Искусственные магнитодиэлектрики и метаматериалы и их применение в целях улучшения распределения полей в рабочей зоне коллиматора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

004610162 На правах рукописи

БАШАРИН Алексей Андреевич

ИСКУСТВЕННЫЕ МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКИ И МЕТАМАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЦЕЛЯХ УЛУЧШЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЙ В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ КОЛЛИМАТОРА

01.04.13- Электрофизика, электрофизические установки

05.12.07- Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 ОКТ 2010

Москва -2010

004610162

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте теоретической и прикладной электродинамики РАН.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Балабуха Н.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Казанцев Ю.Н.;

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Лось В.Ф.

Ведущая организация: ОАО «Научно - исследовательский

институт приборостроения им. Тихомирова».

Защита состоится октября 2010 г. в // ч. ВО мин. на заседании Диссертационного совета ДМ 002.262.01 при Учреждении Российской академии наук Институте теоретической и прикладной электродинамики РАН при участии Объединенного института высоких температур РАН по адресу: г. Москва, ул. Ижорская, 13, экспозал ОИВТ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института высоких температур РАН.

Автореферат разослан сентября 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук ) А.Т. Кунавин

© Учреждение Российской академии наук

Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН, 2010

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Развитие современной электродинамики требует исследования и разработки новых типов искусственных магнитодиэлектриков, обладающих более совершенными характеристиками и свойствами, которые невозможно достичь с использованием природных материалов: диэлектриков, ферритов и т.д. Благодаря их уникальным электрофизическим свойствам привычные электродинамические устройства приобретают новые качества, порой необычные и с более лучшими, чем при применении обычных материалов [1-6].

Так, в частности, это относится к облучателям коллиматоров [7-9].

Задача облучателя коллиматора - формирование на поверхности рефлектора заданного распределения амплитуды и фазы поля, как правило, постоянного в некоторой области и плавно спадающего к минимально возможным значениям на краях зеркала, в максимально возможной полосе частот. Это в свою очередь определяет максимальный размер рабочей зоны и широкополосность и соответственно электрические размеры объектов и антенн, исследуемых коллиматорным методом. Следовательно, задача увеличения рабочей зоны и расширения полосы частот является актуальной [9].

Основным требованием, предъявляемым к коллиматорам, является равномерность амплитудного и фазового распределения электромагнитного поля, создаваемого в рабочей зоне. Отличие электромагнитного поля в рабочей зоне коллиматора от поля плоской волны вызвано в основном дифракционными эффектами, обусловленными ограниченными размерами коллиматора и неравномерностью облучения зеркала коллиматора, вызванной направленностью облучателя. Кроме того, на поле в рабочей зоне влияют дефекты, связанные с погрешностями изготовления конструкции коллиматора, прямое излучение облучателя в направлении рабочей зоны, зависимость смещения фазового центра облучателя от частоты по отношению к фокусу коллиматора, отражение электромагнитной волны от оборудования безэховой камеры.

Распределение поля в рабочей зоне можно разделить на две составляющие [10]. Первая составляющая представляет собой плавно меняющуюся часть электромагнитного поля в рабочей зоне. Она обусловлена особенностями облучения коллиматора, которые определяются полем облучателя, отклонением отражающей поверхности зеркала коллиматора от поверхности параболоида вращения и неточным расположением фазового центра облучателя по отношению к фокусу коллиматора. Вторая составляющая представляет собой быстро меняющуюся часть электромагнитного поля в

рабочей зоне. Эта составляющая обусловлена в основном дифракцией на кромках зеркала коллиматора, прямым просачиванием поля облучателя в рабочую зону, отражением от стен и оборудования, размещенного в безэховой камере.

Уменьшить влияние дифракционных эффектов на поле в рабочей зоне возможно тремя способами:

1) выполнить края зеркала коллиматора в виде зубцов или плавно отогнуть;

2) за счет применения многозеркальной схемы;

3) путем применения облучателей со специальной формой диаграммы направленности и низким уровнем поля на кромках зеркала коллиматора. Первые два способа технологически сложны, поэтому третий способ кажется наиболее предпочтительным.

Характеристики облучателей, известных из литературы, оказываются на сегодняшний день практически исчерпанными. И применение их для облучения коллиматоров приводит к формированию неравномерных полей и высоким дифракционным составляющим на кромках зеркал. Поэтому возникает потребность в исследовании более сложных облучателей, включающих многослойные диэлектрики, искусственные композитные среды, обладающие одновременно диэлектрическими и магнитными свойствами магнитодиэлектрики, а также метаматериалы, на основе которых возможно построение облучателей с более релевантными характеристиками.

К моменту начала выполнения работы публикации, посвященные формированию электромагнитных полей структурами, включающими искусственные магнитодиэлектрики и метаматериалы, только начали появляться. А ряд принципиальных вопросов, связанных с распространением электромагнитных волн в волноводах и антеннах из метаматериалов, недостаточно изучен. Вопрос об излучении антенн на основе волноводов из искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов в литературе ограничен несколькими десятками публикаций. Уникальные электрофизические свойства этих искусственных сред позволяют создавать антенны и облучатели с необычными характеристиками и порой с более лучшими, чем при применении обычных материалов [11-17].

Из всего вышесказанного следует актуальность темы диссертационной работы, направленной на изучение и разработку новых типов искусственных материалов - магнитодиэлектриков и метаматериалов. Изучение новых физических эффектов, присущих структурам с такими материалами. Исследование электромагнитных полей, формируемых облучателями, в состав которых входят диэлектрики, магнитодиэлектрики и метаматериалы.

Применение облучателей для формирования полей коллиматоров и исследование электромагнитных полей в рабочей зоне коллиматора с целью ее увеличения и расширения частотного диапазона, что приведет к возможности измерения характеристик рассеяния электромагнитных волн электрически более размерными объектами и параметров антенн. Эти вопросы являются актуальными для задач авиации (в частности для Стеле- технологий), связи и электромагнитной совместимости.

Цели работы

1. Экспериментальное исследование листовых образцов магнитодиэлектриков со спиральными включениями.

2. Исследование электромагнитных полей в дальней зоне, формируемых магнитодиэлектрической антенной на основе отрезка двухслойного магнитодиэлектрического волновода, возбуждаемого коническим рупором. Разработка широкополосной антенны.

3. Теоретическое и экспериментальное изучение распространения электромагнитных волн в волноводах из метаматериалов с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей и излучения антенн на их основе.

4. Теоретическое и экспериментальное исследование полей стержневого диэлектрического облучателя в дальней зоне.

5. Исследование распределения электромагнитных полей в рабочей зоне коллиматора, в зависимости от полей облучателей.

Научная новизна

1. Исследованы электрофизические свойства листовых образцов искусственных магнитодиэлектриков и сделаны предложения о возможном их использовании для снижения боковых лепестков диаграмм направленности антенн, для корректировки полей в дальней зоне облучателей коллиматоров, в качестве элементов широкополосных облучателей коллиматоров, для формирования электромагнитных полей специальной формы.

2. Исследованы поля магнитодиэлектрической антенны. Показано, что наличие частотной дисперсии диэлектрической и магнитной проницаемостей магнитодиэлектрика позволяет сформировать диаграммы направленности антенны специальной столообразной формы с низким уровнем боковых лепестков (менее -20 дБ) в полосе частот от 8 до 12 ГГц {±20% от средней частоты).

3. Теоретически исследовано распространение электромагнитных полей в планарном волноводе на основе метаматериала с отрицательными значениями

диэлектрической и магнитной проницаемостей. Показано, что такой волновод имеет критическую длину волны и при определенных условиях возникает двухмодовый режим, когда существуют на одной частоте прямая и обратная волна.

4. Впервые показано, что при излучении открытого конца волновода из метаматериала возникает эффект обратного излучения, т.е. формирование диаграммы направленности с задним лепестком, превышающим передний. Аналитически получено условие возникновения обратного излучения.

5. Впервые экспериментально подтвержден эффект обратного излучения при излучение прямоугольной двухслойной волноводной структуры из метаматериала с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей.

6. Предложен способ увеличения рабочей полосы частот стержневого диэлектрического облучателя за счет применения в его конструкции фторопластовой цилиндрической вставки. Численный расчет и эксперимент в безэховой камере показали, что использование фторопластовой вставки позволяет увеличить рабочую полосу частот с ±3.5 % до ±7.5% относительно средней частоты.

7. Численно исследованы поля в рабочей зоне коллиматора с использованием различных видов облучателей. В качестве облучателей применялись как стандартные облучатели коллиматора МАК-5 (конический рупор, облучатель с обратным ребристым фланцем), диэлектрический стержневой облучатель и магнитодиэлектрическая антенна. Показано, что при облучении зеркала коллиматора облучателем на основе магнитодиэлектрической антенны рабочую зону можно увеличить на 30% и более по сравнению с облучением стандартными облучателями в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц.

Достоверность результатов

Достоверность результатов определяется корректным использованием математических методов и физических моделей и хорошим совпадением результатов расчетов с результатами экспериментов в безэховой камере, а также публикациями результатов исследований в журналах, рекомендованных ВАК.

Научная и практическая ценность

На основе методов и подходов, развитых в работе, созданы образцы искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов, которые могут быть с успехом применены в качестве элементов антенн. Результаты исследования

возможности создания широкополосной магнитодиэлектрической антенны с диаграммой направленности специальной формы, основанной на отрезке круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода, могут быть использованы в качестве прототипа для облучателей и антенн на основе магнитодиэлектрических структур, что имеет фундаментальное и практическое значение. А стержневая диэлектрическая антенна с расширенной полосой частот внедрена в качестве облучателя коллиматора МАК-5.

Исследование распространения электромагнитных волн в волноводах из метаматериалов с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей имеет фундаментальное значение. Максимум излучения антенн на основе такого волновода может быть расположен как в прямом, в обратном, так и в обоих направлениях одновременно. В случае расположения максимума в обратном направлении речь идет об эффекте обратного излучения. Практическая сущность эффекта может быть реализована в качестве сканирующей антенны с возможностью излучения в прямом, обратном и в обоих направлениях одновременно.

