Сверхлегкая сверхширокополосная низкопрофильная высокоимпедансная магнито-диэлектрическая структура Российский патент 2021 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к высокоимпедансным сверхширокополосным низкопрофильным основаниям (EBG-структурам или электромагнитным кристаллам) радиочастотных антенн и антенных решеток для систем связи и радаров, более конкретно к основаниям низкопрофильных широкополосных антенн и антенных решеток АФАР, включая сканируемые радиооптические (радиофотонные) фазированные антенные решетки (РОФАР), а также к пассивным устройствам подавления внутрисхемных помех в быстродействующих цифровых схемах.

Для широкого спектра применений в современных системах связи, радиолокации, навигации, радиоастрономии и т.д. необходимы антенны и антенные решетки, одновременно обладающие целым комплексом противоречивых свойств: малой массой (в том числе удельной, кг/м²), сверхширокополосностью, низким профилем, малой взаимосвязью между излучателями, высокой эффективностью излучения и малой стоимостью производства.

В последние годы эти требования выполняют, в том числе, с помощью метаматериальных высокоимпедансных оснований антенн с запрещенными зонами (EBG-структур, электромагнитных кристаллов), построенных на принципах фотонных кристаллов [1-5].

Как известно [3], импеданс для поверхностных волн Z_s высокоимпедансных оснований антенн определяется с помощью формулы:

где: ω - текущая частота, L, С - индуктивность и емкость ячейки высокоимпедансной структуры соответственно.

Резонансная частота: , Характеристическое сопротивление - и относительная полоса рабочих частот:

где: η₀ - волновое сопротивление свободного пространства - 377 Ом.

В тоже время индуктивность перемычек в EBG-структуре:

где: μ₀ - магнитная проницаемость вакуума, μ_r - относительная магнитная проницаемость, h - высота структуры (длина перемычки) [6].

Таким образом, практически все основные параметры EBG-структуры имеющие высокую ценность для построения высокоэффективных антенных решеток (импеданс, который определяет затухание поверхностных волн, т.е. необходимые размеры плоскости для эффективной работы EBG-структуры, центральную частоту, относительную полосу и ее высоту) связаны не только с величиной индуктивности перемычек, соединяющих горизонтальные структурные элементы с экраном, но и с эффективной емкостью элементарной ячейки С (1, 2).

Если величину индуктивности можно повышать путем введения в EBG-структуру броневых (трубчатых) ферритовых сердечников и создания тем самым магнито-диэлектрических структур, как было предложено в [3], то дальнейшему уменьшению емкости, препятствующей еще большему расширению полосы структуры, мешает значительная относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, обычно значительно превышающая 1. [6].

В то же время практически все диэлектрики, широко применяемые в СВЧ и антенной технике, имеющие малые высокочастотные потери и широкий рабочий температурный диапазон, имеют значительный удельный вес (массу) [6], что служит препятствием для дальнейшего снижения массы самих антенных систем, даже несмотря на значительное снижение высоты профиля и линейных размеров, достигнутое в [3].

Таким образом, известна высокоимпедансная 3-слойная магнито-диэлектрическая EBG-структура [3] (фиг. 1 источника), состоящая из металлического основания, 2-х этажей перекрывающихся между собой металлических горизонтальных пластин, соединенных с основанием при помощи вертикальных металлических перемычек, помещенных в ферритовые трубки (трубчатые сердечники) и разделенных между собой и основанием слоями диэлектрика.

Недостатки известной магнито-диэлектрической EBG-структуры состоят в следующем:

1. Значительная емкость элементарных ячеек не позволяет строить одноэтажные сверхширокополосные и сверхнизкопрофильные структуры с достаточным импедансом для поверхностных волн, с размерами, соответствующими требуемому расстоянию между излучателями многоэлементных сканируемых антенных решеток.

2. Значительная удельная масса диэлектрика препятствует дальнейшему снижению массы антенных систем, ограничивая, тем самым области применения таких магнито-диэлектрических структур.

Единая задача, на решение которой направлено данное изобретение - одновременное значительное расширение полосы частот (получение сверхширокополосности), дальнейшее снижение высоты профиля и уменьшение массы и стоимости.

Для этого предлагается перейти на пленочную структуру с относительно широкими воздушными (или вакуумными) зазорами в ее элементарных ячейках с одновременным сокращением эффективной площади горизонтальных пластин структуры.

