автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Применение метаматериалов при разработке волноводных СВЧ устройств

005002409

Рыженко Дмитрий Сергеевич

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАМАТЕРИАЛОВ

ПРИ РАЗРАБОТКЕ ВОЛНОВОДНЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

1 7 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

005002409

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Митрохин В.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Раевский С.Б.

кандидат технических наук, доцент. Семенов С.Г.

Ведущая организация: ФГУП «Федеральный научно-

производственный центр Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова», г. Нижний Новгород

Защита диссертации состоится 8 декабря 2011 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д.212.141.11. в зале Ученого совета Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана.

Адрес: 105005, Москва, 2-я Бауманская д.5. МГТУ им. Н.Э.Баумана.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан 7 ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.141.11 доктор технических наук, профессор

И.Б. ВЛАСОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Разработка современных радиотехнических систем, используемых в технике радиосвязи, радиолокации, радиоастрономии, оборонных областях радиоэлектроники требует новых принципов в построении функциональных устройств и антенн, уменьшения их массогабаритных параметров одновременно с обеспечением широкополосности, надежности и многофункциональности. Удовлетворение таким требованиям невозможно без реализации новых физических явлений, материалов и технологий. В последние годы разработчиков СВЧ устройств и антенн всё больше привлекают новые материалы и среды с необычными электродинамическими свойствами. Это так называемые метаматериалы, включая киральные и перколляционные среды, оптомагнетики, фотонные и электронные кристаллы.

Диэлектрическая проницаемость в и магнитная проницаемость ц в таких средах могут принимать очень малые (включая ноль) или очень большие значения, а также в определенном частотном диапазоне быть отрицательными (иногда одновременно). Последнее свойство позволяет реализовать материальную среду с отрицательным показателем преломления. В этом случае преломленный луч расположен не как обычно, а по направлению, симметричному относительно нормали к обычному направлению. Из этого факта следует возможность создавать необычные оптические устройства. Особая роль в реализации уникальных электродинамических свойств метаматериалов при конструировании устройств СВЧ принадлежит средам, объединенным в пары с разными знаками е и ц. Уникальность электродинамических свойств таких спаренных структур определяется поведением электромагнитного поля в форме поверхностных волн на границе раздела сопрягаемых сред.

Использование указанных структур приводит к появлению таких особенных явлений как резонанс, отсутствие отражений, полное туннелирование волны и прозрачность. Достижение прозрачности пытаются реализовать с помощью сопрягаемых пар метаматериалов в виде сферических или цилиндрических оболочек.

Свойство парных структур используется при построении электрически малых по размерам волноводов, а на их основе и резонаторов, фазовращателей, направленных ответвителей и рассеивающих структур с резонансными свойствами, независящими от их эффективного физического размера. В антеннах малых электрических размеров применение парных метаматериалов позволяет скомпенсировать реактивную мощность, запасенную в ближней зоне излучателя в широкой полосе частот.

Размещение излучателей в единожды или дважды отрицательных средах дает возможность формирования остронаправленного излучения при достаточно широкой диаграмме направленности излучателя. Кроме того, такие структуры позволяют дифрагировать электромагнитному полю через электрически малое отверстие благодаря формированию указанной выше

У

структурой вытекающих волн. Метаматериалы способствуют созданию антенн поверхностных волн, в том числе обратного излучения. С помощью применения метаматериалов с нулевым показателем преломления возможно создание синфазной апертуры, формирующей остронаправленное излучение. С помощью изолятора на основе метаматериала с отрицательной магнитной проницаемостью возможно подавление взаимного влияния между соседними излучателями в фазированной антенной решетке. Известна методика дисперсионной компенсации в линии передачи, использующей метаматериал на основе дважды отрицательной среды.

При разработке малогабаритных заградительных и полосовых фильтров СВЧ обладающих малыми потерями в рабочей полосе частот и высокой частотной избирательностью используются копланарные волноводы с периодическими включениями щелевых кольцевых резонаторов и металлических стержней.

Для миниатюризации микрополосковых антенн обычно используются диэлектрические подложки с большим значением диэлектрической проницаемости £. Однако, в этом случае значительно повышается концентрация электрического поля ближней зоне антенны, что приводит к низкой интенсивности излучения из-за большого реактивного поля и узкой полосы пропускания. Эти недостатки могут быть значительно уменьшены или даже исключены с помощью применения подложек из магнитно -диэлектрического материала с высоким значением магнитной проницаемости /л, что приводит к минимизации реактивного поля и к достаточно хорошему согласованию в относительно широкой полосе частот

В микрополосковых антеннах с круглым полоском перспективным является использование подложки с неоднородным заполнением, состоящим из кольца обычного диэлектрика и сердцевины из метаматериала. Подбирая коэффициент заполнения метаматериалом и диэлектрическую проницаемость кольца е, создаются условия возбуждения собственного типа волны с улучшенными характеристиками согласования, излучения и миниатюризации микрополосковой антенны этого типа.

