Характеристики излучения антенн с подложками на основе бианизотропных киральных метаматериалов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), Самара, Россия

Характеристики излучения антенн с подложками на основе бианизотропных киральных метаматериалов

Д.С. Клюев, А.М. Нещерет, О.В. Осипов, Ю.В. Соколова

Аннотация

излучение антенна биизотропный метаматериал

В докладе представлены результаты расчета характеристик излучения антенн на основе биизотропных киральных метаматериалов. Установлено, что данные антенны позволяют обеспечивать излучение электромагнитных волн круговой поляризации в азимутальных направлениях. Показано также, что при расположении данных антенн на металлических поверхностях их характеристики излучения изменяются не существенно.

Ключевые слова: Бианизотропия, киральность, метаматериал, антенна, азимутальное излучение, диаграмма направленности.

Abstract

Radiation characteristics of antennas with substrates based on bianisotropic chiral metamaterials

D. S. Klyuev, A. M. Neshcheret, O. V. Osipov, Yu. V. Sokolova

1Povolzskiy state university of telecommunications and informatics (PSUTI), Samara, Russia

The report presents the results of calculating the radiation characteristics of antennas based on biisotropic chiral metamaterials. It is established that these antennas allow to provide radiation of electromagnetic waves of circular polarization in azimuthal directions. It is also shown that when these antennas are located on metal surfaces, their radiation characteristics do not change significantly.

Keywords: Bianisotropy, chirality, metamaterial, antenna, azimuthal radiation, radiation pattern.

Введение

Важную роль в современном инфокоммуникационном пространстве играют сети подвижной радиосвязи. В настоящее время наблюдается все большая тенденция передачи в сетях подвижной радиосвязи различного мультимедийного контента в высоком качестве (Full HD, 4K Video) в режиме реального времени, в связи с чем, требования, предъявляемые к качеству обслуживания (QoS), значительно ужесточаются. В сетях подвижной радиосвязи, особенного в сетях специального назначения, также существуют требования к обеспечению связи во всех точках зоны радиопокрытия. Помимо этого, в сетях подвижной радиосвязи специального назначения могут также возникать требования, связанные маскированием антенн, расположенных на подвижном объекте [1].

Как показывают результаты исследований [2], одним из способов увеличения энергетических характеристик (отношения сигнал/шум) и, соответственно, пропускной способности, является использование в системах радиосвязи электромагнитных волн круговой поляризации. В условиях сложного природного и урбанистического рельефа волны такой поляризации меньше подвержены затуханию на вертикально ориентированных объектах (столбы освещения, опоры ЛЭП, стволы деревьев и т.п.), а также эффектам деполяризации, негативно влияющих на качество связи. И если на центровых или базовых станциях использование антенных систем, излучающих и принимающих волны круговой поляризации не вызывают сомнений, то на абонентском терминале возникает ряд существенных ограничений. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев на абонентских устройствах, расположенных, например, в автомобилях используются штыревые антенны. Такой выбор антенн обусловлен, в первую очередь, требованиями к обеспечению круговой диаграммы направленности (ДН) антенны в азимутальной плоскости, поскольку центровые и базовые станции обычно располагаются в центре зоны. Как известно, данные штыревые антенны являются антеннами вертикальной линейной поляризации.

Для обеспечения излучения и приема электромагнитных волн круговой поляризации, а также для обеспечения круговой диаграммы направленности в азимутальной плоскости предлагается использовать антенны на основе бианизотропных киральных метаматериалов [3]

1. ДН антенн с подложками на основе бианизотропных киральных метаматериалов

Биизотропный киральный метаматериал представляет собой совокупность равномерно распределенных и одинаково ориентированных проводящих включений зеркально-ассиметричной формы [4]. В данном случае в качестве таких включений предлагается использование спиралей.

Расчет характеристик излучения антенн был выполнен в программном комплексе Feko7.0 методом моментов (MoM) [5]. В целях увеличения точности расчета была выбрана достаточно малая дискретизация излучающих структур.

На рис. 1 приведена геометрия и ДН одиночного излучателя, расположенного на бианизотропной киральной подложке на основе спиралей. При этом рабочая частота равна 0,71 ГГц.

Рис. 1 Геометрия и ДН одиночного излучателя, расположенного на киральной подложке

Как видно из данного рисунка, данная антенна способна излучать электромагнитные волны в азимутальных направлениях. При этом излучаемые волны обладают круговой поляризацией. Однако, из рис. 1 видно, что основное излучение сосредоточено только лишь в двух направлениях, расположенных под углами 45° относительно излучателя.

