Способ преобразования падающей электромагнитной волны в боковое рассеяние при помощи киральной метаструктуры Российский патент 2023 года по МПК G02F1/169 G12B17/02 

Изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно к системам для частотно селективной защиты электронных устройств от внешнего электромагнитного излучения.

Известной проблемой в области создания систем для защиты электронных устройств является необходимость экранирования в определенном диапазоне частот СВЧ с сохранением работы самого устройства в режиме излучения на других частотах. В этом случае использование полностью металлизированных широкополосных защитных экранов является неприемлемым. Также использование металлизированных защитных экранов приводит к возможности наведения падающим электромагнитным излучением переменных электрических токов, которые, в свою очередь, могут стать источниками паразитного излучения электромагнитных волн.

Известен патент RU 2423761 С1, в котором способ получения многослойного радиопоглощающего материала. В качестве материала для изготовления используется ферромагнетик. Недостатком технического решения является сложность изготовления предлагаемого радиопоглощающего материала.

Известен патент RU 2594363 С1, в котором рассматривается поглотитель электромагнитных волн на основе гибридных нанокомпозитных структур. Недостатком технического решения является сложность изготовления предлагаемого радиопоглощающего материала.

Известен патент RU 2119216 С1, в котором предлагается способ изготовления малоотражающего покрытия для электромагнитных волн, включающий несколько слоев из различных пластмасс и формирования на одной из их поверхности двухмерных решеток резонансных элементов. Недостатком данного технического решения является то, что технология может применяться только для двумерных решеток микроэлементов.

Известен патент RU 2236731, в котором предлагается селективное покрытие для защиты от электромагнитного излучения. Оно состоит из одного диэлектрического слоя, на обе поверхности которого также нанесены полосковые металлические киральные элементы. Недостатком данного технического решения является то, что на поверхности предлагаемого покрытия располагаются полосковые проводящие S-образные элементы, которые увеличивают уровень френелевского отражения во внешнюю область.

Известен патент RU 2 497 245 С1, в котором предлагается малоотражающее покрытие на основе омега-частиц. Малоотражающее покрытие реализовано в виде трехслойной структуры, при этом в слоях располагаются металлические микрообъекты в виде омега-частиц. Недостатком данного технического решения является наличие трех слоев и трудность изготовления слоев с омега частицами, расположенными на гибких параллелепипедах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является конформное покрытие объектов, мало отражающее электромагнитные волны, описанное в патенте RU 2374725 С1. Конформное покрытие состоит из трех слоев, первый слой - поглотитель, два последующих слоя - решетки из резонансных элементов в диэлектриках, отличающееся тем, что трехмерные решетки во втором и третьих слоях диэлектрика образованы разомкнутыми плоскими кольцами во взаимно ортогональных плоскостях, совпадающих с направлением падения волны, а зазоры разомкнутых колец ориентированы к поглотителю.

Недостатком данного технического решения является его значительная толщина, так как конструкция принципиально предполагает наличие трех слоев.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке способа преобразования падающего электромагнитного излучения СВЧ на определенных частотах в боковое рассеяние при помощи планарного кирального метаматериала с целью создания частотно селективного защитного экрана на основе планарного метаматериала.

Технический результат достигается путем использования в структуре метаматериала резонансных проводящих тонкопроволочных элементов спиральной формы, которые равномерно размещаются и одинаково ориентируются внутри диэлектрического контейнера с малым значением относительной диэлектрической проницаемости, а также существованием пространственной дисперсии в используемом метаматериале. Подобный метаматериал обладает в заранее заданном узком интервале частот электромагнитного излучения СВЧ малыми значениями модулей коэффициентов отражения и прохождения, преобразуя наклонно (нормально) падающее излучение в переизлучение внутри диэлектрического контейнера.

Метаматериал представляет собой совокупность диэлектрического контейнера и равномерно размещенных в его объеме тонкопроволочных проводящих микроэлементов. Для решения задачи предлагается использовать метаматериал, в котором тонкопроволочные элементы обладают зеркально асимметричной формой. Такой метаматериал называется киральным и обладает пространственной дисперсией, связанной с равномерным расположением микроэлементов внутри диэлектрического контейнера. В качестве микроэлементов использованы проводящие тонкопроволочные элементы в виде спиралей с различным числом заходов. Размеры спиральных элементов значительно меньше длины волы падающего СВЧ-излучения, а расстояние между ними соизмеримо с длиной волны. Метаматериал, используемый для создания частотно селективного экрана должен обладать бианизотропными свойствами. Для этого необходимо выполнение трех условий:

- тонкопроволочные проводящие элементы имеют зеркально асимметричную форму;

- расстояния между соседними микроэлементами в контейнере совпадают между собой;

- все микроэлементы в контейнере ориентируются в одинаковом направлении.