Таким образом, тема диссертации «Применение метаматериалов при разработке волноводных СВЧ устройств» является актуальной.

Целью диссертации является исследование путей создания волноводных СВЧ устройств с улучшенными диапазонными и функциональными свойствами за счет применения метаматериалов.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: анализа состояния теории и практического применения электродинамических свойств метаматериалов в функциональных устройствах

и антеннах СВЧ диапазона;

- оценки результатов применения метаматериалов и композитных сред в режиме переходного поля в том числе с учетом физических явлений на основе нулевого или близкого к нулю показателя преломления среды;

- анализа принципов построения композитных сред и метаматериалов с отрицательными диэлектрическими и магнитными проницаемостями;

- исследование электродинамических свойств коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов ,с частичным заполнением анизотропным метаматериалом;

- исследование электродинамических свойств метаматериалов с нулевым показателем преломления с целью формирования синфазной апертуры при узконаправленном излучении;

- создание макетных образцов заградительных и полосовых фильтров на основе волноведущих структур и антенн осевого излучения с использованием метаматериалов.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы собственных функций, вычислительные методы технической электродинамики, методы компьютерной обработки данных натурных экспериментальных измерений.

Научная новизна. В результате выполнения работы:

- обобщены и проанализированы принципы построения искусственной среды с отрицательной диэлектрической проницаемостью, включая запредельные области квазистатического поля регулярных и неоднородных волноводов, а также области ближнего поля антенн малых электрических размеров;

- обобщены и проанализированы принципы построения композитной среды с отрицательной магнитной проницаемостью, включая диамагнитный режим подмагниченных ферромагнетиков;

- проведен электродинамический анализ и приближенный расчет волновых параметров и характеристик коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов с частичным заполнением анизотропным метаматериалом;

- экспериментально подтверждена возможность создания синфазного раскрыва с помощью плоской линзы из метаматериала с нулевым коэффициентом преломления.

Практическая значимость. Результаты исследований позволили:

- создать заградительные фильтры на основе коаксиального и копланарного волноводов малых электрических размеров;

- создать волноводные устройства малых электрических размеров для реализации миниатюрных резонаторов, фильтров, направленных ответвителей, фазовращателей;

- создать плоские линзы для формирования синфазной апертуры в пирамидальных рупорах;

- создать полосовые фильтры малых электрических размеров на основе круглых, прямоугольных и копланарных волноводов с частичным заполнением анизотропным метаматериалом.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы были реализованы в НИР «Анализ

б

современного состояния технологий использования метаматериалов; разработка математических моделей и алгоритмов для исследования электродинамических свойств метаматериалов», шифр 1.63.08, № г.р. 01200901182, Инв. № 02200901169, в НЩ РКО 4 ЦНИИМО: при выполнении плановых НИР; при разработке ТТХ по профилю тематики НИЦ РКО; при совершенствовании научно-методической базы НИЦ РКО. Результаты исследований электродинамических свойств метаматериалов использованы в ходе выполнения НИР на спедтему «Ивушка», а также в учебном процессе на кафедре «Радиоэлектронные системы и устройства» МГТУ им. Н.Э.Баумана, подтвержденные соответствующими актами о внедрении. Также заключены государственные контракты № П117 от 12 апреля 2010 г. «Исследование процессов построения метаматериалов на основе композитных сред для функциональных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов» и № 14.740.11.1335 от 27 июня 2011 г. «Использование метаматериалов, киральных сред и фотонных кристаллов в приборах СВЧ устройств».

Также поданы две заявки на патенты:

1. Полосовой фильтр СВЧ диапазона, регистрационный номер 2011130455.

2. Заградительный фильтр СВЧ диапазона, регистрационный номер 2011130456

По заявке номер 2011130455 принято решение о выдаче патента на полезную модель.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методика электродинамического анализа принципов построения метаматериалов с отрицательной диэлектрической проницаемостью, включая запредельные области квазистатического поля регулярных и неоднородных волноводов, а также области ближнего поля антенн малых электрических размеров;

- методика электродинамического анализа принципов построения метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью, включая диамагнитный режим подмагниченных феррамагнетиков;

- методика электродинамического анализа и приближенного расчета волновых параметров и характеристик волноводов с частичным заполнением анизотропным метаматериалом;

- результаты экспериментальных исследований волноводных СВЧ устройств и антенн, содержащих анизотропные метаматериалы, полученные при использовании созданных макетных образцов

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях:

