350 руб
Журнал «Антенны» №12 за 2012 г.
Статья в номере:
Антенны и излучающие структуры СВЧ-диапазона в искусственных композитных средах: история создания, основные тенденции и перспективы развития
Ключевые слова: метаматериал отрицательное преломление среда Веселаго численное моделирование микрополосковая антенна.
Авторы:
Е.А. Шорохова - д.ф.-м.н., вед. науч. сотрудник, ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» (г. Нижний Новгород). E-mail: eaShorokhova@mail.ru М.С. Манахова - инженер, ФГУП «НПП «Полет» (г. Нижний Новгород). E-mail: rfmnaka@mail.ru
Аннотация:
Рассмотрены основные этапы истории создания метаматериалов, приведена их классификация, обозначены основные тенденции и перспективы развития этого направления в СВЧ-технике. Разработана методика проектирования микрополосковых антенн в Ansoft HFSS, в том числе с использованием материалов с отрицательным преломлением. В качестве примера выполнено численное моделирование микрополосковых антенн с метаматериалами. Показано, что использование метаструктур в конструкции микрополосковых антенн может приводить к заметному увеличению их полосы пропускания и коэффициента усиления.
Страницы: 11-31
Список источников
  1. Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь. 1986.
  2. Седаков А.Ю., Кашин А.В., Шорохова Е.А. Антенны СВЧ с повышенной полосой пропускания // Антенны. 2010. № 7 (158). С. 5-25.
  3. Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Наноантенны. М.: Радиотехника. 2010.
  4. Слюсар В. Диэлектрические резонаторные антенны. Малые размеры, большие возможности // ЭЛЕКТРОНИКА:НТБ. 2007. №4. С. 89-95.
  5. Engheta N. and R. Ziolkowski, (eds.). Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. New York: John Wiley & Sons. 2006.
  6. Bose J.C. On the rotation of plane of polarization of electric waves by a twisted structure // Proc. Roy. Soc. 1998. V. 63. P. 146-152.
  7. Lindman K.F. Om en genom ett isotropt system av spiralformiga resonatorer alstrad rotationspolarisation av de elektromagnetiska vågorna // Öfversigt af Finska Vetenskaps-Societetens förhandlingar. A. Matematik och naturvetenskaper. 1914-1915. V. LVII. № 3. P. 1-32. http://www.biodiversitylibrary.org/item/50732#103.pdf
  8. Kock W.E. Metal-lens antennas // Proceedings of Inst. Radio. Engrs. and Waves and Electrons. November 1946. V. 34. P. 828-836.
  9. Kock W.E. Metallic delay lenses // Bell Sys. Tech. J. 1948. V. 27. P. 58-82.
  10. Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., Schultz S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. P. 4184-4187.
  11. Wikipedia. Metamaterial. Accessed April. 2009. http://en.wikipedia.org/wiki/Metamaterial
  12. Walser R. Metamaterials: What are they and what are they good for - // Meeting of the American Physical Society. March 20-24, 2000. http://flux.aps.org/meetings/YR00/MAR00/abs/S9240.html
  13. Walser R. Complex mediums II: beyond linear isotropic dielectrics // Proc. SPIE 4467. SPIE - International Society for Optical Engineering. San Diego. CA. USA. 2001.P. 1-15.
  14. Lakhtakia A., Mackay T.G. Meet the metamaterials // Opt. Photon News. 2007 January. V. 18. P. 32-39.
  15. Yablonovitch E. Photonic Crystals as Meta-Materials // Meeting of the American Physical Society. March 20-24, 2000. http://flux.aps.org/meetings/YR00/MAR00/abs/S9240.html
  16. Metamorphose http://www.metamorphose-eu.org/ Accessed. April. 2009.
  17. Pendry J.B., Smith D.R. The quest for the superlens // Sci. Am. 295. 2006. P. 60-67.
  18. Wiltshire M. C. K. Bending of Light in the Wrong Way. // Science. 292. 2001. P. 60-61.
  19. Джексон Дж. Классическая электродинамика / Пер. с англ. Г.В. Воскресенского и Л.С. Соловьева. М.: Мир. 1965. C. 254-255.
  20. Brown J. Artificial dielectrics // Progress in dielectrics. 1960.V. 2. P. 195-225.
  21. Brown J. Artificial dielectrics having refractive indices less than unity // Proc. IEEE. 1953. V. 100. № 62R. P. 51 - 62.
  22. Brown J. and W. Jackson. The properties of artificial dielectrics at centimeter wavelengths // Proc. IEEE. 1955.V. 102B. № 1699R. P. 11-21.