Исследования полей в рабочей зоне коллиматора носит как фундаментальный, так и практический интерес. В частности увеличение размеров рабочей зоны за счет применения облучателей со специальной формой диаграммы направленности приводит к уменьшению осцилляции распределения полей в пределах рабочей зоны, увеличивает ее размеры, что в свою очередь позволяет проводить измерения на коллиматоре более размерных объектов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Экспериментально показано, что частотная дисперсия диэлектрической и магнитной проницаемостей искусственного магнитодиэлектрика позволяет сформировать у магнитодиэлектрической антенны (антенны на основе отрезка двухслойного волновода, стенки которого состоят из такого магнитодиэлектрика) диаграммы направленности, имеющие столообразную форму главного лепестка и низкий уровень боковых лепестков (ниже -20 дБ) в широком диапазоне частот (в частности ±20% от средней частоты).

2. Теоретически показано, что при облучении зеркала коллиматора такой магнитодиэлектрической антенной кромки зеркала возбуждаются низким уровнем поля и в результате поле в рабочей зоне коллиматора имеет малые осцилляции, за счет чего размеры рабочей зоны увеличиваются на 30 % и более, а рабочий диапазон частот расширяется, по сравнению со стандартными видами облучателей.

3. Теоретически показано, что планарный волновод из метаматериала с отрицательными значениями относительной диэлектрической и магнитной проницаемостей имеет критическую длину волны и найдены условия, при которых поддерживается режим, когда существуют на одной частоте прямая и обратная волна. Показано, что в случае возбуждения в волноводе обратной волны, при излучении антенны на основе такого волновода, задний лепесток диаграммы направленности больше переднего. В этом случае проявляется эффект обратного излучения. Условие обратного излучения получено аналитически.

4. Проведено экспериментальное исследование обратного излучения электромагнитных волн антенной на основе прямоугольного двухслойного волновода, внешний слой которого состоит из метаматериала, с одновременно отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей. В случае возбуждения обратной волны в волноводе проявляется эффект обратного излучения, т.е. формирование излучения в заднем направлении. При положительных значениях диэлектрической и магнитной проницаемостей такого эффекта не наблюдалось.

5. Предложена конструкция стержневого диэлектрического облучателя с фторопластовой вставкой. Диаграмма направленности такого облучателя приближенно может быть представлена как сумма косинусоидальной диаграммы направленности стержня, воронкообразной диаграммы направленности втулки и косинусоидальной диаграммы направленности фторопластовой вставки. Диаграмма вставки, при определенной фазировке с суммарной диаграммой, позволяет сформировать диаграмму направленности облучателя специальной формы с главным лепестком столообразной формы в более широкой полосе частот (±7.5 % от средней частоты), чем без применения вставки. Это приводит к формированию распределения поля в рабочей зоне коллиматора с неравномерностью амплитуды не более 1 дБ и фазы не более 3° в этой полосе частот.

6. Проведен теоретический анализ распределения полей в рабочей зоне коллиматора в зависимости от типов облучателей. В частности: стандартные облучатели коллиматора МАК-5 (конический рупор, облучатель с обратным фланцем), стержневой диэлектрический облучатель с фторопластовой вставкой и магнитодиэлектрическая антенна. Из них наиболее равномерное поле в рабочей зоне коллиматора, с наименьшим уровнем осцилляций в широкой полосе частот, возникает при облучении зеркала коллиматора облучателем на основе магнитодиэлектрической антенны. Применение такой антенны позволяет увеличить рабочую зону на 30 % по сравнению со стандартными видами облучателей, применяемых ранее.

Апробация результатов

Результаты докладывались на следующих международных и российских конференциях:

1. Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -2002.

2. Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -

2003.

3. Четвертая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2003.

4. Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -

2004.

5. Пятая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2004.

6. Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -

2005.

7. Шестая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2005.

8. Седьмая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2006.

9. Восьмая ежегодная конференции ИТПЭ РАН, Москва-2007. Ю.Международная научная конференция «Излучение и рассеяние

электромагнитных волн» ИРЭМВ-2007, Таганрог-2007.

11. Девятая ежегодная конференции ИТПЭ РАН, Москва-2008.

12. Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2008", МГУ, Москва-2008.

13. Progress in Electromagnetic Research Symposium in Cambridge MA, USA, 2008.

14. Десятая ежегодная конференции ИТПЭ РАН, Москва-2009.

15. Международная научная конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2009, Таганрог-Дианоморское-2009.

16. Progress in Electromagnetic Research Symposium in Moscow, Russia, 2009.

17. The 3-rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwave & Optics. Metamaterials - 2009, London, UK.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 106 наименований. Общий объем 130 страниц, в том числе 65 рисунков и 2 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность темы работы, научная новизна, указаны цели, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор литературы, относящейся к теме работы.

Прежде всего, рассмотрены различные виды искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов и дано представление об электродинамических устройствах на основе искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов. Также дано определение коллиматора и представлены их виды. Показаны различные устройства облучателей коллиматоров и обсуждены их характеристики.

Во второй главе рассматриваются электрофизические свойства листовых образцов искусственных магнитодиэлектриков со спиральными включениями в зависимости от ориентации их в плоскости образца, в целях применения этих материалов в качестве элементов облучателей коллиматоров. Также описана сверхширокополосная методика измерения электрофизических параметров материалов в свободном пространстве.

Интерес к этим композитам связан с возможностью получения искусственных магнитных свойств образца при отсутствии магнитных включений; отрицательных значений материальных параметров; получение высоких значений магнитной проницаемости; частотной дисперсии диэлектрической и магнитной проницаемостей; композитов с малым весом и т.д.

Эти свойства можно получить вследствие возникновения резонансных явлений, которые генерируются электромагнитной волной во включениях в композите. Полезной особенностью таких композитов является возможность «настройки» материала в процессе изготовления на нужную резонансную частоту за счет надлежащего выбора геометрических параметров включений (в отличие от обычных материалов, где магнитные и диэлектрические свойства определяются физической природой вещества), а также довольно большие достижимые абсолютные значения магнитной проницаемости на высоких частотах [18]. Более того, важной особенностью таких композитов является возможность реализации отрицательных значений магнитной проницаемости в некоторой полосе частот. Соответствующие исследования проводились как

зарубежными учеными [19], так и отечественными [20-22]

Каждому из включений можно сопоставить векторные электрический и магнитный моменты. При расположении включений составляющие этих моментов складываются и взаимодействуют таким образом, что композит ведет себя как искусственный магнитодиэлектрик. Это означает, что электродинамические свойства выделенного объема вещества (с характерным размером от нескольких длин волн и выше) можно охарактеризовать эффективными диэлектрической и магнитной проницаемостями, которые не зависят от величины этого объема и иных внешних факторов.

Дополнительным конструктивным преимуществом таких композитов перед другими структурами с подобными свойствами является высокая степень унификации компонентов.

Известные из литературы композиты нуждаются в усовершенствовании и в более подробном рассмотрении с целью их применения в качестве элементов антенн и в частности в нашем случае, в качестве облучателей коллиматоров. Для этого рассматривались образцы с различным расположением спиралей в плоскости образца, в различных частотных диапазонах и сделаны выводы о возможности их применения, в качестве элементов антенн. Экспериментальные материальные параметры образцов были получены по формулам Френеля из измеренных комплексных коэффициентов отражения и прохождения в свободном пространстве. Образцы были настроены на резонансные частоты ЗГГц, 4 ГГц, 9 ГГц.

ОБРАЗЕЦ №1 - композитный листовой материал на основе упорядоченной однородной смеси право- и левозакрученных проволочных спиралей (для исключения эффекта киральности), приклеенных на тонкую полиуретановую подложку толщиной 0.2 мм (Рис. 1). Оси всех спиралей были ориентированы параллельно подложке в двух взаимно ортогональных направлениях. Концентрация право- и левозакрученных спиралей одинакова. Толщина образца составляла 2.2 мм.

Рис. 1. ОБРАЗЕЦ №1 искусственного магнитодиэлектрика.

Проволочные спирали были изготовлены из высокоомного изолированного манганинового провода диаметром 0.05 мм. Отдельные спирали длиной 2 мм имели 2 витка провода, намотанных с шагом 0.9 мм на отрезок цилиндрической диэлектрической трубки с внешним диаметром 1.8 мм и внутренним диаметром 0.5 мм. В качестве трубки использовалась упрочненная трубка из радиационно-сшитого полиэтилена. Каждая спираль настраивалась на резонансную частоту близкую к 9 ГГц при помощи цилиндрического резонатора.

Экспериментальные эффективные материальные параметры композита в диапазоне частот 6-1 б ГГц приведены на рис.2 а, б.

4.5

8 10 12 14 16 18

Частота, ГГц

I ' I ' I ' I 8 10 12 14 16 Частота, ГГц

Рис. 2. Графики зависимости эффективных значений диэлектрической (а) и магнитной (

проницаемостей ОБРАЗЦА №1 от частоты. ■ ■■■«■• действительная часть мнимая часть

Подобный композитный материал обладает высокими значениями мнимых частей диэлектрической и магнитной проницаемостей в области резонансной частоты (около 9 ГГц), что в свою очередь обеспечивает большие потери при взаимодействии образца с электромагнитной волной. Это свойство композита позволяет применять его в качестве поглотителя боковых лепестков в антеннах. Второй особенностью является наличие частотной дисперсии диэлектрической и магнитной проницаемостей. Применение композита в качестве частотно зависимого элемента представляет значительный интерес при проектировании широкополосных облучателей коллиматоров.

Спирали ОБРАЗЦА №2 (Рис. 3) были расположены ортогонально в трех плоскостях на парафиновой подложке толщиной 2 мм. Использовалось одинаковое количество лево- и правозакрученных спиралей. Благодаря такому

расположению предполагается, что материал имеет изотропные свойства в направлениях х,у,г. Исследовались композиты с включениями из спиралей медного и нихромового проводов. Спирали имели по 2.5 витка, диаметром 0.8

мм с шагом 2 мм. Внешний диаметр спирали равнялся 5 мм. у

Е гав и Г - .4 Л Я \

а® а» Шь *«« а».