Студенческих научно-технических конференциях: «Студенческая научная весна (2005 - 2008) г.г. МГТУ им. Н.Э.Баумана; на 8-й (2006 г.), 9-й (2007 г.), 11-й (2009 г.), 12-й (2010 г.) Научно-технических конференциях «Медико-технические технологии на страже здоровья»; на У-й (2007 г.), УП-й (2009г.) Молодежных научно-технических конференциях «Радиолокация и

*

связь - перспективные технологии»; на У-й (2006 г.), У1-й (2007 г.), Х-й (2011 г.) Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов»; на Конкурсе научных работ студентов университета, 2006 г. МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечиваются корректным применением метода разделения переменных при решении уравнений Гельмгольца в декартовом, цилиндрическом и сферическом базисах, обоснованностью упрощающих допущений, а также сравнением с результатами математического и физического моделирования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 110 наименований. Основная часть работы изложена на 137 страницах, содержит 67 рисунков и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи работы, отмечаются научная новизна и практическая значимость, характеризуются методы исследования; приводятся сведения об апробации работы и структуре диссертации; формулируются основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы приведен анализ работ по применению метаматериалов в радиоэлектронике.

Искусственные композитные среды и их электродинамические свойства стали предметом исследований ещё в 19 веке, но значительный интерес к ним повысился при опубликовании статьи В.Г. Веселаго. Большой вклад в развитие теории и экспериментальных исследований композитных сред, в том числе метаматериалов ещё до появления работы внесли советские ученые H.A. Капцов, Л.И. Мандельштам, J1.A. Микаэлян, Д.В. Сивухин, P.A. Силин, В.Е. Пафомов, Я.Н.Фельд и JI.C. Бененсон, В.Н. Агранович и B.JI. Гинзбург. Особенно бурное развитие исследований метаматериалов продолжилось после работы Дж. Пендри. Следует отметить, что прообразы двойных разомкнутых кольцевых рамок, использованные в на самом деле были предложены ранее в работе Н.В. Костина и В.В. Шевченко. В 80-х, 90-х годах прошлого века в России зарождаются мощные научные школы по метаматериалам в Институте теоретической и прикладной электродинамики РАН и Институте радиоэлектроники РАН. Из зарубежных ученых и специалистов, внесших значительный вклад в теорию и практику метаматериалов следует отметить Е. Коха, С.А. Щелкунова и Г. Фрииса, Дж. Пендри, Д. Смита, Р. Шелби, Р. Циолковского и др. Результаты опубликованных работ по метаматериалам подтвердили необычные электродинамические свойства последних. Однако в

S

литературных источниках, на наш взгляд, недостаточно полно показано применение этих свойств при разработке конкретных конструкций волноводных СВЧ устройств и антенн.

Вторая глава диссертационной работы посвящена материальным и волновым параметрам композитных сред в режиме переходного поля. Приведены основные положения электронной теории Лоренца-Друде, используемые при выводе приближенных соотношений для расчета диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериалов. Показано что в среде с нулевым показателем преломления электромагнитное поле является квазистатическим.

Если электромагнитное волновое поле в дважды положительной среде г > > 0 (или в дважды отрицательной среде г<0„«<0) переходит в состояние квазистатического в эпсилон отрицательной с<0,^>0 (или в мю отрицательной, е>0,р<0) среде (или наоборот от квазистатического в состояние волнового), то такое поле называют переходным. Точка перехода характеризуется тем, что в ней либо е = 0, либо // = 0, либо п = 0, либо фазовая постоянная переходит через нуль.

У элементарного электрического диполя переход от квазистатического поля к волновому осуществляется на критическом сечении, разделяющем поле ближней зоны от поля промежуточной зоны. При этом, диэлектрическая проницаемость области ближней зоны с отрицательного значения переходит к положительному значению в промежуточной зоне, проходя через нуль в критическом сечении. Для компенсации реактивного поля ближней зоны элементарного электрического диполя с целью увеличения эффективности излучения его надо либо разместить внутри среды (диэлектрического шара) с е>0,/и > 0 и размером радиуса сферы меньше или равного критическому сечению, либо окружить кольцом из метаматериала с диэлектрической проницаемостью е<0,/; >0 и внутренним радиусом, равным радиусу критического сечения. Ближняя зона элементарного электрического диполя является областью с отрицательным значением диэлектрической проницаемости.

В главе проводится анализ свойств и практических применений метаматериалов в режиме, когда е, ¡л очень малы и стремятся к нулю в определенном частотном переходном режиме электромагнитного поля.