Заявляемая технология позволяет отказаться от использования в конструкции защитного экрана большого объема проводящего материала, так как контейнер является диэлектрическим, внутри которого размещаются микроскопические тонкопроволочные проводящие спирали.

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

На фиг. 1 показана общая структурная схема планарного кирального метаматериала (вид сверху и вид сбоку). Первой составной частью конструкции метаматериала является диэлектрический контейнер к.1 с относительной диэлектрической проницаемостью ε_c и толщиной Н. В качестве него целесообразно использовать материал с низкой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями. Первое условие необходимо учитывать исходя из соображений о необходимой минимизации френелевского рассеяния на границе раздела «внешняя среда (воздух) - диэлектрик». При этом для достижения выполнения условия полного внутреннего отражения волн внутри слоя метаматериала не требуется материал контейнера с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости. Кроме того, необходимо учитывать наличие у материала диэлектрических потерь, которые также должны быть минимальными, в связи с тем, что они играют весьма существенную роль при больших размерах метаматериала по сравнению с длиной падающей электромагнитной волны. Наилучшим образом предъявленным выше требованиям удовлетворяют вспененные диэлектрики. К подобным диэлектрикам относятся пенопласты (пенополистирол, пенополипропилен, пенополивинилхлорид), пенополиэтилен и другие материалы.

Внутри диэлектрического контейнера к.1 на одинаковых расстояниях S изготовляются цилиндрические отверстия о. 1 диаметром φ₀. На фиг. 2 приведен вид тонкопроволочного проводящего спирального элемента (фиг.2а - с одним заходом спирали на цилиндрическом основании; фиг. 2b - с четырьмя заходами спирали на цилиндрическом основании). Каждый заход спирального элемента имеет один виток закрутки вокруг цилиндрического основания. Цилиндрическое основание изготовлено из того же материала, что и диэлектрический контейнер с относительной диэлектрической проницаемостью ε_c. Для создания итоговой конструкции метаматериала цилиндрические основания с тонкопроволочными спиральными элементами размещаются в цилиндрические отверстия о. 1 диэлектрического контейнера к. 1. Все спиральные элементы являются резонансными частицами, поэтому значения их геометрических параметров определяет частоту, вблизи которой киральный метаматериал выполняет роль частотно селективного защитного экрана СВЧ.

Принцип работы частотно селективного защитного экрана заключается в следующем. При падении электромагнитной волны на киральный метаматериал вследствие зеркально асимметричной формы проводящих микроэлементов формы возникает явление кросс-поляризации поля, то есть в структуре отраженного и прошедшего полей возникают ортогональные компоненты. Наиболее сильная кросс-поляризация поля возникает вблизи резонансных частот микроэлементов, что приводит к возможности изменения направления вектора Умова-Пойнтинга на перпендикулярное по отношению к падающей волне, то есть электромагнитная волна переизлучается внутри слоя кирального метаматериала. Это приводит к тому, что возникает значительный уровень ослабления мощности прошедшего и отраженного полей.

На фиг. 3 показан пример частотных зависимостей отраженной и прошедшей мощностей в диапазоне частот от 1.4 до 1.7 ГГц при нормальном падении волны, выраженной в дБ. Как видно из фиг. 3, вплоть до частоты 1.45 ГГц электромагнитная волна проходит через метаматериал без ослабления, то есть метаматериал является прозрачным для данного частотного диапазона. Значения геометрических параметров спиральных микроэлементов подобраны таким образом, чтобы резонансная частота составляла 1.55 ГГц. Из фиг. 3 видно, что в диапазоне частот 1.52-1.58 ГГц возникает значительное ослабление прошедшей и отраженной мощностей, то есть метаматериал в этом диапазоне представляет собой частотно селективный защитный экран СВЧ.