Рис. 3. ОБРАЗЕЦ №2 искусственного магнитодиэлектрика.

Экспериментальные эффективные материальные параметры плоского образца композита в диапазоне частот 2-9 ГГц, приведены на рис. 4. для ориентации падающего поля Е вдоль оси * и для ориентации вдоль оси у на рис. 5 для включений из нихрома.

Максимумы диэлектрических и магнитных потерь расположены вблизи частоты 3.5 ГГц. Наблюдается хорошее совпадение графиков зависимости диэлектрической и магнитной проницаемости от частоты при различных поляризациях. Отличие для действительных частей проницаемостей не привышает 5 %, мнимые части могут отличаться не более чем на 10%.

I П 1.5 2.0 2 5 3.0 3 5 4.0 4 5 5 0 5.5 Е.О 6 5 7.0 7 5 Частота, ГГц

упту и I Г|1 I |1 I II |11 II | I 14 ! | ГШрГГГ|Т1ГГ(Ш1 ЦП ¡им

1.0 15 2.0 2.5 3.8 3.5 4.0 4.5 5 0 5.5 6.0 6 5 7.0 7.5 Частота, ГГц

Рис. 4. Графики зависимости эффективных значений диэлектрической (а) и магнитной (б)

проницаемостей ОБРАЗЦА №2 от частоты при ориентации поля Е вдоль оси X. ........ действительная часть

—— мнимая часть

Рис. 5. Графики зависимости эффективных значений диэлектрической (а) и магнитной (б) проницаемостей ОБРАЗЦА от частоты при ориентации поля Е

вдоль оси У.

........ действительная часть

— мнимая часть 1

В случае использования медных спиралей наблюдалось расхождение в результатах при различных поляризациях. Эта особенность вызвана значительным различием свойств одиночных медных спиралей, которые требуют тщательной настройки. Также возможной причиной является технологический процесс установки спиралей на подложку образца, сопровождающийся нагревом спиралей и утоплением их в подложку. Каждая спираль при нагреве может деформироваться и в целом образец статистически 1 становится неравномерен. 1

Применение нихромовых спиралей в качестве высокопроводящих 1 включений композитов более оправдано, чем медных. На основе таких спиралей возможно построение изотропных материалов с сильной частотной дисперсией для антенных приложений.

ОБРАЗЕЦ №3 является композитом (метаматериалом), обладающим отрицательными значениями материальных параметров.

Рис. 6. ОБРАЗЕЦ №3 искусственного магнитодиэлектрика. 14

Метаматериал представлял собой двумерную решетку проволочных нихромовых спиралей, расположенных на тонкой полиуретановой подложке толщиной 0.2 мм (Рис. 6). Использовалось одинаковое количество лево- и правозакрученных спиралей. Спирали имели по 3 витка нихромового провода диаметром 0.4 мм с шагом витка 1 мм. Внешний диаметр спирали равнялся 5 мм.

Параметры образца подобраны таким образом, чтобы обеспечить резонанс диэлектрической и магнитной проницаемостей на частоте близкой к 2.8 ГГц. Область частот от 2.7 ГГц до 3.1 ГГц является областью отрицательных значений материальных параметров. Экспериментальные частотные зависимости эффективных материальных параметров плоского образца метаматериала представлены на рис. 7.

Частота, ГГц Частота, ГГц

Рис. 7. Графики зависимости эффективных значений диэлектрической (а) и магнитной (б) проницаемостей ОБРАЗЦА №3 от частоты.

действительная часть —— мнимая часть

Образец обладает значительными диэлектрическими и магнитными потерями, что можно использовать при построении поглотителей и для снижения боковых лепестков облучателей. В отличие от предыдущих образцов, метаматериал обладает отрицательными свойствами материальных параметров. Эти свойства возникают благодаря плотному расположению спиралей и достаточно тонкой подложке, которая не вносит вклада в диэлектрическую и магнитную проницаемость материала. Излучения антенн, включающих материалы с отрицательными свойствами, обладают уникальными свойствами. Подробно поля и свойства излучения таких антенн описаны в главе 4.

Таким образом, экспериментально исследованы образцы исскуственных магнитодиэлектриков (композитов) с различными конфигурациями

расположения спиралей и сделаны выводы о возможном применение таких композитов в качестве элементов антенн, в частности облучателей коллиматоров. Показано, что образцы материалов со спиральными включениями могут обладать отрицательными свойствами диэлектрической и магнитной проницаемостей, на частотах выше резонансной.

В третьей главе теоретически и экспериментально исследованы вопросы излучения магнитодиэлектрической антенны на основе открытого конца круглого двухслойного волновода (Рис. 8), представляющего собой трубку из искусственного магнитодиэлектрика- ОБРАЗЦА №1, описанного в Главе 2.

Рис. 8. Геометрия антенны на основе открытого конца круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода (а), фото исследуемой антенны (б).

Методом интегральных уравнений для тел вращения рассчитаны поля в дальней зоне, а именно диаграммы направленности такой антенны [23].

Приближенно, диаграмма направленности может быть представлена как сумма косину социальной диаграммы направленности конического рупора и воронкообразной диаграммы направленности отрезка магнитодиэлектрического волновода. Диаграмма направленности волновода, при определенной фазировке с диаграммой рупора, позволяет сформировать диаграмму направленности с главным лепестком столообразной формы. Благодаря частотной дисперсии материальных параметров магнитодиэлектрика можно обеспечить слабое изменение с частотой формы главного лепестка диаграммы направленности в некотором диапазоне углов и сформировать диаграммы направленности специальной формы и за счет сильных потерь магнитодиэлектрика - низкий уровень боковых лепестков. На Рис. 9 представлены результаты расчетов амплитудных диаграмм направленности (пунктир) и результаты экспериментального исследования диаграмм направленности антенны (сплошная кривая), проведенного в безэховой камере. Также приведены фазовые диаграммы.

^ЧВД вкрад 6.ФЗД

а б в

Рис. 9. Амплитудные и фазовые диаграммы направленности антенны на основе открытого конца магнитодиэлектрического волновода на частоте 8 ГГц (а), 10 ГГц (б), 12 ГГц (в).

Показано, что главный лепесток диаграммы направленности имеет столообразную форму, с неравномерностью амплитуды, не превышающей 1 дБ и фазы 3°, которая сохраняется в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц. Боковые лепестки диаграммы направленности не превышают -20 дБ. Предложено использование такой антенны в качестве облучателя коллиматора.

В четвертой главе теоретически, методом собственных функций [24], изучены поля планарного волновода из метаматериала с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей (Рис. 10 а). Показано, что в таком волноводе в зависимости от частоты существуют прямые, обратные и стоячие волны. Обратная волна- волна у которой групповая и фазовая скорость разнонаправлены. Также выявлено, что такой волновод обладает критической длиной волны. В случае отрицательных значений материальных параметров потоки мощности в волноводе и в окружающем пространстве направлены в стороны, противоположные относительно оси волновода. Соответственно, антенна на основе планарного волновода из метаматериала будет излучать или в прямом направлении (в случае прямой волны) (Рис. 10 г), в обратном (в случае обратной волны) (Рис. 10 в) или в обоих направлениях одновременно (в случае стоячей волны) (Рис.

10 б). Условие излучения в обратном направлении получено аналитически.

Рис. 10. Планарный волновод из метаматериала (а); Диаграммы направленности в азимутальной плоскости при излучении антенны на основе такого волновода в случае стоячей волны (б), обратной волны (в), прямой волны (г).

Также экспериментально продемонстрирован эффект обратного излучения электромагнитных волн антенной на основе волновода в виде трубки из метаматериала (Рис. 11). Метаматериал- ОБРАЗЕЦ 3 (см. главу 2) обладал отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей вблизи частоты 3 ГГц.

Рис. 11. Схема антенны на основе волновода в виде прямоугольной трубки из метаматериала (а), Фото исследуемой антенны (б).

Численные расчеты Методом моментов (пунктир) [25] и измерений в безэховой камере (сплошная кривая) в области отрицательных значений диэлектрической и магнитной проницаемостей (3 ГГц, рис. 7) демонстрируют возможность излучения такой антенны как в прямом (Рис. 12 а), в обратном (Рис. 12 б) так и в обоих направлениях одновременно (Рис. 12 в), в зависимости от толщины трубки.

и

ч

нз

ч

из

ч

а б в

Рис. 12. Диаграммы направленности в плоскости Е, антенны в виде трубки из метаматериала толщиной (1=5 мм (а), 20 мм (б), 10 мм (в) на частоте 3 ГГц.

Показано, что данный эффект наблюдается, при условии существования поля обратной волны и при наличии отрицательных значений относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериала. В то время как в случае положительных материальных параметров метаматериала такого эффекта не наблюдается.

В пятой главе рассматривается стержневой диэлектрический облучатель, который состоит из диэлектрического стержня- 3, диэлектрической биконической втулки- 2, ребристого фланца- 4, круглого волновода-1 , который

запитывается волной Ни (Рис. 13).

Целью этой главы является теоретическое и экспериментальное исследование диаграмм направленности стержневого диэлектрического облучателя и усовершенствование его конструкции в части расширения рабочей полосы частот.

Диаграмма направленности такого облучателя в первом приближении может быть представлена как сумма диаграммы направленности стержня, которая осесимметрична, и имеет максимум в направлении оси стержня и диаграммы направленности втулки, которая имеет воронкообразную форму с минимумом в направлении указанной оси. Относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня £¡=2.55 (полистирол) и относительная диэлектрическая проницаемость биконической втулки е2 =4.5 (текстолит). При отработанных размерах стержня и биконической втулки, а так же тщательной фазировке всех элементов облучателя можно получить оптимальную по форме диаграмму направленности со столообразной вершиной неравномерностью амплитуды не более ¡дБ и фазы не более 3° в узкой полосе частот ±2.2%.

ж WW . ^

Ь Ц 3® ■

а б

Рис. 13. Схема стержневого диэлектрического облучателя с фторопластовой вставкой (а) и фото исследуемой антенны (б).

