ВЛИЯНИЕ ТОПОЛОГИИ МЕТАМАТЕРИАЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ НА РАСШИРЕНИЕ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ И УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РУПОРНОЙ АНТЕННЫ: ПРОБЛЕМНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Конференция: LXXXIII Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Секция: Радиотехника и связь
LXXXIII Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
ВЛИЯНИЕ ТОПОЛОГИИ МЕТАМАТЕРИАЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ НА РАСШИРЕНИЕ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ И УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РУПОРНОЙ АНТЕННЫ: ПРОБЛЕМНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
THE INFLUENCE OF THE TOPOLOGY OF A METAMATERIAL DIELECTRIC LENS ON THE EXPANSION OF BANDWIDTH AND IMPROVEMENT OF THE CHARACTERISTICS OF A HORN ANTENNA: A PROBLEM-THEORETICAL ANALYSIS
Ruslan Magomedkerimov
Cadet, Military Academy G.K. Zhukov Aerospace Defense, Russia, Tver
Matvey Lobov
Cadet, Military Academy G.K. Zhukov Aerospace Defense, Russia, Tver
Аннотация. В данной статье представлено проблемно-теоретическое исследование влияния топологии метаматериальной диэлектрической линзы, расположенной на раскрыве рупорной антенны, на расширение полосы пропускания и улучшение характеристик, в частности коэффициента усиления и диаграммы направленности. В отличие от традиционных диэлектрических линз, использование метаматериалов позволяет создать линзы с отрицательным показателем преломления, что открывает новые возможности для фокусировки электромагнитных волн и коррекции аберраций. Проведено численное моделирование в среде HFSS для различных топологий метаматериальных линз, включая решетки из кольцевых резонаторов (SRR) и проволочных структур. Представлены результаты анализа S-параметров, диаграммы направленности, коэффициента усиления и согласования антенны в широком диапазоне частот. Показано, что предложенная топология метаматериальной линзы позволяет существенно расширить полосу пропускания рупорной антенны, одновременно улучшая её коэффициент усиления и формируя желаемую диаграмму направленности. Данный подход открывает перспективы для создания высокопроизводительных антенных систем для перспективных применений в телекоммуникациях и радиолокации. Такие улучшенные антенны критически важны для следующего поколения беспроводных коммуникаций, требующих более высокой скорости передачи данных и надежности связи, а также в современных радиолокационных системах, нуждающихся в высокой разрешающей способности и дальности обнаружения.
Abstract. This article presents a problem-theoretical study of the effect of the topology of a metamaterial dielectric lens located on the opening of a horn antenna on bandwidth expansion and improved performance, in particular gain and radiation pattern. Unlike traditional dielectric lenses, the use of metamaterials makes it possible to create lenses with a negative refractive index, which opens up new possibilities for focusing electromagnetic waves and correcting aberrations. Numerical simulation has been performed in the HFSS environment for various topologies of metamaterial lenses, including gratings made of ring resonators (SRRs) and wire structures. The results of the analysis of S-parameters, radiation patterns, antenna gain and matching in a wide frequency range are presented. It is shown that the proposed topology of the metamaterial lens makes it possible to significantly expand the bandwidth of the horn antenna, while simultaneously improving its gain and forming the desired radiation pattern. This approach opens up prospects for the creation of high-performance antenna systems for promising applications in telecommunications and radar. Such improved antennas are critically important for the next generation of wireless communications requiring higher data transfer rates and reliable communications, as well as in modern radar systems requiring high resolution and detection range.
Ключевые слова: рупорная антенна, метаматериалы, диэлектрическая линза, решетка из кольцевых резонаторов (SRR), отрицательный показатель преломления, полоса пропускания, коэффициент усиления, диаграмма направленности, численное моделирование, HFSS.
Keywords: horn antenna, metamaterials, dielectric lens, ring resonator array (SRR), negative refractive index, bandwidth, gain, radiation pattern, numerical simulation, HFSS.
Современные беспроводные системы связи требуют антенн, способных работать в широком диапазоне частот с высокими характеристиками, включая высокий коэффициент усиления и хорошо контролируемую диаграмму направленности. Рупорные антенны, благодаря своей простоте и надежности, являются привлекательным решением, однако их полоса пропускания и коэффициент усиления ограничены. Использование диэлектрических линз традиционно применялось для улучшения характеристик рупорных антенн, но возможности их оптимизации ограничены свойствами доступных диэлектрических материалов.
Революционный прорыв в области материаловедения, связанный с созданием метаматериалов, открывает принципиально новые возможности для управления электромагнитными волнами.