В третьей главе рассматриваются принципы построения искусственной среды с отрицательной диэлектрической проницаемостью. Одним из основных принципов является структура тонких металлических стержней радиуса г в виде решетки с периодом а «А, ориентированных параллельно вектору Е падающей на нее плоской электромагнитной волны. Тогда, действительная часть диэлектрической проницаемости е' без учета потерь вычисляется по формуле = где /- рабочая частота, /„ =с/[а^2тгЩа/г)\ плазменная

частота. Такая структура ведет себя аналогично плазменно подобной среде, причем /м из-за условия тонких стержней смещается в область сверхвысоких

частот. Это смещение происходит из-за уменьшения эффективного числа свободных электронов в единице объема и увеличения эффективной массы последних за счет магнитного поля, возникающего в окрестности проводника под действием наведенного электрического поля. Как видим, при /</„ получаем г' < 0. Композитная среда с е' <0 может быть построена на основе волноведущих структур работающих в закритическом режиме. Собственные волны полых волноводов прямоугольного и круглого сечений распространяются с фазовой постоянной /? = (©/с)^1-/^//2, где со - круговая частота, с - скорость света, fKp - критическая частота. Как видим, эквивалентная диэлектрическая проницаемость волноводной полости может быть записана в виде = 1 ~ flp! f1 ■ Роль плазменной частоты, здесь аналогично рассмотренному выше, играет ftp. Для низших типов волн имеем:

£Hvi = 1 - с2 l(4a2f2),s'Hii = 1 - с2 /(11,63а2/2)

Для конического волновода «постоянная» распространения Г определяется соотношениями:

кЩкг) '

Г =----, RJkr) = kr< г и

rjifij\(kr),hf\kr) - сферические функции Бесселя первого рода ц - ого порядка и сферические функции Ханкеля второго рода rj - ого порядка соответственно; (кг)«Р = 7*707 + 1) " критические сечения соответствующих типов волн; ц -собственные значения, определяемые из граничных условий: р; (cos<?) и,=о ,-^р; (costf) 1^=0

для Ет„ и #„,„ типов волн соответственно, у - половина угла раствора конуса, P"(cos<?) - присоединенные функции Лежандра первого рода.

Для низшего типа волны Нп при у = 45° имеем из граничных условий ц = 2 , т.е. (кг)кр = б. Поступая аналогично прямоугольному и круглому волноводам получаем следующие выражения для эквивалентной диэлектрической проницаемости запредельной конической полости.

4„ = -k(V6///J/;2(V6 ///J- 2/(V6///J2,/ < fKP

=fve. U2(ve///KPf2,/> л,,

где щ(х) - сферические функции Неймана.

Аналогично волноводной среде образование области с отрицательным значением е возможно в неоднородных электродинамических структурах ниже критического сечения (конические, радиальные, пирамидальные, биконические структуры, а также область ближнего поля элементарного электрического диполя).

Г

Отрицательная е' может быть получена в композитной среде на основе отрезков линии передачи при определенном сочетании значений распределенных и сосредоточенных параметров, включаемых в линию с периодом d «Л. Тогда г'« ет //«/¿л„-1/(^0o2CV), где Г

параллельно включаемая сосредоточенная индуктивность, С" последовательно включаемая сосредоточенная емкость, ет, цт - относительные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей линии передачи. Здесь мы получаем искусственную среду и с отрицательным ц'.

Четвертая глава посвящена принципам построения композитной среды с отрицательной магнитной проницаемостью. Их основой является гипотеза А. Ампера: магнитные свойства отдельной молекулы вещества описываются магнитным моментом р", создаваемым круговым молекулярным током. При концентрации этих токов N намагниченность вещества определяется как М = NpM. Для подмагниченных парамагнетиков из решения уравнения движения намагниченности М, получаем в случае малых потерь:

тГ " ° (fl»J-ffl2)2+4®,/r22' где х" = М0 /Я0 - магнитная восприимчивость в постоянном магнитном поле, т0 = МоТно - ларморова частота прецессии, у - гиромагнитное отношение, т2 -время поперечной спин-спиновой релаксации, ар - резонансная частота. В зависимости //'=/(©) имеется область с // < 0, соответствующая

диамагнитному режиму.

Искусственная композитная среда на основе периодических включений проводящих частиц малых электрических размеров (сфер, круговых и эллиптических цилиндров, вытянутых и сплюснутых сфероидов, плоских дисков) представляет собой диамагнетик с отрицательным значением магнитной восприимчивости.

Отрицательная магнитная проницаемость композитного магнетика может быть получена на основе периодических структур элементарных рамок прямоугольной или круглой форм (искусственных молекул), поскольку для

среды n' = \-Nii^S2l[Lp^-a)la2\Tj¡fi S - площадь рамки, ■р = \ЦЬрСр - резонансная частота рамки; Lp, Ср - индуктивность и емкость рамки.