Для исследования направленных свойств стержневого диэлектрического облучателя построена математическая модель его характеристик излучения. Численный анализ диаграмм направленности облучателя проводился методом интегральных уравнений (ИУ) для тел вращения на основе аппарата тензорных функций Грина, разработанного E.H. Васильевым [23].

Как показал анализ структуры облучателя, можно расширить рабочий диапазон частот путем применения в его конструкции цилиндрической фторопластовой вставки с относительной диэлектрической проницаемостью е3 =2, обозначенной на рис. 13 цифрой 5.

На рис. 14 представлены результаты расчетов (пунктир) и экспериментов в безэховой камере диаграмм направленности облучателя в дальней зоне, в диапазоне частот.

а б в

Рис. 14. Амплитудные и фазовые диаграммы направленности стержневого диэлектрического облучателя с фторопластовой вставкой. Частота 8.6 ГГц (а),

9 ГГц (б), ЮГГц(в).

Главный лепесток диаграммы направленности сохраняет столообразную форму с неравномерностью амплитуды, не превышающую I дБ и фазы 3° в диапазоне частот от 8.6ГГц до 10 ГГц.

Таким образом, использование фторопластовой вставки в качестве элемента стержневого диэлектрического облучателя, приводит к увеличению относительной рабочей полосы частот до ±7.5% относительно средней частоты.

В шестой главе исследованы поля в рабочей зоне коллиматора МАК- 5 в зависимости от полей стандартных облучателей коллиматора МАК-5 (конический рупорный облучатель, облучатель с обратным фланцем), а также облучателей описанных в главах 3 и 5 (магнитодиэлектрическая антенна и стержневой диэлектрический облучатель с фторопластовой вставкой). Зеркало коллиматора представляет собой несимметричную вырезку параболоида вращения, состоящего из 67 щитов, с фокусным расстоянием 3.5 м, поперечные размеры которого 4.5 м на 5 м.

Показано, что распределение поля в рабочей зоне коллиматора определяется двумя составляющими (Рис. 15). Первая составляющая тем равномернее, чем ближе форма главного лепестка диаграммы направленности облучателя к столообразной. Вторая составляющая связана с уровнем поля облучателя на кромках зеркала коллиматора. Эта дифракционная составляющая

вносит осциллирующий характер в распределении поля. Чем меньше уровень поля на кромках зеркала коллиматора, тем более гладкое распределение поля формируется в рабочей зоне. Приведены амплитудные и фазовые распределения полей в горизонтальных и вертикальных срезах рабочей зоны. В частности для частоты 8.5 ГГц распределения поля в горизонтальном срезе представлены на

X, М X, м

Рис. 15. Распределения амплитуды и фазы поля Е в горизонтальном срезе рабочей зоны на частоте 8.5 ГГц.

~ 1 "" ' ' Конический рупорный облучатель

.....*..... Облучатель с обратным фланцем

Стержневой диэлектрический облучатель с фторопластовой вставкой

Магнитодиэлектрическая антенна

Как видно из графиков (Рис. 15) неравномерность амлитуды поля менее 1 дБ и фазы менее 3° сохраняется в узкой области рабочей зоны, которая сужается с ростом частоты. К тому же распределение полей носят осциллирующий характер, связанный в основном с дифракцией на кромках зеркала коллиматора. И чем меньше возбуждаются кромки зеркала коллиматора полем облучателя, тем меньше осцилляции наблюдаются в рабочей зоне коллиматора. Самые быстрые осцилляции возникают при возбуждении зеркала облучателем с обратным ребристым фланцем. Уровень поля на кромках зеркала коллиматора в этом случае достигает -4 дБ. При возбуждении коническим облучателем уровень поля на кромках зеркала ниже -6 дБ. Облучатель на основе магнитодиэлектрической антенны вносит в поле рабочей зоны наименьшие осцилляции благодаря низкому уровню поля на кромках зеркала (ниже -20 дБ).

При облучении зеркала коллиматора диаграммой направленности близкой к столообразной форме наблюдается слабо меняющаяся составляющая

поля, в пределах рабочей зоны. Такими диаграммами обладают диэлектрический стержневой облучатель и магнитодиэлектрическая антенна.

Нар Рис. 16 представлены зависимости ширины рабочей зоны О от частоты для облучателей представленных выше, в плоскостях X, У. Анализ графиков показывает, что наибольшая рабочая зона наблюдается при облучении зеркала коллиматора магнитодиэлектрической антенной, при этом ширина рабочей зоны меняется от 3 м до 2.2 м, с ростом частоты. В то время как стандартный конический облучатель имеет наименьшую рабочую зону в диапазоне частот от 8 до 10 ГГц. Облучатель с обратным фланцем имеет немного большие размеры рабочей зоны и его применение более предпочтительно благодаря низкому уровню заднего излучения. Размеры рабочей зоны, формируемой при использование стержневого диэлектрического облучателя, по своим характеристикам находится посередине между облучателем с обратным фланцем и облучателем на основе магнитодиэлектрической антенны. Т.о. наибольшая равномерность поля в рабочей зоне достигается при облучении зеркала коллиматора диаграммой направленности столообразной формы с неравномерностью вершины главного лепестка не более 1 дБ и фазы менее 3° в секторе углов ±20° и амплитудой поля на кромках зеркала ниже -10 дБ, в полосе частот от 8 до 10 ГГц.

у

к»

— —»

-..-Г-Ь"

6.0 е,5 9,0 9,5 №,0

Г, ГГц

Рис. 16. Ширина рабочей зоны в горизонтальном и вертикальном срезах в зависимости от частоты.

— ■ — ■ ■ Конический рупорный облучатель

■"" ......... Облучатель с обратным фланцем

—■ " Стержневой диэлектрический облучатель с фторопластовой вставкой

Магнитодиэлектрическая антенна

Это в свою очередь открывает новые перспективы для экспериментального исследования характеристик рассеяния более электрически

размерных объектов и антенн коллиматорным методом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Экспериментально исследованы образцы исскуственных магнитодиэлектриков (композитов) с различными конфигурациями расположения спиралей и сделаны выводы о возможном применении таких композитов в качестве элементов антенн, в частности облучателей коллиматоров. Показано, что образцы материалов со спиральными включениями могут обладать отрицательными свойствами диэлектрической и магнитной проницаемостей на частотах выше резонансной.

2. Показано, что использование магнитодиэлектрика в качестве элемента волноводной антенны позволяет получить диаграммы направленности столообразной формы с низким уровнем боковых лепестков в широком диапазоне частот. На основе таких антенн возможно формировать поля в дальней зоне с постоянными амплитудами и фазами в некоторой области пространства, что является перспективным для построения облучателей коллиматоров, главной задачей которых является формирование полей с постоянной амплитудой и фазой в пределах зеркала коллиматора.

3. Изучены поля планарного волновода из метаматериала. Показано, что в таком волноводе в зависимости от частоты существуют прямые, обратные и стоячие волны. В случае отрицательных значений материальных параметров потоки мощности в волноводе и в окружающем пространстве направлены в стороны, противоположные относительно оси г. Соответственно, можно ожидать, что антенна на основе планарного волновода из метаматериала будет излучать в прямом направлении (в случае положительного полного потока мощности), в обратном (в случае отрицательного полного потока мощности) или в обоих направлениях одновременно (в случае нулевого полного потока мощности). Также отмечено, что такой волновод имеет критическую длину волны.

4. Экспериментально продемонстрирован эффект обратного излучения электромагнитных волн антенной на основе волновода в виде трубки из метаматериала. Показано, что данный эффект наблюдается, при условии существования поля обратной волны и при наличии отрицательных значений относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериала. В то время как в случае положительных материальных параметров метаматериала такого эффекта не наблюдается.

5. Исследованы поля, формируемые диэлектрическим стержневым облучателем в дальней зоне. Диаграмма направленности такой антенны имеет столообразную форму, но в узком диапазоне частот. Показано, что

использование фторопластовой вставки в качестве элемента стержневого диэлектрического облучателя приводит к увеличению рабочей полосы частот с ±2.2% до ±7.5% относительно средней частоты и тем самым расширяет рабочий диапазон частот зеркального коллиматора в среднем на 30% (в зависимости от частоты), при облучении зеркала коллиматора таким облучателем, б. Исследованы поля в рабочей зоне коллиматора в зависимости от применяемых облучателей. Приведены сравнительные характеристики облучателей и полей. Даны рекомендации по выбору облучателей коллиматора. Показано, что применение облучателя на основе магнитодиэлектрической антенны и стержневого диэлектрического облучателя с фторопластовой вставкой позволяет увеличить рабочую зону в среднем на 30 % (в зависимости от частоты), по сравнению со стандартными видами облучателей, применяемых ранее в более широком диапазоне частот.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Балабуха Н.П., Башарин A.A. Облучатели коллиматора МАК-5// Труды Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2007, Таганрог-2007, С. 86-90.

2. Lagarkov A. N., Semenenko V. N., Basharin A. A., Balabukha N. P.. Abnormal Radiation Pattern of Metamaterial Waveguide// PIERS Online Vol. 4, No. 6,

2008, Cambridge MA, USA., P. 641-644

3. Башарин A.A. Аномальное излучение волновода с нагрузкой из метаматериала с отрицательным преломлением// Труды международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2008", МГУ - Москва, С. 1-3.

4. Балабуха Н.П., Башарин A.A.. Диэлектрический стержневой облучатель с расширенной полосой рабочих частот// Антенны, вып. 12,2008, С. 65-72.

5. Балабуха Н.П., Башарин A.A. «Диэлектрическая антенна»// Патент, №2007147849/09(052442), Россия, 2008.

6. Балабуха Н.П., Башарин A.A., Семененко В.Н. Распространение электромагнитных волн в планарных волноводах из метаматериалов и излучение антенн на их основе// Радиотехника и электроника, том 54, №8,

2009, С. 946-951.

7. Балабуха Н.П., Башарин A.A., Семененко В.Н., Эффект обратного излучения электромагнитных волн волноводной структурой из метаматериала// Письма в ЖЭТФ, том 89, вып. 10,2009, С. 593-598.