  23. Seeley J. S. and J. Brown. The Use of Artificial Dielectrics in a Beam Scanning Prism // Proc. IEEE. 1958.V. 105C. №. 2735R. P. 93-102.
  24. Carne A. and J. Brown. Theory of Reflections from the Rodded-Type Artificial Dielectrics // Proc. IEEE. 1958.V. 105C. № 2742R. P. 107-115.
  25. Model A. M. Propagation of Plane Electromagnetic Waves in a Space Which Is Filled with Plane Parallel Grids // Radiotekhnika. 1955.V. 10. P. 52-57.
  26. Rotman W. Plasma Simulations by Artificial Dielectrics and Parallel-Plate Media // IRE Trans. Ant. Propag. 1962.V. 10. P. 82-95.
  27. Smith D.R., Vier D.C., Padilla W., Nemat-Nasser S.C., Schultz S.Loop-wire medium for investigating plasmons at microwave frequencies // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 75 (10). P. 1425-1427.
  28. Belov P.A., Tretyakov S.A., Viitanen A.J. Dispersion and reflection properties of artificial media formed by regular lattices of ideally conducting wires // J. Electromagn. Waves Applic. 2002. V. 16. P. 1153-1170.
  29. Chen H-T. et al. Active terahertz metamaterial devices // Nature. November. 2006. V. 444. P. 597-600. http://physics.bu.edu/documents/thz.pdf
  30. Щелкунов С., Фриис Г. Антенны (Теория и практика): пер. с англ. М.: Сов. радио. 1955.
  31. Pendry J.B. et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1999. V. 47. P. 2075-2081.
  32. Kostin M.V., Shevchenko V.V. Artificial magnetics based on double circular elements // Proc. of Bianisotropics-94. Perigueux. France. May 18-20. 1994. P. 49-56.
  33. Pocklington H.C. Growth of a wave-group when the group velocity is negative // Nature, 1905. V. 71. P. 607-608.
  34. Patel N. Theory, Simulation, Fabrication and Testing of Double Negative and Epsilon Near Zero Metamaterials for Microwave Applications / Master-s Thesis in Electrical Engineering. California Polytechnic State University, June 2008. http://digitalcommons.calpoly.edu/theses/7/
  35. Tretyakov S.A. et al. Research on negative refraction and backward-wave media: A historical perspective // Radio Laboratory SMARAD Helsinki University of Technology. 2005. http://users.tkk.fi/sergei/slides_tretyakov_latsis.pdf
  36. Shelby R.A., Smith D.R., Schultz S. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction // Science. 2001. V. 292. № 5514. P. 77-79. http://people.ee.duke.edu/~drsmith/pubs_smith_group/Shelby_Science_(2001).pdf
  37. Pendry J. B. Negative refraction index makes perfect lens // Phys. Rev. Lett. 2000.V. 85. P. 3966 - 3969.
  38. Notomi M. Theory of light propagation in strongly modulated photonic crystals: refraction like behavior in the vicinity of the photonic band gap // Phys. Rev. B. 2000.V. 62. № 16. P. 10696-10705.
  39. Foteinopolou S. and C. Soukoulis. Negative refraction and left-handed behaviour in two-dimensional photonic crystals // Phys. Rev. B. 2003.V. 67. P. 235107.
  40. Parimi P. et al. Negative refraction and left-handed electromagnetism in microwave photonic crystals // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. № 12. P. 127401.
  41. Sudhakaran S., Y. Hao and C. G Parini. Negative refraction phenomenon at multiple frequency bands from electromagnetic crystals // Microwave and Optical Technology Letters. 2005. V. 45. P. 465 - 469.
  42. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ // Успехи физических наук. 1967. Т. 92. № 7. С. 517-526.
  43. Lamb H. On Group-Velocity // Proc. London Math. Soc. 1. 1904.P. 473 - 479.
  44. Schuster A. An Introduction to the Theory of Optics. Edward Arnold. London. 1904.P. 313-318.
  45. Laue M. Die Fortpflanzung der Strahlung in dispergierenden und absorbierenden Medien // Ann. Phys. 1905. V. 18. P. 551.
  46. Мандельштам Л.И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М.: Наука. 1972. C. 431-437.
  47. Малюжинец Г.Д. // ЖТФ. 1951. Т. 21. Вып. 8. С. 940-942.
  48. Сивухин Д.В. Об энергии электромагнитного поля в диспергирующих средах // Оптика и спектроскопия. 1957. Т. 3. № 4. С. 308-312.
  49. Пафомов В.Е. // ЖТЭФ. 1959. № 36. С. 1853.