Наибольшее распространение получила композитная среда с /л < 0 на основе периодических структур двойных щелевых кольцевых резонаторов (SRR) для которой:

t жг!аг_

1 - 3 /(л-2 ц^согСгг)+ i2al(mrfiü)'

такой со

где С- емкость, приходящаяся на единицу расстояния между кольцами внутри а - расстояние между БИЯ в решетке, а- удельная проводимость колец, г - радиус внешнего кольца 8М1. Отрицательное значение Ц возникает в диапазоне<у0 «о<щ!4\-пггIа\ где резонансная

частота

Удобным для практических применений композитной среды с А <0, является ее выполнение на основе микрополосковой печатной технологии с использованием отрезков микрополосковых, щелевых и копланарных линий передачи. Тогда, как было показано в третьей главе, Ц < 0 может быть получено при определенном сочетании значений распределенных и сосредоточенных параметров, включаемых в линию с периодом ¿«Л. Особенностью построения композитной среды с м < 0 на оптических частотах является структура периодически размещаемых парных хорошо проводящих стержней при возбуждении в них антисимметричного плазменного резонанса.

Пятая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям СВЧ устройств, содержащих метаматериалы. В результате решения уравнений Максвелла получены дисперсионные соотношения и определены волновые параметры низших типов волн (постоянная распространения, фазовая и групповая скорости, длина волны в системе, волновое сопротивление) коаксиального (рис. 1а), круглого (рис. 2а) и прямоугольного (рис. За) волноводов с частичным заполнением метаматериалом. Поскольку ц и е метаматериала непосредственно входят в выражения этих параметров, то характер волнового процесса полностью определяется частотно-дисперсионными свойствами метаматериала в соответствии с принципами электронной теории Лоренца-Друде.

/■г /-2 {2

„_1 /М,~Л е = 1-----

^ -1- /2 _/о2 /(2л)' /г-1Г,/К2х)

где / - рабочая частота, /0 - резонансная частота рамки, /„,, /т - плазменная

магнитная и электрическая частота соответственно, ум, Г, - постоянные,

характеризующие магнитные и электрические потери.

Для коаксиального волновода (рис. 1а) диапазон частот, где //<0 оказывается запрещенным, что видно из графика зависимости коэффициента передачи 521 от частоты (рис. 16). При работе круглого и прямоугольного волноводов в запредельном режиме диапазон частот, где //'<0 оказывается «прозрачным» для распространения волн основного типа (рис. 26, 36). Поперечные размеры волноводов в этом случае могут быть значительно уменьшены, что позволяет осуществить волноводную миниатюризацию. Отрезки таких волноводов были использованы для построения заградительных и полосовых СВЧ фильтров (рис. 1в, 2в, Зв).

Е Н,„ Н

В

Рис. 1. Коаксиальный волновод с метаматериапом (а); зависимость от частоты (б); фото заградительного фильтра (в)

Рис. 2. Круглый волновод с мета-материалом (а); зависимость

от частоты (б); фото полосового фильтра (в)

. 3. Прямоугольный волновод с метаматериалом (а); зависимость Яд от частоты (б); фото полосового фильтра (в)

$21. дБ О

6,5 /, ГГц

О -10

-го

-30 -40 -50

о

Рис. 6.8 Фото плоской линзы в пирамидальном рупоре

Рис. 7.9 Копланарные волноводы

Рис. 6 ДН рупорной антенны в Е плоскости

Рис. 5. ДН рупорной антенны в Н плоскости

Рис. 4. Плоская линза в рупоре

Рис.7 Нормированная ДН рупорной антенны в Н плоскости

-110 -130 180 130 110

пл. Я

■УгьД5

>?гьд5

Рис. 10. Фото копланарного воновода 1

Рис. 9. 11Фото копланарного волновода 2

-50

3,8 4,2 4,6 5,0 5,4 5,8 6,4 6,6

/ГГц

Рис. 12. Зависимость 521 от/

заградительного фильтра

-50

4,4 5,1 5,8 6,5 7,2 7,9 8,6

/,ГГа

Рис. 13. Зависимость 521 от/ полосового фильтра

Рис. 14. Эскиз антенны бегущей Рис. 15. ДН антенны бегущей

волны волны в плоскости Н

I I

УХ

Рис. 16. ДН антенны бегущей Рис. 17. Фото антенны бегущей

волны в плоскости Е волны

С помощью трехслойной сетчатой структуры тонких проводников имеющей коэффициент преломления близкий к нулю продемонстрировано формирование синфазной апертуры на примере рупорно-линзовой антенны (рис. 4, 5, 6, 7, 8), КНД которой возросло на 2,7дБ по сравнению с

оптимальным рупором без линзы.

Полученный результат объясняется не только компенсацией линзой квадратичных фазовых искажений на краю раскрыва рупора, но и дополнительным возбуждением высшего типа волны Я30, позволяющим создать более равномерное амплитудное распределение в Н- плоскости и увеличить апертурный коэффициент использования поверхности.