8. Балабуха Н.П., Башарин А.А., Исследование электромагнитных полей в рабочей зоне коллиматора МАК-5// «Журнал радиоэлектроники», №5, 2009, электронный журнал ISSN 1684-1719, http://jre.cplire.ru.

9. Балабуха Н.П., Башарин А.А., Семененко В.Н. Излучение из открытого конца полубесконечного круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода// Антенны, вып. 8,2009, С. 46-49.

10. Балабуха Н.П., Башарин А.А., Семененко В.Н., Излучение антенн на основе волноводов из метаматериалов // Труды Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2009, Таганрог-Дианоморское-2009, С. 214-217.

11. Basharin A. A., Balabukha N. P. The radiation of antennas based on metamaterial waveguides// Proceeding of The 3-rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwave & Optics. Metamaterials -2009, London, UK.

12. Basharin A.A., Balabukha N.P., and Semenenko V.N. The radiation from a planar metamaterial waveguide // Journal of Applied Physics. 2010. V. 107, N. 113301-1-5.

СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ РАБОТ

1. Симовский K.P. Слабая пространственная дисперсия в композиционных средах. СПб.: Политехника. 2003

2. Лагарьков А.Н. и др., Электрофизические свойства перколяционных систем, М.: ИВТАН, 1990

3. Веселого В.Г. // УФН. 1967. Т. 92. С. 517-526.

4. Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., Schult: S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity// Phys. Rev. Lett. 2000, Vol. 84, N 18,

5. Третьяков С.А., Электродинамика сложных сред: киральные, биизотропные и некоторые бианизотропные материалы// Радиотехника и электроника. 1994, том 39, вып. 10, с. 1457-1470

6. Виноградов А.П., Электродинамика композитных материалов, М.: УРСС, 2001

7. А.П. Курочкин, Теория и техника антенных измерений// Антенны, вып. 7(146), 2009.

8. Майзельс E.H., Торгованов В.А., Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: Сов. Радио, 1972.

9. Балабуха Н.П., Зубов A.C., Солосин B.C., Компактные полигоны для измерения характеристик рассеяния. М.: Наука, 2007.

ю. Балабуха Н.П., Зубов А.С., Солосин B.C., Федоров С.А. Коллиматор МАК-5М. Конструкция и технические характеристики. //Радиотехника и электроника, 2009, том 54, №5, с. 634

11. Шевченко В.В.Н РЭ. 2005, т.50, №11, с. 1363-1369

12. Излучение и рассеяние электромагнитных волн, под редакцией В.А. Обуховца, Антенны №11 (138), 2008

13. Казанцев Ю.Н., Аплеталин В.И., Солосин B.C. Мини-экраны электромагнитного излучения//Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53. №3. с. 316-319

14. Luukkonen О., Simovski C.R., and Tretyakov S.AJ/Progress in Electromagnetics Research B.2009. V. 15. p 267-283

15. Engheta N.. Ziolkowski R. W.H IEEE Trans. 2005 V. 292, No 4. P. 1535

16. Панченко Б. А. Метаматериалы и сверхнаправленность антенн. Радиотехника и электроника, 2009, том 54, №3, с. 302- 307

17. Caloz С. and Т. Itoh Electromagnetic metamaterials: transmission line theory and microwave applications, A John Wiley & Sons, Inc, 2006

18. Кисель B.H. Докторская диссертация. M.: ИТПЭ ОИВТ РАН, 2004

19. Pendry J.B., Holden A.J., Robbins D.J., Stewart W.J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. // IEEE Trans. Micr. Theory and Techniques. 1999. V. 47. P. 2075-2084.

20. Щелкунов C.A., Фриис X. Т. Теория антенн. М.: Гос. изд. технико-теор. лит, 1959.

21. Костин М.В., Шевченко В.В. Теория искусственных магнетиков на основе кольцевых токов// Радиотехника и электроника. 1992. Т.37. №11. С. 19922003.

22.Лагарьков А.Н., Сарычев А.К., Виноградов А.П. О возможности аномальной индуктивности композитных материалов// Письма в ЖЭТФ. 1984. Т.40. № 7. С.1083-1086.

23. Васильев Е.Н. Возбуждение тел вращения. - М.: Радио и связь. 1987

24. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухорукое Л.Я.Теория волн, М.: Наука, 1990

25. Balanis С. A., Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley & Sons, 1997

БАШАРИН Алексей Андреевич

ИСКУСТВЕННЫЕ МАШИТОДИЭЛЕКТРИКИ И МЕТАМАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЦЕЛЯХ УЛУЧШЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЙ В РАБОЧЕЙ

ЗОНЕ КОЛЛИМАТОРА

Автореферат

Подписано в печать 10.09.2010г. Формат 60x84/16 Печать цифровая. Усл.п.л.2 Тираж 100 экз. Заказ № 217. Отпечатано в ООО «Реглет» 125315 г. Москва, Ленинградский проспект, д.74 к.1 Тел: 790-47-77; 661-60-89

Введение.

Актуальность темы.

Цели работы.

Научная новизна.

Достоверность результатов.

Научная и практическая ценность.

Основные положения, выносимые на защиту.

Апробация результатов.

Публикации.

Краткое содержание работы.

Список публикаций.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 Искуственные магнитодиэлектрики и метаматериалы.

1.2 Электродинамические устройства на основе искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов.

1.3 Микроволновые антенные коллиматоры.

1.4 Планарный магнитодиэлектрический волновод.

1.5 Излучение антенн бегущей волны.

1.6 Диэлектрические стержневые антенны.

Глава 2. Исследование листовых образцов магнито диэлектриков со спиральными включениями.

Глава 3. Излучение из открытого конца полубесконечного круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода. Вариант магнито диэлектрической широкополосной антенны.

Глава 4. Поля в волноводах, на основе метаматериалов и излучение антенн на их основе.

4.1 Собственные волны планарного волновода из метаматериала.

4.2 Излучение антенны на основе планарного волновода из метаматериала.

4.3 Экспериментальное подтверждение эффекта обратного излучения.

Глава 5. Стержневой диэлектрический облучатель с расширенной полосой рабочих частот.

Глава 6. Исследование распределения полей в рабочей зоне зеркального коллиматора МАК-5.

Актуальность темы.

Развитие современной электродинамики требует исследования и разработки новых типов искусственных магнитодиэлектриков, обладающих более совершенными характеристиками и свойствами, которые невозможно достичь с использованием природных материалов: диэлектриков, ферритов и т.д. Благодаря их уникальным электрофизическим свойствам привычные электродинамические устройства приобретают новые качества, порой' необычные и с более лучшими; чемшри применении обычных материалов:

Так, в частности это относится к облучателям, коллиматоров.

Задача- облучателя, коллиматора - формирование на поверхности рефлектора, заданного распределения амплитуды и фазы поля, как правило, постоянного в« некоторой области и плавно спадающее к минимально возможным значениям на краях зеркала, в максимально возможной полосе частот. Это в свою очередь определяет максимальный размер рабочей зоны и широкополосность и соответственно электрические размеры объектов и антенн, исследуемых коллиматорным методом: Следовательно, задача увеличения рабочей зоны и расширение полосы частот является актуальной.

Основным требованием, предъявляемым к коллиматорам, является равномерность амплитудного и фазового распределения электромагнитного поля, создаваемого в рабочей зоне. Отличие электромагнитного поля в рабочей зоне коллиматора от поля плоской волны вызвано в основном дифракционными эффектами, обусловленными ограниченными размерами коллиматора и неравномерностью облучения зеркала коллиматора, вызванной направленностью облучателя. Кроме того, на поле в рабочей зоне влияют дефекты, связанные с погрешностями изготовления конструкции коллиматора, прямое излучение облучателя в направлении рабочей зоны, зависимость смещения фазового центра облучателя от частоты по отношению к фокусу коллиматора, отражение электромагнитной волны от оборудования безэховой камеры.

Распределение амплитуды поля в рабочей зоне можно разделить на две составляющие. Первая составляющая представляет собой плавно меняющуюся часть электромагнитного поля в рабочей зоне. Она обусловлена особенностями облучения коллиматора, которые определяются полем облучателя, отклонением отражающей поверхности зеркала коллиматора от поверхности параболоида вращения и неточным расположением фазового центра облучателя по отношению к фокусу коллиматора. Вторая составляющая представляет собой быстро меняющуюся», часть электромагнитного поля в рабочей'зоне. Эта составляющая обусловлена в , основном дифракцией на- кромках зеркала коллиматора, прямым просачиванием поля облучателя в рабочую зону, отражением от стен и оборудования, размещенного в безэховой камере.

Уменьшить влияние дифракционных эффектов на поле в рабочей зоне, возможно тремя способами:

1) выполнить края зеркала коллиматора в виде зубцов или плавно отогнуть;

2) за счет применения многозеркальной схемы;

3) путем применения облучателей со специальной формой диаграммы направленности и низким уровнем поля на кромках зеркала коллиматора. Первые два способа технологически сложны, поэтому третий способ кажется наиболее предпочтительным.

Характеристики облучателей, известных из литературы, оказываются на сегодняшний день практически исчерпанными. И применение их для облучения коллиматоров приводит к формированию неравномерных полей и высоким дифракционным составляющим на кромках зеркал. Поэтому возникает потребность в исследовании более сложных облучателей, 5 включающих многослойные диэлектрики, искусственные композитные среды, обладающие одновременно диэлектрическими и магнитными свойствами - магнитодиэлектрики, а также метаматериалы, на основе которых возможно построение облучателей с более релевантными характеристиками.

К моменту начала выполнения работы, публикации посвященные формированию электромагнитных полей структурами, включающих искусственные магнитодиэлектрики и метаматериалы, только начали появляться. А ряд принципиальных вопросов, связанных с распространением электромагнитных волн в волноводах и антеннах из метаматериалов недостаточно изучены. Вопрос об излучение антенн-на основе волноводов из искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов, в литературе ограничен несколькими- десятками публикаций. Уникальные электрофизические свойства этих искусственных сред, позволяют создавать антенны и облучатели с необычными характеристиками и порой с более лучшими, чем при применении обычных материалов.