Сущность изобретения заключается в кратном уменьшении эффективной диэлектрической проницаемости комбинированного (композитного) диэлектрика и как следствие - емкости элементарных ячеек магнито-диэлектрической структуры, что дает увеличение удельного характеристического сопротивления. Это позволяет перейти к простым одноэтажным структурам, которые в свою очередь, дают кратное уменьшение массы, при сохранении достаточной развязки между излучателями антенных решеток при расстоянии между ними λ/2.

Действительно, из формулы (4) следует, что при реализации магнито-диэлектрической EBG-структуры из 2-х слоев металлизированной диэлектрической пленки с относительной диэлектрической проницаемостью ε₁ толщиной d₁ с воздушным зазором между ними высотой d₂ с относительной диэлектрической проницаемостью ε₂=1 результирующая емкость С будет:

где: S_эф. - эффективная площадь верхней пластины (протравленной обкладки металлизированной пленки), ε_o - 8,84*10^-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума.

Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:

а) в расширении полосы частот до значений сверхширокополосности за счет уменьшения емкости ячеек EBG-структуры;

б) увеличении характеристического сопротивления и поверхностного импеданса ячеек и всей структуры в целом;

в) увеличение характеристического сопротивления и поверхностного импеданса ячеек и всей структуры в целом дает возможность сохранить достаточные значения развязки между излучателями антенной решетки на таких основаниях с размерами ≤λ_о/2 при переходе от 2-х этажных структур к одноэтажным, что уменьшает высоту профиля, массу структур и снижает стоимость.

Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения (фиг. 1) достигается тем, что по сравнению с известной высокоимпедансной 3-слойной магнито-диэлектрической EBG-структурой [3], являющейся наиболее близким аналогом к заявляемому, с общими признаками: наличие металлического основания 1, металлических горизонтальных пластин 2, диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью ε₁ и толщиной d₁, 3, соединенных с основанием при помощи вертикальных металлических перемычек, полностью помещенных в трубки из высокочастотного феррита 4, введен воздушный (вакуумный) зазор d₂ с относительной диэлектрической проницаемостью ε₂, а в металлических горизонтальных пластинах сделаны вырезы, причем для воздушного (вакуумного) зазора d₂ должно выполняться условие:

а для размеров вырезов в металлических горизонтальных пластинах Δl и площади вырезов S_п должно выполняться два условия:

где: λ_о - длина волны на центральной частоте структуры.

где: S_в - площадь пластины без вырезов.

Приведем практический пример структуры для S-диапазона. Если толщина диэлектрической пленки с односторонним фольгированием ≈ 0,1 мм, относительная диэлектрическая проницаемость ε₁=2,9, толщина d₁ ≈ 0,1 мм, высота воздушного зазора d₂=1,6 мм, вырезы в горизонтальных пластинах составляют ~ 40% площади пластин (при выполнении условия, что линейные размеры вырезов Δl не будут превышать 1/15 λ_о). Тогда соотношение емкостей ячейки с предлагаемой структурой с вырезами и предыдущей структурой со сплошным диэлектриком и без вырезов, будет ≈ 2 пФ/0,5пФ ≈ 4 раза. Следовательно, характеристическое сопротивление Z₀ и относительная полоса рабочих частот возрастет примерно в 2 раза. Масса за счет введения воздушного зазора вместо диэлектрика и вырезов в металлизации уменьшается в ≈ 9 раз, а за счет перехода от 2-этажной структуры к одноэтажной уменьшается еще примерно в 2 раза.

Таким образом, одновременно, согласно формуле (4), эффективная емкость С уменьшается примерно в 4 раза, что увеличивает относительную широкополосность и характеристическое сопротивление примерно в 2 раза, что позволяет получать необходимый поверхностный импеданс при ее меньших линейных размерах и переходить от двухэтажных структур к одноэтажным, что в совокупности с эффектом от почти полной замены сплошного диэлектрика воздушным (вакуумным) зазором дает выигрыш в уменьшении массы порядка 20 раз и одновременно уменьшает толщину профиля структуры в 2 раза.