  50. Силин Р.А. Волноводные свойства двумерно периодических замедляющих систем // Вопросы радиоэлектроники. Сер.1. Электроника. 1959. Вып. 4. С.11-33.
  51. Veselago V., Braginsky L., Shklover V., Hafner C. Negative Refractive Index Materials // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2006. V. 3. P. 1-30.
  52. Силин Р.А. О возможности создания плоскопараллельных линз // Оптика и спектроскопия. 1978. Т. 44. Вып.1. С. 189-191.
  53. Силин Р.А. Оптические свойства искусственных диэлектриков // Изв. вузов. Сер. Радиофизика. 1972. Т. 15. № 6. С. 809-820.
  54. USA Patent № 6791432B2.
  55. Gay-Balmaz P. and Martin O. J. F. Electromagnetic resonances in individual and coupled split-ring resonators // J. App. Phys. 2002.V. 92. № 5. P. 2929-2936.
  56. Marqués R., Median F., and Rafii-El-Idrissi. Role of bianisotropy in negative permeability and left-handed metamaterials // Phys. Rev. E. 2002. V. 65. P. 144440:1-6.
  57. Markŏs P. and Soukoulis C.M. Numerical studies of left-handed materials and arrays of split ring resonators // Phys. Rev. E. 2002. V. 65. P. 036622:1-8.
  58. Markŏs P. and Soukoulis C.M. Numerical studies of left-handed materials and arrays of split ring resonators// Phys. Rev. E. 2002. V. 65. P. 033401:1-4.
  59. Greegor R.B., Parazzoli C.G., Li K., Koltenbah B. E. C., and Tanielian M. Experimental determination and numerical simulation of the properties of negative index of refraction materials //Optics Express.2003.V. 11. № 7. Р. 688-695.
  60. Ozbay E., Aydin K., Cubukcu E., and Bayindir M.Transmission and reflection properties of composite double negative metamaterials in free space // IEEE Trans. Antennas Propagat. 2003.V. 51. № 10. Р. 2592-2595.
  61. Simovski C. R., Belov P. A., and He S. Backward wave region and negative material parameters of a structure formed by lattices of wires and split-ring resonators // IEEE Trans. Antennas Propagat. 2003.V. 51. № 10. Р. 2582-2591.
  62. Marqués R., Mesa F., Martel J., and Median F. Comparative analysis of edge- and broadside-coupled split ring resonators for metamaterial: design, theory and experiments // IEEE Trans. Antennas Propagat. 2003.V. 51. № 10. Р. 2572-2581.
  63. Ziolkowski R. W. Design, fabrication, and testing of double negative metamaterials // IEEE Trans. Antennas Propagat. 2003. V. 51. № 7. Р. 1516-1529.
  64. Ziolkowski R. W. and Heyman E. Wave propagation in media having negative permittivity and permeability // Phys. Rev. E. 2001.V. 64. P. 056625:1-15.
  65. Ziolkowski R. W. Pulsed and CW gaussian beam interactions with double negative metamaterial slabs // Optics Express. 2003.V. 11. № 7. Р. 662-681.
  66. Caloz C., Chang C. C., and Itoh T. Full-wave verification of the fundamental properties of left-handed materials (LHMs) in waveguide configurations // J. App. Phys. 2001.V. 90. № 11. P. 5483-5486.
  67. So P. P. M. and Hoefer W. J. R. Time domain TLM modeling of metamaterials with negative refractive index // IEEE-MTT Int-l Symp. 2004. P. 1779-1782. Fort Worth. TX.
  68. So P. P. M., Du H., and Hoefer W. J. R. Modeling of metamaterials with negative refractive index using 2D-shunt and 3D-SCN TLM networks // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2005. V. 53. № 4. P. 1496-1505.
  69. Lindell I. V., Tretyakov S. A., Nikoskinen K. I., and Ilvonen S. BW media - media with negative parameters, capable of supporting backward waves // Micr. Opt. Technol. Lett. 2001.V. 31. № 2. Р. 129-133.
  70. Kong J. A., Wu B.-I., and Zhang Y. A unique lateral displacement of a Gaussian beam transmitted through a slab with negative permittivity and permeability // Micr. Opt. Technol. Lett. 2002.V. 33. № 2. P. 136-139.
  71. Pacheco J., Grzegorzcyk T. M., Wu B.-I., Zhang Y., and Kong J. A.Wave propagation in homogeneous isotropic frequency-dispersive left-handed media // Phys. Rev. Lett. 2002.V. 89. № 25. Р. 257401:1-4.