Из всего вышесказанного следует актуальность темы диссертационной работы, направленной на изучение и разработку новых типов искусственных материалов- магнитодиэлектриков и метаматериалов, изучение новых физических эффектов присущих структурам с такими материалами, исследование электромагнитных полей, формируемых облучателями, в состав которых входят диэлектрики, магнитодиэлектрики и метаматериалы, применение облучателей для формирования полей коллиматоров и исследование электромагнитных полей в рабочей зоне коллиматора с целью ее увеличения и расширения частотного1 диапазона, что приведет к возможности измерения характеристик рассеяния электромагнитных волн электрически более размерными объектами и параметров антенн. Эти вопросы являются актуальными для задач авиации (в частности для Стелс-технологий), связи и электромагнитной совместимости. 6

Цели работы

1. Экспериментальное исследование листовых образцов магнитодиэлектриков со спиральными включениями

2. Исследование электромагнитных полей в дальней зоне, формируемых магнитодиэлектрической антенной на основе отрезка двухслойного магнитодиэлектрического волновода, возбуждаемого коническим рупором. Разработка широкополосной антенны.

3. Теоретическое и экспериментальное изучение распространения электромагнитных волн в волноводах из метаматериалов с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостями и излучение антенн на их основе.

4. Теоретическое и экспериментальное исследование полей стержневого диэлектрического облучателя в дальней зоне.

5. Исследование распределения электромагнитных полей в рабочей зоне коллиматора, в зависимости от полей облучателей.

Научная новизна

1. Исследованы электрофизические свойства листовых образцов искусственных магнитодиэлектриков и сделаны предложения о- возможном их использовании для снижения боковых лепестков диаграмм направленности антенн, для корректировки полей в дальней зоне облучателей коллиматоров, в качестве элементов широкополосных облучателей коллиматоров, для формирования электромагнитных полей специальной формы.

2. Исследованы поля магнитодиэлектрической антенны. Показано, что наличие частотной дисперсии диэлектрической и магнитной проницаемости магнитодиэлектрика, позволяет сформировать диаграммы направленности антенны специальной столообразной формы с низким уровнем боковых лепестков (менее -20 дБ) в полосе частот от 8 до 12 ГГц (±20% от средней частоты).

3. Теоретически исследовано распространение электромагнитных полей в планарном волноводе на основе метаматериала с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостями. Показано, что такой волновод имеет критическую длину волны и при определенных условиях возникает двухмодовый режим.

4. Впервые показано, что при излучении открытого конца волновода из метаматериала возникает эффект обратного излучения, т.е. формирование диаграммы направленности с задним лепестком, превышающим передний. Аналитически» получено условие возникновения обратного излучения.

5. Впервые экспериментально подтвержден* эффект обратного излучения, при излучение прямоугольной двухслойной волноводной структуры из метаматериала с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей.

6. Предложен способ увеличения рабочей полосы частот стержневого диэлектрического облучателя за счет применения- в его конструкции, фторопластовой цилиндрической вставки. Численный расчет и эксперимент в безэховой камере, показали, что использование фторопластовой вставки позволяет увеличить рабочую полосу частот с ±3.5 % до ±7.5%, относительно средней частоты.

7. Численно исследованы поля в рабочей зоне коллиматора с использованием различных видов облучателей. В качестве облучателей применялись как стандартные облучатели коллиматора МАК-5 (конический рупор, облучатель с обратным ребристым фланцем), диэлектрический стержневой облучатель и магнитодиэлектрическая антенна. Показано, что при облучении зеркала коллиматора облучателем на основе магнитодиэлектрической антенны, рабочую зону можно увеличить на 30% и более по сравнению с облучением стандартными облучателями в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц. 8

Достоверность результатов

Достоверность результатов определяется корректным использованием математических методов и физических моделей и хорошим совпадением результатов расчетов с результатами экспериментов в безэховой камере. А также публикациями результатов исследований в журналах рекомендованных ВАК.

Научная и практическая ценность

На основе методов и подходов, развитых в работе, созданы образцы^ искусственных магнитодиэлектриков и метаматериалов, которые могут быть с успехом применены в качестве элементов антенн. Результаты исследования возможности создания широкополосной магнитодиэлектрической антенны с диаграммой направленности специальной формы, основанной на отрезке круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода, может быть использовано в качестве прототипа для облучателей и антенн на основе магнитодиэлектрических структур. Что имеет фундаментальное и практическое значение.

А стержневая диэлектрическая антенна с расширенной полосой частот, внедрена в качестве облучателя коллиматора МАК-5.

Исследование распространения электромагнитных волн в волноводах из метаматериалов с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостями имеет фундаментальное значение. Максимум излучения антенн на основе такого волновода, может быть расположен как в прямом, в обратном, так и в обоих направлениях одновременно. В случае расположения максимума в обратном направлении речь идет об эффекте обратного излучения. Практическая сущность эффекта может быть реализована, в качестве сканирующей антенны с возможностью излучения в прямом, обратном и в обоих направлениях одновременно.

Исследования полей в рабочей зоне коллиматора носит как фундаментальный, так и практический интерес. В частности увеличение размеров рабочей зоны за счет применения облучателей со специальной формой диаграммы направленности приводит к уменьшению осцилляций распределения полей в пределах рабочей зоны, увеличивает ее размеры, что в свою очередь позволяет проводить измерения на коллиматоре более размерных объектов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Экспериментально показано, что частотная дисперсия диэлектрической и магнитной проницаемостей искусственного магнитодиэлектрика, позволяет сформировать у магнитодиэлектрической антенны (антенны на основе отрезка двухслойного волновода, стенки которого состоят из такого магнитодиэлектрика) диаграммы направленности, имеющие столообразную форму главного лепестка и низкий уровень боковых лепестков (ниже -20 дБ) в широком диапазоне частот (в частности ±20% от средней частоты).

2. Теоретически показано, что при облучении зеркала коллиматора такой магнитодиэлектрической антенной кромки зеркала возбуждаются низким уровнем поля и в результате поле в рабочей зоне коллиматора имеет малые осцилляции, за счет чего размеры рабочей зоны увеличиваются на 30 % и более, а рабочий диапазон частот расширяется, по сравнению со стандартными видами облучателей.

3. Теоретически показано, что планарный волновод из метаматериала с отрицательными значениями относительной диэлектрической и магнитной проницаемостей имеет критическую длину волны и найдены условия, при которых поддерживается режим, когда существуют на одной частоте прямая и обратная волна. Предсказано,^ что в случае возбуждения в волноводе обратной волны, при излучении» антенны на основе такого волновода, задний лепесток диаграммы направленности больше переднего. В этом случае проявляется эффект обратного излучения. Условие обратного излучения получено аналитически.

4. Проведено экспериментальное исследование обратного излучения электромагнитных волн антенной на основе прямоугольного двухслойного волновода, внешний* слой которого состоит из метаматериала, с одновременно отрицательными значениями диэлектрической* и магнитной проницаемостями. В! случае возбуждения- обратной волны в волноводе, проявляется эффект обратного излучения, т.е. формирование излучения в заднем направлении. При положительных значениях диэлектрической и магнитной проницаемостей такого эффекта не наблюдалось.

5. Предложена конструкция стержневого диэлектрического облучателя с фторопластовой вставкой. Диаграмма направленности такого облучателя приближенно может быть представлена как сумма косинусоидальной диаграммы направленности стержня, воронкообразной диаграммы направленности втулки и косинусоидальной диаграммы направленности фторопластовой вставки. Диаграмма вставки, при определенной фазировке с суммарной диаграммой, позволяет сформировать диаграмму направленности облучателя специальной формы с главным лепестком столообразной формы в более широкой полосе частот (±7.5 % от средней частоты), чем без применения вставки. Это приводит к формированию распределения поля в рабочей зоне коллиматора с неравномерностью амплитуды не более 1 дБ и фазы не более 3° в этой полосе частот.

6. Проведен теоретический анализ распределения полей в рабочей зоне коллиматора в зависимости от типов облучателей. В частности: стандартные облучатели коллиматора МАК-5 (конический рупор, облучатель с обратным

11 фланцем), стержневой диэлектрический облучатель с фторопластовой вставкой и магнитодиэлектрическая антенна. Из них наиболее равномерное поле в рабочей зоне коллиматора, с наименьшим уровнем осцилляций в широкой полосе частот, возникает при облучении зеркала коллиматора облучателем на основе магнитодиэлектрической антенны. Применение такой антенны позволяет увеличить рабочую зону на 30 % по сравнению со стандартными видами облучателей, применяемых ранее.

Апробация результатов

Результаты докладывались на следующих международных и российских конференциях:

1. Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -2002.

2. Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -2003.

3. Четвертая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2003.

4. Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -2004.

5. Пятая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2004.

6. Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва -2004.

7. Шестая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2005.

8. Седьмая ежегодная конференции ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва-2006.

9. Восьмая ежегодная конференции ИТПЭ РАН, Москва-2007.

12

Ю.Международная научная конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2007, Таганрог-2007.

11. Девятая ежегодная конференции ИТПЭ РАН, Москва-2008.

12. Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2008", Москва-2008.

13. Progress in Electromagnetic Research Symposium in Cambridge MA, USA, 2008.

14. Десятая ежегодная конференции ИТПЭ РАН, Москва-2009.

15. Международная научная конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2009, Таганрог-Дианоморское-2009.

16. Progress in Electromagnetic Research Symposium in Moscow, Russia, 2009:

17. The 3-rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwave & Optics. Metamaterials — 2009, London, UK.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК.

Краткое содержание работы

Во введение обсуждается актуальность темы работы, научная новизна, указаны цели, а также положения, выносимые на защиту.

Выводы:

Исследованы поля в рабочей зоне коллиматора в зависимости от применяемых облучателей. Показано, что распределение поля в рабочей зоне коллиматора определяется двумя составляющими. Первая составляющая тем равномернее, чем ближе форма главного лепестка диаграммы направленности облучателя к столообразной. Вторая составляющая связана с уровнем поля облучателя на кромках зеркала коллиматора. Эта дифракционная составляющая вносит осциллирующий характер в распределение поля. Чем меньше уровень поля на кромках зеркала коллиматора, тем более гладкое распределение поля формируется в рабочей зоне. Приведены сравнительные характеристики облучателей и полей. Приведены рекомендации по выбору облучателей коллиматора.