На практике такие структуры могут обеспечить получение удельной массы полотна сверхширокополосных низкопрофильных антенных решеток менее 1 кг/м². На фиг. 2 приведен пример эффективности одновременного применения воздушного зазора и вырезов в магнито-диэлектрической EBG-структуре S - диапазона, которая имеет относительную толщину ~ 1/100 λ_н, где λ_н - низшая частота АЧХ S₂₁ и относительную полосу ~ 86%, при удельной массе ρ ≈ 1 кг/м².

Таким образом, коэффициент качества [3], равный относительной ширине полосы деленной на относительную высоту профиля для длины волны на нижней границы полосы для предлагаемой структуры также возрастает по сравнению с [3], с К_вис ≈ 12, до К_вис ≈ 86.

Источники информации

1. Yablonovitch Е. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics // Physical Rev. Lett. - 1987. - V. 58., No. 20, p. 2059-2062.

2. Circuit and Method for Eliminating Surface Current on Metals: US 6262495 B1 / E. Yablonovitch, D. Sievenpiper, Int. C1. HO1Q 1/38; US C1, 307/101; 327/593; 333/12; Jul. 17, 2001.

3. Низкопрофильная широкополосная высокоимпедансная магнито-диэлектрическая структура: Патент России №2716859 / Д.Ф. Зайцев. - №2019133358; Заявл. 21.10.2019.

4. Д.Ф. Зайцев. Нанофотоника и ее применение - Монография, М.: Изд. «АКТЕОН», 2012 г., 445 е., с илл. ISBN 978-5- 91142-045-1.

5. Yuan Т., Ouslimani Н.Н., Priou А.С., Lacotte G. and Collignon G. Dual-Layer EBG Structures for Low-Profile "Bent" Monopole Antennas // Progress In Electromagnetics ResearchB. - 2013. - V. 47. - p. 315-337.

6. Best S. R., Hanna D. L. Design of a Broadband Dipole in Close Proximity to an EBG Ground Plane // IEEE Antennas and Propagation Magazine. - 2008. - V. 50, No. 6, p. 52-64.

7. Романова И. Материалы фирмы Rogers Corporation для изготовления ВЧ и СВЧ печатных плат // Печатный монтаж. - 2010. - №2. - с. 34-37.

Использование: изобретение относится к антенной технике, в частности к высокоимпедансным широкополосным низкопрофильным основаниям (EBG-структурам или электромагнитным кристаллам) радиочастотных антенн и антенных решеток для систем связи и радаров, а также к пассивным устройствам подавления внутрисхемных помех в быстродействующих цифровых схемах. Сущность: сверхлегкая сверхширокополосная низкопрофильная высокоимпедансная магнито-диэлектрическая структура, содержащая металлическое основание, металлические горизонтальные пластины, соединенные с основанием при помощи вертикальных металлических перемычек, помещенных в трубки из высокочастотного феррита и разделенных между собой и основанием слоями диэлектрика, отличающаяся тем, что упомянутые металлические горизонтальные пластины сформированы в виде одного этажа, между двумя слоями диэлектрика между пластинами введен воздушный зазор, причем толщина воздушного зазора много больше, чем толщина слоев диэлектрика, а в самих пластинах сделаны вырезы, которые составляют 40% площади пластин, а их линейные размеры не превышают 1/15 λ₀, где λ₀ - это длина волны на центральной частоте структуры. Технический результат: одновременное расширение полосы частот, уменьшение высоты профиля и массы, что дает возможность построения оснований сверхлегких сверхширокополосных низкопрофильных многоэлементных плоских сканируемых антенных решеток, а также уменьшение материалоемкости и стоимости производства. 2 ил.

Сверхлегкая сверхширокополосная низкопрофильная высокоимпедансная магнито-диэлектрическая структура, содержащая металлическое основание, металлические горизонтальные пластины, соединенные с основанием при помощи вертикальных металлических перемычек, помещенных в трубки из высокочастотного феррита и разделенных между собой и основанием слоями диэлектрика, отличающаяся тем, что упомянутые металлические горизонтальные пластины сформированы в виде одного этажа, между двумя слоями диэлектрика между пластинами введен воздушный зазор, причем толщина воздушного зазора много больше, чем толщина слоев диэлектрика, а в самих пластинах сделаны вырезы, которые составляют 40% площади пластин, а их линейные размеры не превышают 1/15 λ_o, где λ₀ – это длина волны на центральной частоте структуры.