Для увеличения числа направлений была рассчитана ДН турникетной антенны, представляющая собой два скрещенных излучателя, запитанных в квадратуре, и расположенных на такой же бианизотропной киральной подложке. Геометрия и ДН данной антенны представлена на рис. 2. На рис. 3 приведены ДН данной антенны в азимутальной и меридиональной плоскостях.

Рис. 2 Геометрия и ДН турникетной антенны

Рис. 3 ДН турникетной антенны в азимутальной и меридиональной плоскостях

Как видно из представленных ДН турникетной антенны, по сравнению с одиночным излучателем данная антенна имеет уже четыре ярко выраженных направления основного излучения в азимутальной плоскости. При этом излучаемые волны также обладают круговой поляризацией. Полученные результаты позволяют предполагать, что использование более сложных излучателей в целом позволит добиться близкой к круговой ДН в азимутальной плоскости.

Однако большинство подвижных объектов, на которых располагаются антенны, представляют собой металлические конструкции, например, автомобили, в связи с чем, имеет смысл рассмотреть аналогичные антенны с подложками из бианизотропных киральных метаматериалов, но металлизированных с нижней стороны.

На рис. 4 приведена геометрия и ДН турникетной антенны, располагаемой на бианизотропной киральной подложке с односторонней металлизацией. На рис. 5 приведены ДН данной антенны в азимутальной и меридиональной плоскостях.

Как видно из приведенных рисунков, металлическая плоскость, безусловно, искажает форму ДН, однако в целом, общее количество направлений основного излучения в азимутальной плоскости практически не изменилось. Излучаемые данной антенной электромагнитные волны также обладают круговой поляризацией.

Рис. 4 Геометрия и ДН турникетной антенны, расположенной на киральной подложке с односторонней металлизацией

Рис. 5 ДН турникетной антенны, расположенной на киральной подложке с односторонней металлизацией в азимутальной и меридиональной плоскостях

Заключение

Приведенные результаты расчета антенн с подложками из бианизотропных киральных метаматериалов свидетельствуют о перспективах их использования в абонентских устройствах сетей подвижной радиосвязи в целях улучшения энергетических характеристик, а также уменьшения габаритов и обеспечения требований маскирования, предъявляемых к антенным системам в сетях специальной радиосвязи.

1. Бузов А.Л., Белицкий А.М., Красильников А.Д. Антенны скрытого размещения для оборудования радиодоступа, устанавливаемого на малых подвижных объектах // Радиотехника (журнал в журнале). - 2014. - № 4. - С. 7 - 11.

2. Бузов А.Л. Пути повышения качества радиопокрытия зон обслуживания в профессиональных системах подвижной радиосвязи // Радиотехника. - 2016. - № 2. - С. 114 - 119.

3. Бузов А.Л., Клюев Д.С., Нещерет А.М., Неганов В.А. Перспективы использования метаматериалов в антеннах нового поколения // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2017. Т. 20. № 3. С. 15-20.

4. Неганов В.А., Осипов О.В. Отражающие, волноведущие и излучающие структуры с киральными элементами. М.: Радио и связь. 2006. 280 с.

5. Неганов В.А., Осипов О.В., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебник / Под ред. В.А. Неганова и С.Б. Раевского. Изд. 4-ое, доп. и перераб. -- М.: Радиотехника, 2009. -- 774 с.

References

1. 1. A. Buzov, A. Belitsky, A. Krasilnikov. Hidden placement antennas for radio access equipment installed on small moving objects. Radiotekhnika (journal in the journal). - 2014. - № 4. - p. 7 - 11.

2. 2. A.L. Buzov Ways to improve the quality of radio coverage of service areas in professional mobile radio systems. Radiotekhnika. - 2016. - № 2. - p. 114 - 119.

3. 3. Buzov A.L., Klyuev D.S., Nescheret A.M., Neganov V.A. Prospects for the use of metamaterials in new generation antennas // Wave process physics and radio engineering systems. 2017. V. 20. No. 3. P. 15-20.

4. 4. Neganov V.A., Osipov O.V. Reflecting, waveguiding and radiating structures with chiral elements. M .: Radio and communication. 2006. 280 p.

5. 5. Neganov V.A., Osipov O.V., Raevsky S.B., Yarovoy G.P. Electrodynamics and propagation of radio waves: Textbook / Ed. V.A. Neganova and S.B. Raevsky. Ed. 4th, add. and pererabat. - M .: Radio Engineering, 2009. - 774 p.

Размещено на Allbest.ru