Показано, что применение облучателя на основе магнитодиэлектрической антенны и стержневого диэлектрического

117 облучателя с фторопластовой вставкой позволяет увеличить рабочую зону в среднем на 30% (в зависимости от частоты), по сравнению со стандартными видами облучателей, применяемых ранее, в более широком диапазоне частот. Это в свою очередь открывает новые перспективы для экспериментального исследования характеристик рассеяния более электрически размерных объектов и антенн коллиматорным методом.

Заключение

В результате выполнения работы получены следующие основные результаты.

1. Экспериментально исследованы образцы исскуственных магнитодиэлектриков (композитов) с различными конфигурациями расположения спиралей и сделаны выводы о возможном применение таких композитов в качестве элементов антенн, в частности облучателей коллиматоров. Показано, что образцы материалов- со- спиральными включениями могут обладать отрицательными свойствами диэлектрической и магнитной проницаемостей, на частотах выше резонансной.

2. Показано,- что использование магнитодиэлектрика в качестве элемента волноводной антенны позволяет получить« диаграммы направленности столообразной формы и низким уровнем боковых лепестков в широком диапазоне частот. На основе таких антенн, возможно, формировать поля в дальней зоне с постоянными амплитудами и фазами в некоторой области пространства, что является- перспективным для построения облучателей коллиматором, главной- задачей которых является^ формирование полей- с постоянной амплитудой и фазой в пределах зеркала кoллимaт6paí

3. Изучены поля планарного волновода из метаматериала. Показано, что в таком волноводе в зависимости от частоты существуют прямые, обратные и стоячие волны. В случае отрицательных значений материальных параметров потоки мощности в волноводе и в окружающем пространстве направлены в стороны, противоположные относительно оси г. Соответственно, можно ожидать, что антенна на основе планарного волновода из метаматериала будет излучать или в прямом направлении (в случае положительного полного потока мощности), в обратном (в случае отрицательного полного потока мощности) или в обоих направлениях одновременно (в случае нулевого полного потока мощности).

4. Экспериментально продемонстрирован эффект обратного излучения электромагнитных волн антенной на основе волновода в виде трубки из метаматериала. Показано, что данный эффект наблюдается, при условии существования поля обратной волны и при наличии отрицательных значений относительных диэлектрической и магнитной проницаемости метаматериала. В то* время как в случае положительных материальных параметров метаматериала такого эффекта не наблюдается.

5. Исследованы поля* формируемые диэлектрическим стержневым облучателем в дальней зоне. Диаграмма- направленности такой» антенны имеет столообразную форму, но- в. узком' диапазоне частот. Показано, что-использование1 фторопластовой, вставки в качестве элемента стержневого диэлектрического облучателя, приводит к увеличению рабочей полосы частот с ±2.2% до ±7.5% относительно средней частоты и тем самым расширяет рабочий диапазон частот зеркального коллиматора более чем в 3 раза, при-облучении зеркала коллиматора таким облучателем.

6. Исследованы поля в'рабочей зоне коллиматора в «зависимости от применяемых облучателей. Показано, что распределение-поля в рабочей зоне коллиматора определяется двумя составляющими. Первая составляющая тем равномернее; чем ближе форма главного лепестка диаграммы направленности облучателя к столообразной. Вторая составляющая связана с уровнем поля облучателя на кромках зеркала коллиматора. Эта дифракционная составляющая вносит осциллирующий характер в распределение поля. Чем меньше уровень поля на кромках зеркала коллиматора, тем более гладкое распределение поля формируется в рабочей зоне. Приведены сравнительные характеристики облучателей и полей. Приведены рекомендации по выбору облучателей коллиматора.

Показано, что применение облучателя на основе магнитодиэлектрической антенны и стержневого диэлектрического облучателя с фторопластовой вставкой позволяет увеличить рабочую зону в среднем на 30% (в зависимости от частоты), по сравнению со стандартными видами облучателей, применяемых ранее, в более широком диапазоне частот. Это в свою очередь открывает новые перспективы для экспериментального исследования характеристик рассеяния более электрически размерных объектов и антенн коллиматорным методом.

1. Симовский' К.Р. • Слабая пространственная дисперсия в композиционных средах. СПб.: Политехника. 2003

2. Poisson S.D., //Men. Dev. L/Acad. 1828. V.8. P.623

3. Лагарьков A.H. и др., Электрофизические свойства перколяционных систем, М.: ИВТАН, 1990

4. Mossotti O.F.// Mem.Soc.Sci.Modena. 1850.V14. Р49

5. Clausius R.//Mechanische Warmetheorie. 2 nd ed. Braunschweig, 1878. V.2. P.62

6. Lorentz H.A.//Wiedem. Ann. 1880. V.91P:64L , 7. Eorenz L.//Wiedem.Ann. 1881. V. 11-. P.70.8: Ландау Л.Д., Лифшиц E.M., Электродинамика сплошных сред; издание третье, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001

7. Schelkunoff S.A., Friis Н.Т. Antennas: Theory and'practice// New York: J. Willey & Sons, 1952

8. 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,-Vol. 84, N>18,

9. Третьяков С.А., Электродинамика сложных сред:* киральные, биизотропные и?некоторые бианизотропные материалы// Радиотехника и электроника. 1994, том 39, вып. 10, с. 1457-1470

10. Saadoun М. М. I. and Engheta N., "A reciprocal phase shifter using novel pseudochiral or Omega medium", Microwave and Optical Technology Letters, 1992. vol. 5, no. 4;. pp. 184 188,

11. Lagarkov A.N., Semenenko V.N., Kisel V.N., and Chistyaev V.A. // J. of Magnetism and Magnetic Materials, 161, 2003, p. 248-259

12. Semenenko V.N., Chistyaev V.A., Ryabov D.E. Microwave magnetic properties of Bi-Helix Media in dependence on helix pitch// Proceeding of the "Bianisotropics 98". Braunschweig. Germany June 3-6. 1998

13. Pendry J.B., Holden A J., Robbins D.J., Stewart W.J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. // IEEE Trans. Micr. Theory and Techniques. 1999. V. 47. P. 2075-2084.

14. Виноградов А.П., Электродинамика композитных материалов, М.: УРСС, 2001

15. Сихвола А., Третьяков С.А., де Баас А., Метаматериалы с экстремальными материальными параметрами, Радиотехника и электроника, том 52, №9, 2007, с. 1066

16. Sihvola А. // Metamaterials N 1, 2007, с. 2-11

17. Alu A., Engheta N.// IEEE Trans. АР, Vol. 51, №10, 2003, Р 2558'

18. Веселаго В.Г.// УФН1967. Т. 92, с. 517

19. Pendry J.B. Negative Refraction Makes a Perfect Lens// Phys. Rev. Lett. 2000 V. 85. P. 3966-3969'

20. Lagarkov A. N. and Kissel V. N. // "Near-Perfect Imaging in a Focusing System Based on a Left-Handed-Material Plate", Phys. Rev. Lett., 92, 077401, 2004

21. Engheta N. Guided waves tin paired. dielectric-metamater ial with negative permittivity and permeability layers// URSI National Radio Science Meeting, Boulder, CO, January 2002.- P.66

22. Nefedov, I. S., and S. A. Tretyakov, Waveguide containing a backward wave slab, Radio Sci., 38(6), 1101, 2003

23. Baena J.D., Jelinek L., Marques R., Medina F. Near-perfect tunneling and amplification of evanescent electromagnetic waves in a waveguide filled by a metamaterial: Theory and experiment// Phys. Rev. В., Vol. 72, 2005,-P.075116-1-8

24. Baena J.D., Jelinek L., Marques R. Reducing losses and dispersion effects in multilayer metamaterial tunneling devices// New Journal of Physics, Vol. 7, 2005, P. 166-1-6

25. Cory H., Shtrom A. Wave propagation along a rectangular metallic waveguide longitudinally loaded with a metamaterial slab// Microwave and optical technology letters, Vol. 41, No. 2, 2004 P. 123-127

26. Шевченко В.В.//РЭ. 2005, т.50, №11, с. 1363-1369

27. Hrabar S., Bartolic J., and Sipus Z., Waveguide miniaturization using negative permeability material," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 53, no. l,pp. 110-119, 2005

28. Edwards В., A\u A., Young M.E., Silveirinha M., and Engheta N. Experimental verification of Epsilon-Near-Zero Metamaterial Coupling and Energy Squeezing Using a Microwave Waveguide// Physical Review Let., 100, 033903 (2008)

29. Vardaxoglou J.G., Realisation of Frequenz' Selective Horn Antenna Incited* From Passive Array.- Electron Letters, 1992, vol. 28; No 21, pp 1955- 1956

30. Langley R.J., A Dual-Frequency Band Waveguide Using FSS.-IEEE Microwave and Guided Wave Letters, 1993, Vol. 3, No. 1, P: 9-1033 Lee C.K., Langley R.J., and Parker E.A., Compaund Reflector Antennas.

31. E Proceedings- H, 1992, Vol. 139, No. 2, P.-135-138

32. Излучение и рассеяние электромагнитных волн, под редакцией В.А. Обуховца; Антенны №11 (138), 2008

33. Казанцев ККН., Аплеталин В.И., Солосин B.C. Мини-экраньг электромагнитного излучения//Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53. №3. с. 316-319

34. Luukkonen О., Simovski C.R., and Tretyakov S.A.//Progress in Electromagnetics Research B.2009. V. 15. p 267-283

35. Engheta N., Ziolkowski R.W.// IEEE Trans. 2005 V. 292, No 4. P. 1535

36. Панченко Б.А. Метаматериалы и сверхнаправленность антенн. Радиотехника и электроника, 2009, том 54, №3, с. 302- 307

37. Galoz С. and Т. Itoh Electromagnetic metamaterials: transmission line theory and microwave applications, A John Wiley & Sons, Inc, 2006

38. Alu- A., Bilotti F., EnghetaN., Vegni L., //Antennas and Propagation, IEEE, Volume 55, Issue 6, Part 2, June 2007 Page(s): 1698 1708

39. Enoch S, Tayeb G, Sabouroux P, Guerin N, Vincent PI, A metamaterial for directive emission, Phys. Rev. Lett. Volume: 89, 213902 (2002)

40. Saenz E, Ederra I., Ikonen P, Tretyakov S, Gonzalo R , Power transmission enhancement by means of planar meta-surfaces, J. Optics A-Pure and Applied Optics, Volume: 9, 308-314 (2007).