Для копланарного волновода с частичным заполнением метаматериалом (рис. 9), дисперсионные соотношения получены методом теории цепей и эквивалентных схем с последующим вычислением волновых параметров Н-волны низшего типа. На основе отрезков такого волновода построены конструкции заградительных и полосовых фильтров с использованием

микрополосковой технологии (рис. 10, 11).

Пластина из метаматериала (структура БЯЕ. на диэлектрическои подложке с г =3,5) при возбуждении открытым концом круглого волновода на волне Я„ (рис. 14) была использована в качестве замедляющей структуры антенны бегущей волны. В оптимальном режиме антенна имеет максимальный КНД ШБ при относительной длине структуры Ь/Я = 3,7 и коэффициенте замедления £ = 1,135 формирует диаграмму направленности в плоскостях Н и Е (рис. 15, 16) шириной 20",=35*23\ = 30'05'. Сопоставление с

теоретическими расчетами 2<5, =ЗГЗО' показывает приемлемые

оценки при проектировании такой антенны.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ электродинамических свойств метаматериалов в режиме переходного поля при их использовании в функциональных устройствах и излучателях СВЧ диапазона.

2. Проведен анализ и систематизация принципов построения искусственных композитных сред с отрицательными значениями действительных частей диэлектрической и магнитной проницаемостей.

3. Показано, что искусственная композитная среда с отрицательным значением действительной части диэлектрической проницаемости может быть построена на основе отрезков волноведущих структур, работающих в закритическом режиме, а также на основе отрезков неоднородных электродинамических структур ниже критического сечения (конические, радиальные, пирамидальные, биконические структуры, а также область ближнего поля элементарного электрического диполя).

4. Теоретически и экспериментально исследованы электродинамические свойства коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов с частичным заполнением метаматериалом.

5. Разработаны заградительные и полосовые фильтры СВЧ диапазона на основе отрезков коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов.

6. Теоретически и экспериментально исследованы электродинамические свойства метаматериалов с нулевым показателем преломления с целью разработки устройств формирования синфазной апертуры при узконаправленном излучении электромагнитных волн.

7. Разработана плоская линза на основе периодической структуры квадратных металлических рамок и стержней, позволяющая увеличить на 3дБ КНД оптимального пирамидального рупора.

8. Разработана антенна бегущей волны в качестве замедляющей системы, в которой использована пластинчатая периодическая структура двойных разомкнутых колец на диэлектрической подложке. При относительной длине структуры ¿/Я = 3,7 антенна имеет КНД \4дБ.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С., Тягунов В.А. Экспериментальные исследования СВЧ устройств, содержащих метаматериалы // X Международная НТК «Физика и технические приложения волновых процессов»: «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» :

Пленарные доклады. - Самара: ИУНЛ ПГУТИ, 2011. - Т. 15. - №3. - С. 4353.

2. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Принципы построения композитной среды с отрицательной магнитной проницаемостью // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2011. - № 1(82). - С. 3 - 17.

3. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Материальные и волновые параметры композитных сред в режиме переходного поля // Изв. Вузов. Машиностроение. - 2011. - № 2. - С. 75 - 80.

4. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С., Щукин С.Н. Электродинамические свойства биообъектов с киральными структурами // Сб. трудов 12-й НТК. Медико-технические технологии на страже здоровья «МЕДТЕХ-2010». -М.: НИИ PJI МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2010. - С. 9 -15.

5. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Принципы построения искусственной среды с отрицательной диэлектрической проницаемостью // Вестник СОНИР. -2009.-№4(26),-С. 70-77.

6. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Использование метаматериалов в устройствах СВЧ // Вестник МГТУ. Приборостроение. Спец. вып. «Антенны и устройства радио - и оптического диапазонов». - 2009 . - С. 118-123.

7. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Антенны зондового типа радиотермографических СВЧ установок // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. Спец. вып. «Антенны и устройства радио и оптического диапазонов». - 2009. - С. 46- 50.

8. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Метаматериалы в антеннах радиотермографических установок // 11-я научно-техническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья»: Сборник трудов (Черногория). - М.: НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - С. 46-52

9. Рыженко Д.С. Построение метаматериала на основе микрополосковой линии передач // VII Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь - перспективные технологии». 22-23 октября 2009 года. - М.: ОАО «Радиофизика», 2009. - С. 112 - 116.

Ю.Рыженко Д.С. Метаматериалы - новый вид магнито - диэлектриков // «Студенческая весна. - 2008» МГТУ им. Н.Э. Баумана: Сб. тезисов докладов / Под ред. К.Е, Демихова. - М.: HTA «АПФН», 2008. -С. 4-6.

11.Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Излучение сферической антенны // «Физика и технические приложения волновых процессов» материалы МНТК: «Физика волновых процессов и радиотехнические системы». -Самара: Самарский государственный университет. - 2007. - Т. 10, №3. - С. 94-101

12.Рыженко Д.С. Коэффициент направленного действия сферической антенны // V Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь -перспективные технологии»: Сборник тезисов докладов. - М.: ОАО «Радиофизика». - 2007. - С. 126-130.