Метаматериалы – это искусственно созданные структуры, обладающие электромагнитными свойствами, не встречающимися в природе, включая отрицательный показатель преломления.
Использование метаматериальных линз для рупорных антенн позволяет преодолеть ограничения, присущие традиционным диэлектрическим линзам, и достичь существенного расширения полосы пропускания и улучшения характеристик антенны [1; 10].
В данной статье представлено проблемно-теоретическое исследование влияния топологии метаматериальной диэлектрической линзы на характеристики рупорной антенны. В отличие от предыдущих работ, фокусировавшихся на узкополосных приложениях [2; 4], авторы данной статьи предлагают и анализируют топологию метаматериальной линзы, обеспечивающую расширение полосы пропускания и улучшение характеристик рупорной антенны одновременно. Предложенная конструкция основана на решетке из кольцевых резонаторов (SRR), обладающих резонансными свойствами в СВЧ диапазоне.
Метаматериалы представляют собой искусственно созданные структуры, период которых значительно меньше длины волны падающего электромагнитного излучения. Это позволяет рассматривать метаматериал как однородную среду с эффективными электромагнитными параметрами: диэлектрической проницаемостью (ε) и магнитной проницаемостью (μ). Резонансные элементы, такие как SRR, позволяют создавать метаматериалы с отрицательными значениями ε и μ вблизи резонансной частоты 5. Отрицательный показатель преломления (n = √(εμ)) позволяет фокусировать электромагнитные волны нетрадиционными способами, что открывает новые возможности для создания линз с улучшенными характеристиками.
Для численного моделирования рупорной антенны с метаматериальной линзой использовалась программа HFSS (High Frequency Structure Simulator), основанная на методе конечных элементов. Размеры рупорной антенны были выбраны следующими: ширина раскрыва a = 50 мм, высота раскрыва b = 40 мм, длина рупора L = 80 мм. Метаматериальная линза располагалась на расстоянии d = 10 мм от раскрыва рупора.
Топология метаматериальной линзы представляла собой периодическую решетку из SRR, расположенных на диэлектрической подложке из Rogers RO4350B (εr = 3.66, tgδ = 0.0037). Размеры SRR: внешний радиус r_out = 2 мм, внутренний радиус r_in = 1 мм, ширина щели g = 0.2 мм, период решетки p = 5 мм. Подложка имела толщину h = 0.8 мм.
В качестве граничных условий использовались Radiation Boundary Conditions. Размер ячейки сетки был выбран λ/20 на самой высокой частоте моделирования (12 ГГц). Частотный диапазон моделирования составлял 8–12 ГГц с шагом 0.1 ГГц.
Численное моделирование S11 параметра показало, что использование метаматериальной линзы улучшает согласование антенны в диапазоне 9–11 ГГц, что свидетельствует о расширении полосы пропускания. Значение S11 в этом диапазоне ниже -10 дБ.
Анализ диаграммы направленности на частоте 10 ГГц выявил, что использование метаматериальной линзы приводит к сужению главного лепестка и увеличению коэффициента усиления.
Исследование зависимости коэффициента усиления от частоты показало, что метаматериальная линза обеспечивает увеличение коэффициента усиления во всем диапазоне частот, при этом максимальное увеличение наблюдается на частоте 10 ГГц.
Результаты численного моделирования подтвердили гипотезу о том, что использование метаматериальной линзы позволяет существенно расширить полосу пропускания и улучшить характеристики рупорной антенны. Предложенная топология метаматериальной линзы, основанная на решетке из SRR, обеспечивает отрицательный показатель преломления в диапазоне 9–11 ГГц, что приводит к улучшению согласования антенны и фокусировке электромагнитной энергии.
По сравнению с традиционными диэлектрическими линзами, метаматериальные линзы обладают большей гибкостью в управлении электромагнитными свойствами, что позволяет создавать антенны с улучшенными характеристиками.
Однако, необходимо учитывать потери в метаматериалах, которые могут снижать эффективность антенны.
В дальнейшем планируется провести оптимизацию топологии метаматериальной линзы.
В отличие от предыдущих работ, предлагающих метаматериальные линзы для узкополосных приложений, в данной статье впервые представлена топология метаматериальной линзы на основе SRR, обеспечивающая одновременное расширение полосы пропускания и улучшение коэффициента усиления рупорной антенны. Это является значительным улучшением по сравнению с предыдущими работами и перспективным подходом к созданию высокопроизводительных антенных систем.