41. А.П. Курочкин, Теория и техника антенных измерений; Антенны; выпуск 7(146), 2009;

42. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А;, Измерение-характеристик; рассеяния* радиолокационных целей. М.: Сов. Радио, 1972.

43. Балабуха1 Н.И., Зубов А.С., Солосин B.C., Компактные полигоны для измерения характеристик рассеяния. М.: Наука, 2007.

44. Xiaozhou Н., Zongquan L., Zhen W.,,Geyang; Y. An application^^of wide-angle dielectric lens compact range in microwave anechoic chambers// 3th International Conference on microwave • and millimeter wave technology proceedings. 2002

45. Jacson N.N., Excel! P.S., A compact range using an Array Antenna.// Radiated Emission Test Facilities, IEE: Colloquium on. 1 June 1992.P. 3/13/5.

46. Бахрах JI.Д., Курочкин А.П. Об использовании оптических систем и метода голографии для восстановления диаграмм направленности антенн- СВЧ по измерениям поля в зоне Френеля. Доклады АН СССР. 1966. Т. 171. №6 С. 1309-1312

47. Lonnqvist A., Koskinen Т., Hakli J. Hologram- based compact range, for submillimeter-wave antenna testing// IEEE Trans. Antennas Propagation 2005. Vol. 53, No 10. P. 3151-3158

48. Knott E.F. Radar cross section measurement. Boston: Artech House, 1993

49. Pistorius C.W.I., Clerici G.C., Burnside W.D. A dual chamber Gregorian subreflector system for compact range applications // IEEE Trans. Antennas and Propagation 1996 Vol. 37, No 3, Р: 305-313

50. Pistorius C.W.I., Burnside W.D. An improved main reflector design for compact range applications// IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1987. Vol. AP-35, No 3, P.342-347

51. Burnside W.D., Gilreath M.C., Kent B.M., Glerici G.L., Curved' edge modification of compact range reflector* // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1987. Vol. AP-35, No 2.

52. Ellingsou S.W., Gupta I.J., Burnside W.D. Analysis of blended rolled edge Reflectors using numerical UTD// IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1990. Vol. 38, No 12. Р.1969-1971

53. Lee Т.Н., Burnside W.D.//IEEE Trans. 1996 Vol. AP-44. No К P. 87

54. Балабуха Н.П., Зубов A.C., Солосин B:C., Федоров С.А. Коллиматор МАК-5М. Конструкция и технические характеристики. //Радиотехника и электроника, 2009, том 54, №5, с. 634"

55. Бахрах Л.Д., Будагян И.Ф. Методы улучшения характеристик' зеркальных антенн и коллиматоров с помощью неоднородных слоев переменной прозрачности. Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОВР. 1990. Вып. 2. С. 3-6

56. Бахрах Л.Д. Будагян И.Ф., Хрычев Д.А. Дифракционный анализ тонкого экрана с переменным поверхностным сопротивлением. Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОВР. 1991. Вып. 9. С. 3-8

57. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н., Антенны УКВ, М.: "Связь", 1977

58. Балабуха Н. П., Григорьева М. И., Курочкин А. П. и др., Стержневой диэлектрический облучатель с диаграммой направленности специальной формы. Антенны, 2001, №2

59. Olver A.D., Clarricoats P.J.B., Kishk A.A. and Shafal L., Micwowave Horns and feeds, IEE, 1994

60. Взятышев В. Ф. Диэлектрические волноводы. М.: Сов. радио, 1970.

61. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П."Теория волн", М.: Наука, 1990

62. Вайнштейн JI.A. "Электромагнитные волны", М., Радио и связь, 1988.

63. Sommerfeld А. Fortpflanzung elektrodynamischer Wellen* an einem zylindrischen Leiter // Ann. der Physik und Chem. 1899. Vol. 67. P. 233290.

64. Байбаков-В.И., Кистович Ю.В., Дацко B.H. //Письма ЖТФ. 1980. Т. 6. С. 394.

65. Zenneck J. Uber die Fortpflanzung ebener electromagnetischer Wellen an einer ebenen Leiterflache und ihre Beziehung zur drahtlosen Telegraphie // Ann. der Physik. 1907. Vol. 23. P. 846-866.

66. Князев Б.А., Кузьмин А.В. «Поверхностные электромагнитные волны: от видимого диапазона до микроволн». Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика., 2007, том-2, №1, с. 108-122

67. Шевченко В.В. УФН. 2007, т.177, №3

68. Lamb, Н. (1904). "On the Propagation of Tremors over the Surface of an Elastic Solid", Philosophical Transactions of the Royal Society of London— Series A, Vol. 203, No. 359-371, pp. 1-42.

69. Pocklington H.C. Nature 71 607 (1905)

70. Шевченко B.B. Плавные переходы в открытых волноводах. М.: Наука, 1969

71. Бырдин В.М.// Радиотехника и электроника 2005, т. 50, № 12, стр. 1413127

72. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н., Антенны УКВ, М.': "Связь", 1977

73. Walter С. Н.,.Traveling Wave Antennas, McGraw-Hill' New York, 1965.78: Angulo C.M., IRE Trans., 1957, AP-2,1,100.

74. Васильев E.H., Полынкин A.B., Солодухов B.B. «Дифракция поверхностной электромагнитной волны на торце плоского полубесконечного диэлектрического волновода», Радиотехника и электроника, т. 25, №9, 1980 '

75. Дифракция поверхностной волны на открытом- конце круглого полубёсконечного диэлектрического волновода. Васильев Е. Н., Малов-В.В., Солодухов В.В.// Радиотехника и электроника. 1985. вып.5

76. Dombek P;K."Dielektrische Antennen geringer querabmessungen alserreger fur spiegelantemieri?, .NacK; Tech; Z:, 1975, 28f,pp.' 311-31*5

77. Драбкин A.JI., Зузенко В.Л:, Кислов А.Г., Антенно-фидерные ycTpoficTBaj М.,. Советское радио, 1974

78. Кисель В.Н. Докторская диссертация: М.: ИТИЭ ОИВТ РАН,.2004;

79. Костин: М.В., Шевченко В.В. Теория искусственных магнетиков.на основе* кольцевых токов// Радиотехникам и» электроника. 1992. Т.37; №11. С.1992-2003.

80. Лагарьков А.Н., Сарычев А.К., Виноградов А.Н. О возможности, аномальной индуктивности композитных материалов// Письма в ЖЭТФ. 1984. Т.40. № 7. С. 1083-1086.

81. Lagarkov A.N., Sarychev А.К., Smychkovich Y.R., Vinogradov A.P. Effective: medium theory for microwave, dielectric constant and magnetic permeability of conducting stick composites// J.Electromag.Waves and Appl. 1992. V.6.№ 9. P.l 159-1176.

82. Lagarkov A.N., Semenenko V.N., Chistyaev V.A., Ryabov D.E., Tretyakov S.A., Simovski C.R. Resonance properties of bi-helix media at microwaves//Electromagnetics. 1997. V.17. № 3. P.213-237.

83. Lindell I.V., Sihvola A.H., Tretyakov S.A., Yiitanen A.J. Electromagnetic waves in chiral.and bi-isotropic media. London: Artech House, 1994.-291 p.

84. Каценеленбаум Б.З., Коршунова E.H., Сивов A.H., Шатров А.Д. Киральные электродинамические объекты// УФН, 1997.-т.167.-№11.-С. 1201-1212.

85. Ni. Е. /Я. Microwaves. 1989. V.4. Р.64., 91 M.N. Afsar, J. R. Birch and Clarke R.N. // Proc. IEEE. 1986. V.74. P.l8.

86. Afsar M.N, Birch J. R. and Clarke R.N. // Proc. IEEE. 1986. V.74. P.l8.

87. Ghodgaonkar D.K, Varadan V.V., Varadan V.K. //IEEE Trans. Instrum. Meas. 1989. V.37. No.3. P.789.

88. Ghodgaonkar D.K, Varadan V.V, Varadan V.K. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1990. V.39; No.2. P.387.

89. Engen G.F. and Hoer. C.A. // IEEE Tran. on Microwave Theory and Techniques. 1979. MTT-27. P.983.

90. Семененко B.H, Чистяев B.A.// Материалы 15-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Сентябрь 12-16, 2005, Севастополь, Украина, т.2, с. 719.

91. Бреховских JL М. Волны, в слоистых средах. М.: Изд-во АН СССР," 1957.

92. Гуляев Ю.В, Лагарьков А.Н, Никитов С.А. Метаматериалы: Фундаментальные исследования и перспективы применения. Вестник Российской Академии Наук, 2008, том 78, №5

93. Виноградов А.П, Махновский Д.П, Розанов К.Н.// Радиотехника и электроника, 1999, Т. 44, №3, с. 341

94. Васильев E.H. Возбуждение тел вращения. М.: Радио и связь. 1987

95. Шатров А.Д., Шевченко В.В., Разложение поля в открытом слоистом волноводе в случае вырождения направляемых волн, Известия высших учебных заведений. Радиофизика, том 17, №11, 1974, с. 1692-1702

96. Baianis С. A., Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley & Sons, 1997

97. Васильев E.H., Гореликов А.И., Фалунин A.A. Тензорная функция Грина в координатах вращения. В. кн.: Сб. научно-методических статей по прикладной электродинамике.- М. Высшая школа, 1980, вып. 3, с. 3-24

98. Канторович JI. В., Крылов В.И., Приближенные методы высшего анализа, Физматгиз, 1962

99. Кюн Р. Микроволновые антенны. М.: Судостроение, 1967