13.Рыженко Д.С. Исследование поля сферической антенны // Студенческий научный вестник: Общеуниверситетская научно-техническая конференция

«Студенческая научная весна - 2007». Сборник тезисов докладов. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана. - 2007. - T.IV. - С. 12-13

14.Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Дипольное излучение электромагнитных волн // «Физика и технические приложения волновых процессов» материалы МНТК: «Физика волновых процессов и радиотехнические системы». -Самара: Самарский государственный университет. - 2006. - С. 126-127.

15.Рыженко Д.С. Формирование базы данных РЛС для решения задач радиолокационного лоцирования // Конкурс научных работ студентов университета: Студенческий научный вестник. Сборник тезисов докладов. -М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. - С. 7.

16.Рыженко Д.С. Исследование поля элементарного магнитного диполя // Студенческая научно-техническая конференция «Студенческая научная весна - 2006»: Сборник трудов. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. - С. 4344.

17,Особенности количественной оценки эффективности биоадекватных электромагнитных воздействий / Лужнов П.В., Шамкина Л.А., Булавкин A.B., Рыженко Д.С. // 8-я научно-техническая конференция «МЕДТЕХ-2006»: Сборник трудов. -М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. - С. 17-18.

18.Рыженко Д.С., Юсова Ю.С. Обзор типов излучателей для медицинских целей // Студенческая научно-техническая конференция «Студенческая научная весна - 2005»: Сборник трудов. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. -С. 88-89

19.Рыженко Д.С., Юсова Ю.С. Исследование поля элементарного электрического диполя // Студенческая научно-техническая конференция «Студенческая научная весна - 2005»: Сборник трудов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - С. 70-71.

Подписано к печати 27.10.11. Заказ №735 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

Введение.

Глава 1. Анализ работ по применению метаматериалов в радиоэлектронике.

Глава 2. Материальные и волновые параметры композитных сред в режиме переходного поля.

Глава 3. Принципы построения искусственной среды с отрицательной диэлектрической проницаемостью.

3.1. Диэлектрическая проницаемость композитной среды на основе тонких проводников.

3.2. Эквивалентная диэлектрическая проницаемость композитной среды на основе волноводных структур.

3.3. Эквивалентная диэлектрическая проницаемость композитной среды на основе линий передачи с распределенными и сосредоточенными параметрами.

Глава 4. Принципы построения композитной среды с отрицательной магнитной проницаемостью.

4.1. Магнитная проницаемость парамагнетиков.

4.2. Отрицательная магнитная восприимчивость искусственных магнетиков.

4.3. Отрицательная магнитная проницаемость композитного магнетика на основе периодических структур элементарных рамок.

4.4. Отрицательная магнитная проницаемость композитного материала на основе периодических структур щелевых кольцевых резонаторов.

4.5. Особенности построения композитной среды с отрицательной магнитной проницаемостью на оптических частотах.

Глава 5. Теоретические и экспериментальные исследования

СВЧ устройств, содержащих метаматериалы.

5.1. Пластина метаматериала в поле плоской электромагнитной волны.

5.2. Коаксиальный волновод с пластиной из метаматериала.

5.3. Круглый волновод с пластиной из метаматериала.

5.4. Прямоугольный волновод с пластиной из метаматериала.

5.5. Формирование синфазной апертуры с использованием метаматериалов.

5.6. Копланарный волновод частично заполненный метаматериалом.

5.7. Антенна бегущей волны на основе метаматериала.

Выводы.

Разработка современных радиотехнических систем, используемых в технике радиосвязи, радиолокации, радиоастрономии, оборонных областях радиоэлектроники требует новых принципов в построении функциональных устройств и антенн, уменьшения их массогабаритных параметров одновременно с обеспечением широкополосности, надежности и многофункциональности. Удовлетворение таким требованиям невозможно без реализации новых физических явлений, материалов и технологий. В последние годы разработчиков СВЧ устройств и антенн всё больше привлекают новые материалы и среды с необычными электродинамическими свойствами. Это так называемые метаматериалы, включая киральные и перколляционные среды, оптомагнетики, фотонные и электронные кристаллы [5,9-11]. Указанные материальные среды являются композитными, обладающими дисперсионными и анизотропными в электромагнитном смысле свойствами.