На фиг. 4 показан пример частотных зависимостей отраженной и прошедшей мощностей в диапазоне частот от 1.4 до 1.7 ГГц при наклонном падении волны под углом 20 градусов к нормали, выраженной в дБ. Как видно из фиг.4, при наклонном падении электромагнитной волны СВЧ на планарный слой метаматериала также, как и в случае нормального падения, вблизи частоты 1.55 ГГц наблюдается эффект преобразования наклонно падающей волны в боковое рассеяние, что приводит к очень малым значениям уровней прошедшей и отраженной мощностей в указанном диапазоне.

На фиг. 5 показан пример частотных зависимостей отраженной и прошедшей мощностей в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц, выраженной в дБ для случая нормального падения электромагнитной волны. Как видно из фиг. 4, метаматериал является частотно селективным защитным экраном вблизи ряда дискретных поддиапазонов вблизи частот 1.6 ГГц, 4.4 ГГц и 8.5 ГГц. Вблизи этих частот наблюдается частотно селективное преобразование падающего электромагнитного излучения в переизлучение в планарном слое кирального метаматериала. При необходимости частотной селективной защиты на других частотах необходимо изменить геометрические размеры тонкопроволочных спиральных элементов и расстояние между ними.

Для доказательства возможности переизлучения электромагнитной энергии вблизи резонансных частот в объеме метаматериала была решена задача дифракции электромагнитной волны линейной и круговой поляризации на равномерной матрице из тонкопроволочных проводящих спиральных элементов с различным числом заходов. На фиг. 6 приведены объемные диаграммы рассеяния по напряженности электрического поля (фиг. 6а - с одним заходом спирали на цилиндрическом основании; фиг. 6b - с двумя заходами спирали; фиг. 6 с - с тремя заходами спирали; фиг. 6d - с четырьмя заходами спирали). Как видно из фиг. 6а, b, для одно-и двухзаходных спиральных элементов вблизи резонансной частоты диаграмма рассеяния практически полностью лежит в азимутальной плоскости, то есть в плоскости планарного слоя метаматериала и состоит из двух «лепестков». Как видно из фиг. 6с, d, для трех- и четырехзаходных спиральных элементов вблизи резонансной частоты диаграмма рассеяния практически полностью лежит в азимутальной плоскости, то есть в плоскости планарного слоя метаматериала и состоит из четырех «лепестков».

Таким образом, для реализации частотно селективного защитного экрана СВЧ в качестве тонкопроволочных проводящих микроэлементов более эффективно использовать спиральные элементы, состоящие из трех и четырех заходов с одним витком закрутки вокруг цилиндрического основания. Заметим, что предложенная технология создания метаматериала для частотно селективной защиты электронных устройств от электромагнитного излучения не ограничивается использованием в качестве тонкопроволочных проводящих микроэлементов спиралей с различным числом заходов. Общий принцип работы предлагаемого частотно селективного защитного экрана основан на явлении кросс-поляризации, возникающем в киральном метаматериале вне зависимости от типа зеркально асимметричного элемента. Тип микроэлемента будет влиять на уровень ослабления прошедшей и отраженной мощностей в рабочем диапазоне защитного экрана.

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.

Изобретение может быть использовано для защиты электронных устройств от электромагнитного излучения сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона в заранее известном интервале частот. Способ преобразования падающего СВЧ-излучения в боковое рассеяние в определенном диапазоне частот на основе метаматериала, состоящего из диэлектрического контейнера, в котором равномерно размещены и одинаково ориентированы тонкопроволочные проводящие элементы спиралевидной формы, имеющие один, два, три или четыре захода спирали и один виток закрутки, расстояние между соседними элементами соизмеримо с длиной волны падающего СВЧ-излучения, а их линейные размеры значительно меньше нее. Метаматериал обладает в заранее заданном узком интервале частот электромагнитного излучения СВЧ малыми значениями модулей коэффициентов отражения и прохождения, преобразуя наклонно (нормально) падающее излучение в переизлучение внутри диэлектрического контейнера. Технический результат - создание частотно селективного защитного экрана на основе планарного метаматериала. 6 ил.

Способ преобразования падающего СВЧ-излучения в боковое рассеяние в определенном диапазоне частот на основе метаматериала, состоящего из диэлектрического контейнера, в котором равномерно размещены и одинаково ориентированы тонкопроволочные проводящие элементы спиралевидной формы, имеющие один, два, три или четыре захода спирали и один виток закрутки, расстояние между соседними элементами соизмеримо с длиной волны падающего СВЧ-излучения, а их линейные размеры значительно меньше нее.