве подложки и (или) оболочки антенн эллиптической поляризации для управления их характеристиками излучения.
Библиографический список
1. Nakun Jing, Huilling Zhao, Lihao Huang. A novel design of planar spiral antenna with metamaterial // Progress in electromagnetic research symposium proceeding. Xi, an. March 22-26. 2010. P. 725-728.
2. А. Излучение элементарных источников в киральной среде // Радиотехника и электроника. 2009. Т.54. № 6. С.680-688.
3. В. Об излучении источников в изотропной киральной среде // Известия ВУЗов. Физика. 2006. № 9. С.87-90.
4. Iaggard D. L., Liu J. C., Grot A., Pellet P. Radiation and scattering from thin wires in chiral media // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1992. V.40. №.11. P.1275-1281.
5. Демидчик В.И. Излучение произвольной системы источников в киральной среде. // Вестник Белорусского университета. Сер.1. 2013. №2. С.44-48.
6. И. Моделирование возбуждения тонких проводников в киральной среде // Материалы 22-й международной крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо,,2015). Севастополь. Вебер. 2015. Т. 2. С.493-494.
7. Mei K. K. On the integral equations of thin wire antennas. // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1965. V.13. №5. P.374-378.
Сведения об авторах
Демидчик Валерий Иосифович– к. т.н., доцент, г
Корнев Руслан Владимирович –ассистент, г.
Вид доклада: стендовый
Основные порталы (построено редакторами)