  72. Smith D. R., Schurig D., and Pendry J. B. Negative refraction of modulated electromagnetic waves // App. Phys. Lett. 2002.V. 81. № 15. P. 2713-2715.
  73. McCall M. W., Lakhtakia A., and Weiglhofer W. S.The negative index of refraction demystified // Eur. J. Phys. 2002. V. 23. P. 353-359.
  74. Iyer A. K. and Eleftheriades G. V. Negative refractive index metamaterials supporting 2-D waves // in IEEE-MTT Int-l Symp. 2002. V. 2. Seattle. WA. P. 412-415.
  75. Eleftheriades G. V., Iyer A. K., and Kremer P. C. Planar negative refractive index media using periodically L-C loaded transmission lines // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2002.V. 50. №12. P. 2702-2712.
  76. Caloz C. and Itoh T. Application of the transmission line theory of left-handed (LH) materials to the realization of a microstrip LH transmission line // in Proc. IEEE-AP-S USNC/URSI National Radio Science Meeting. 2002.V. 2. San Antonio. TX. P. 412-415.
  77. Caloz C. and Itoh T. Transmission line approach of left-handed (LH) structures and microstrip realization of a low-loss broadband LH filter // IEEE Trans. AntennasPropagat. 2004.V. 52. № 5. P. 1159-1166.
  78. Oliner A.A. A periodic-structure negative-refractive-index medium without resonant elements // in URSI Digest. IEEE-AP-S USNC/URSI National Radio Science Meeting. San Antonio. TX. 2002. P. 41.
  79. Oliner A. A. A planar negative-refractive-index medium without resonant elements // in IEEE-MTT Int-l Symp. Philadelphia. PA. 2003. P. 191-194.
  80. Sanada A., Caloz C., and Itoh T. Planar distributed structures with negative refractive index // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2004. V. 52. № 4. Р. 1252-1263.
  81. Chevalier C.T., Wilson J.D.Frequency Bandwidth Optimization of Left-Handed Metamaterial // NASA/TM-2004-213403. November 2004. http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2004/TM-2004-213403.pdf
  82. Shelby R.A., Smith D.R., Nemat-Nasser S.C., Schultz S. Microwave transmission through a twodimensional, isotropic, left-handed metamaterial // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78.
    P. 489-491. http://people.ee.duke.edu/~drsmith/pubs_smith_group/Shelby_APL_(2001).pdf
  83. Holloway C. L. et al. A Double Negative (DNG) Composite Medium Composed of Magnetodielectric Spherical Particles Embedded in a Matrix // IEEE Trans. Antennas Propag. 2003. V. 51. P. 2596-2603.
  84. www.wave-scattering.com/negative.html
  85. Wu M.-F. et. al. Miniaturization of a Patch Antenna with Dispersive Double Negative Medium Substrates // APMC2005 Proceedings. http://www.ee.nus.edu.sg/lwli/Publications/Conferences/2005/2005%20Invited%20b.pdf
  86. US Patent Application № 2008/0258993. Oct. 23, 2008.
  87. US Patent Application № 2008/0048917. Feb. 28, 2008.
  88. Ziolkowski R.W., Erentok A. Metamaterial-Based Efficient Electrically Small Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. V. 54. № 7. P. 2113-2130.
  89. Пахотин В.А. Излучение электрически короткой антенны из ограниченного объема газоразрядной плазмы // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. Вып. 8. С. 22-29.
  90. Sui Q., Li C., Li L., Li F. Experimental Study of λ/4 Monopole Antennas in a Left-Handed Meta-Material // Progress In Electromagnetics Research. 2005. № 51. P. 281-293. http://ceta.mit.edu/PIER/pier51/16.0401122.Sui.LL.pdf
  91. Erentok A., Luljak P.L., and Ziolkowski R.W. Characterization of a volumetric metamaterial realization of an artificial magnetic conductor for antenna application // IEEE Transactions on Antennas and Wireless Propagation. 2005. V. 53.  № 1. P. 160-172.
  92. Burokur S.N., Latrach M., Toutain S. Theoretical investigation of a circular patch antenna in the presence of a left-handed mematerial // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2005. V. 4. P. 183-186.
  93. Li B., Wu B., Liang C.-H. Study on high gain circular waveguide array antenna with metamaterial structure // Progress In Electromagnetics Research. 2006. PIER 60. P. 207-219.
  94. Majid H.A., Rahim M.K., Masri T.Microstrip antenna-s gain enhancement using left-handed metamaterial structure // Progress In Electromagnetics Research. 2009. V. 8. P. 235-247.