Способ использования S-элементов для преобразования нормально падающей СВЧ-волны в поверхностное рассеивание в азимутальной плоскости Российский патент 2022 года по МПК H01Q17/00 

Изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно к системам для частотно селективной концентрации энергии сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, может быть использовано для систем вспомогательного электропитания.

Известен патент US 4340031A [1], в котором рассматривается в качестве концентрирующего устройства коллектор с вогнутой параболоидной отражающей поверхностью. Недостатки данного устройство: не выполнение свойства планарности концентратора и невозможность его конформного размещения на криволинейных поверхностях.

Известно устройство для поглощения электромагнитных волн, описанное в патенте RU 2125327 С1 [2]. Представляющее собой неоднородную по всем направлениям поверхность и состоит из чередующихся между собой по всем направлениям этой поверхности емкостных и индуктивных элементов. Недостатки этого устройства: необеспечение селективности поглощения электромагнитных волн, громоздкость конструкции.

Известно аналогичное устройство, описанное в патенте RU 2169952 С1 [3], для поглощения электромагнитного излучения, состоящее из ферритовой подложки и нанесенного на него согласующего диэлектрического слоя с углеродным наполнителем. Недостатки этого устройства: необеспечение селективности поглощения электромагнитных волн.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является селективное покрытие для защиты от электромагнитного излучения, описанное в патенте RU 2236731 С1 [4]. Оно состоит из одного диэлектрического слоя, на обе поверхности которого также нанесены полосковые металлические киральные элементы. Однако на резонансной частоте такого покрытия наблюдается полное отражение при отсутствии прохождения электромагнитной волны и устройство не может быть использовано в качестве частотно селективного концентратора СВЧ энергии.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке способа использования S - элементов для преобразования нормально падающей СВЧ - волны в поверхностное рассеивание в азимутальной плоскости с помощью планарного метаматериала, который может конформно располагаться на прямо и криволинейных поверхностях.

Технический результат достигается путем использования в структуре метаматериала резонансных полосковых элементов S-образной формы, которые равномерно размещаются и одинаково ориентируются на поверхностях диэлектрического контейнера метаматериала, а также существованием пространственной дисперсии в метаматериале. Подобный метаматериал позволяет на заранее заданной частоте (ряде дискретных частот) производить преобразование нормально (наклонно) падающего СВЧ излучение в переизлучение внутри слоя метаматериала.

Метаматериал представляет собой совокупность диэлектрического контейнера и размещенных на его поверхностях проводящих микроэлементов. Для решения задачи частотно селективной концентрации СВЧ энергии используется так называемый киральный метаматериал, в котором проводящие элементы обладают зеркально асимметричной формой, то есть не совпадают со своим отражением в плоском зеркале. В качестве зеркальных элементов были использованы S-образные полосковые микроэлементы. Размеры микроэлементов значительно меньше длины волы падающего СВЧ излучения, а расстояние между ними соизмеримо с длиной волны. Принципиальным для создания частотно селективного концентратора СВЧ энергии является то, чтобы метаматериал в целом обладал свойством киральности. Для этого S-образные элементы должны размещаться на одинаковых расстояниях друг от друга, а их геометрические оси — одинаково ориентироваться. При равномерном размещении S-элементов внутри диэлектрического контейнера метаматериал также будет обладать свойством пространственной дисперсии.

Заявляемый способ позволяет оказаться от использования при разработке частотно селективного концентратора СВЧ энергии крупногабаритных СВЧ линз и зеркал, а также добиться эффекта концентрации СВЧ энергии в полностью планарной структуре, которая может размещаться на прямо и криволинейных поверхностях.

Для лучшего понимания сущности заявляемого изобретения далее приводятся его пояснения с привлечением графических материалов.

На фиг. 1, а показана общая структура схема планарного кирального метаматериала, расположенного на плоской поверхности и используемого для создания частотно селективного концентратора СВЧ энергии. Метаматериал состоит из диэлектрического контейнера (подложки) к.1, который служит объемом для концентрации СВЧ энергии, падающей на определенной частоте на метаматериал. Толщина контейнера должна быть больше длины волны концентрируемого СВЧ излучения. На передней поверхности контейнера расположена матрица м.1 из полосковых проводящих S-образной формы элементов. Элементы располагаются на одинаковых расстояниях друг от друга и имеют одинаковую ориентацию друг относительно друга. S-образные элементы, располагаемые на передней поверхности контейнера имеют правую форму. На задней поверхности контейнера расположена матрица м.2 из полосковых проводящих S-образной формы элементов. При этом элементы обладают геометрическими размерами, идентичными элементам из матрицы м.1, также одинаково ориентированы друг относительно друга, но имеют при этом левую форму (то есть являются отражениями в плоском зеркале элементов из матрицы м.1). На фиг. 1, б показана общая структура схема планарного кирального метаматериала, расположенного на криволинейной поверхности. На фиг. 1, в приведена структура S-образного элемента, который описывается двумя геометрическими параметрами — радиусом и шириной полоски. Все элементы являются резонансными, при этом их резонансная частота определяется по формуле Томсона через емкость и индуктивность элемента (квазистатическое приближение).

На рассматриваемый киральный метаматериал из внешнего пространства на заданной частоте падает плоская электромагнитная волна линейной или круговой поляризации под некоторым углом к границе раздела «внешняя среда – метаматериал». При падении электромагнитной волны на метаматериал, обладающий свойствами киральности и пространственной дисперсии, вследствие зеркально асимметричной формы элементов возникает явление кросс-поляризации поля, то есть в структурах электромагнитного поля отраженной и прошедшей волн возникают компоненты, которые отсутствовали в структуре падающей волны. Падающая электромагнитная волна наводит на S-образных элементах матрицы м.1 переменные электрические токи, которые протекая по кольцевым участкам элементов, переизлучают электромагнитное поле со всеми компонентами векторов напряженностей электрического и магнитного полей (явление кросс-поляризации). В общем случае внутри диэлектрического контейнера электромагнитное поле образуется суперпозицией полей двух волн с право и левокруговыми поляризациями. Электромагнитная волна с ортогональной поляризацией, падая на матрицу м.2, при выполнении условий резонанса, отражается обратно в контейнер метаматериала. При этом принципиальным является тот факт, что элементы в матрице м. 2, расположенной на нижней поверхности контейнера являются зеркальными отражениями элементов из матрицы м.1. Таким образом, на резонансной частоте, за счет появления ортогональных компонент векторов электромагнитного поля, волна концентрируется в объеме диэлектрического контейнера и в дальнейшем распространяется внутри него за счет явления полного внутреннего отражения (показатель преломления диэлектрического контейнера больше показателей преломления окружающих областей). При этом на других частотах электромагнитная волна проходит через метаматериал практически без ослабления.

На фиг. 2 показан пример частотных зависимостей отраженной и прошедшей мощностей, выраженной в дБ. Как видно из фиг.2, на частотах 5.1 ГГц и 8.6 ГГц наблюдается резонансный минимум мощности прошедшей за метаматериал электромагнитной волны с ослаблением порядка -40 дБ, при этом ослабление мощности волны, отраженной от метаматериала составляет порядка -20 дБ. Вблизи этих частот наблюдается частотно селективная концентрация падающей СВЧ мощности внутри диэлектрического контейнера. При необходимости частотной селективной концентрации СВЧ энергии на других частотах необходимо изменить геометрические размеры S-образных элементов и расстояние между ними.

Таким образом, эффект частотно селективной концентрации СВЧ энергии достигается за счет преобразования нормально (наклонно) падающей электромагнитной волны в ее распространение внутри диэлектрического контейнера, при этом отражение и прохождение электромагнитного поля во внешних областях практически отсутствует. Этот эффект является частотно селективным и проявляется на заранее заданной частоте (ряде дискретных частот) падающего СВЧ излучения. Частота, на которой наблюдается описанный эффект, близка к резонансной частоте используемых в матрицах м.1 и м.2 S-образных элементах.

Следует учитывать, что вышеизложенное описание приведено с целью иллюстрации заявляемого изобретения, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны различные модификации и изменения, не противоречащие букве и духу испрашиваемого в данной заявке объема охраны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Patent US 4340031A United States Patent, IPC Classificatio G02B5/10. HIGH RATIO SOLAR ENERGY / William P. Niedermeyer, 1024 Mt. Mary Dr., Green Bay, Wis. 54301 USA, – No US06/171,097, priority date 22.07.1980; publication date 20.07.1982.

2. Патент RU 2125327 С1 Российская Федерация, МПК классификация H01Q 17/00. РАДИОПОГЛОЩАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ / Алексеев А.Г. и другие. Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт резиновых покрытий и изделий" (ОАО "НИИРПИ") (RU), – № 2003112634/09, дата приоритета 24.04.2003; дата публикации 10.02.2005.

3. Патент RU 2169952 С1 Российская Федерация, МПК классификация G12B 17/00. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ / Романов А.М. и другие. Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (RU), – № 2000112827/09, дата приоритета 24.05.2000; дата публикации 27.06.2001.

4. Патент RU 2236731 С1 Российская Федерация, МПК классификация H01Q 17/00. СЕЛЕКТИВНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ / Неганов В.А. и другие. Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики (RU), – № 2003109213/09, дата приоритета 01.04.2003; дата публикации 20.09.2004.

Использование: изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно к системам для частотно-селективной концентрации энергии сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, может быть использовано для систем вспомогательного электропитания. Сущность: согласно заявляемому способу используют S-элементы для преобразования нормально падающей СВЧ-волны в поверхностное рассеивание в азимутальной плоскости на основе планарного метаматериала, который может конформно располагаться на прямо- и криволинейных поверхностях. При этом используют в качестве концентрирующего объема метаматериал на основе композиции планарного диэлектрического контейнера и 2-х матриц из проводящих полосковых S-образных элементов, расположенных на его внешних поверхностях. S-образные элементы на верхней и нижней поверхностях контейнера одинаковы по форме и являются зеркальными отражениями друг друга. Расстояние между соседними S-образными элементами соизмеримо с длиной волны падающего СВЧ излучения, а их линейные размеры значительно меньше неё. Подобный метаматериал позволяет на заранее заданной частоте (ряде дискретных частот) производить преобразование нормально (наклонно) падающего СВЧ излучения в переизлучение внутри слоя метаматериала, тем самым накапливать энергию внутри. Технический результат: обеспечение концентрации СВЧ энергии и дальнейшее использование данной энергии для электропитания. 2 ил.

Способ использования S-элементов для преобразования нормально падающей СВЧ-волны в поверхностное рассеивание в азимутальной плоскости, основанный на использовании в качестве концентрирующего объема метаматериал на основе композиции планарного диэлектрического контейнера и 2-х матриц из проводящих полосковых S-образных элементов, расположенных на его внешних поверхностях, S-образные элементы на верхней и нижней поверхностях контейнера одинаковы по форме и являются зеркальными отражениями друг друга, расстояние между соседними S-образными элементами соизмеримо с длиной волны падающего СВЧ излучения, а их линейные размеры значительно меньше нее, также вместо S-образных элементов можно использовать произвольные полосковые проводящие элементы зеркально асимметричной формы, а вместо планарного контейнера метаматериала можно использовать гибкий криволинейный.