Основные электродинамические параметры: диэлектрическая проницаемость е и магнитная проницаемость /л в таких средах могут принимать очень малые (включая ноль) или очень большие значения, а также в определенном частотном диапазоне быть отрицательными (иногда одновременно). Последнее свойство позволяет реализовать материальную среду с отрицательным показателем преломления. Знак показателя преломления среды непосредственно связан с тем, параллельны или антипараллельны фазовая и групповая скорости волн в этой среде. В первом случае говорят о положительной, а во второй - об отрицательной групповой скорости волны. При отрицательной групповой скорости требование ухода энергии от поверхности раздела сред равносильно требованию набегания фазы на эту поверхность. В этом случае преломленный луч расположен не как обычно, а по направлению, симметричному относительно нормали к обычному направлению [30,38]. Из этого факта следует возможность создавать необычные оптические устройства. Так, например, плоская пластина из метаматериала [36,52] является собирающей линзой, обладающей необычным для линзы свойством - отсутствием фокальной плоскости. Это означает, что линза создает объемное изображение предмета, подобно зеркалу. Однако, в отличие от зеркала, создаваемое изображение действительное, что открывает возможности для развития трехмерной фотографии. У плоской линзы есть существенный недостаток: она создает изображения предметов, которые расположены достаточно близко к её поверхности. Так, например, линза из идеальной композитной среды, у которой е = /л = -1 создает изображения всех точек предмета, расположенных в слое, ширина которого равна толщине пластины. Следует отметить ещё и то, что коэффициент отражения от такой среды равен нулю и вся энергия падающей волны переходит в преломленную.

Особая роль в реализации уникальных электродинамических свойств метаматериалов при конструировании устройств СВЧ с улучшенными диапазонными и функциональными характеристиками принадлежит средам, объединенным в пары с разными знаками е и //[59]. Такими парами могут быть сопрягаемые пластины из дважды положительного (е>0,//>0) и дважды отрицательного (ггсО^сО) метаматериалов или в которых эпсилон отрицательные (б-<0,//>0) и мю отрицательные (//<0,^>0) материалы соединяются вместе или с дважды положительными (е > > 0) материалами. Уникальность электродинамических свойств таких спаренных структур определяется поведением электромагнитного поля в форме поверхностных волн на границе раздела сопрягаемых сред. Возникающий в процессе взаимодействия с внешним полем так называемый «поверхностный резонанс» вдоль разрыва непрерывности касательных составляющих поля сопрягаемых материалов на границе раздела приводит к компенсации процесса уменьшения амплитуды затухающей волны в одной пластине через увеличение амплитуды затухающей волны в другой пластине.

Использование описанных выше структур приводит к появлению таких особенных явлений как резонанс, отсутствие отражений, полное туннелирование волны и прозрачность. Достижение прозрачности пытаются реализовать с помощью сопрягаемых пар метаматериалов в виде сферических или цилиндрических оболочек. Эффект прозрачности (или невидимости предмета внутри таких оболочек) в принципе достижим только в узком частотном диапазоне [68].

Свойство парных структур используется при построении электрически малых по размерам волноводов, а на их основе и резонаторов, фазовращателей, направленных ответвителей и рассеивающих структур с резонансными свойствами, независящими от их эффективного физического размера [23]. В антеннах малых электрических размеров применение парных метаматериалов позволяет скомпенсировать реактивную мощность, запасенную в ближней зоне излучателя в широкой полосе частот, в том числе, преодолевая фундаментальный предел Чу-Харингтона [4,16,61].

Размещение излучателей в единожды или дважды отрицательных средах дает возможность формирования остронаправленного излучения при достаточно широкой диаграмме направленности излучателя. Кроме того, такие структуры позволяют свободно дифрагировать электромагнитному полю через электрически малое отверстие благодаря формированию указанной выше структурой вытекающих волн. Метаматериалы способствуют созданию антенн поверхностных волн, в том числе обратного излучения. С помощью применения метаматериалов с нулевым показателем преломления возможно создание синфазной апертуры, формирующей остронаправленное излучение. С помощью изолятора на основе метаматериала с отрицательной магнитной проницаемостью возможно подавление взаимного влияния между соседними излучателями в фазированной антенной решетке. Известна методика дисперсионной компенсации в линии передачи, использующей метаматериал на основе дважды отрицательной среды. Эта среда по своей дисперсионной природе может быть использована как эффективное средство дисперсионной компенсации при пространственно-временной обработке сигнала. Как известно, дисперсия приводит к изменению групповой скорости составляющих сигнала при его распространении в дважды отрицательной среде. Это явление можно использовать для пространственно-спектральной корректировки при распространении сигналов вдоль, например, микрополосковой линии передачи. Дисперсия микрополосковой линии может быть устранена путем корректирования частотной зависимости эффективной диэлектрической проницаемости [60].

При разработке малогабаритных заградительных и полосовых фильтров СВЧ, обладающих малыми потерями в рабочей полосе частот и высокой частотной избирательностью [63,64] используются копланарные волноводы с периодическими включениями щелевых кольцевых резонаторов и металлических стержней.

Для миниатюризации микрополосковых антенн [25] обычно используются диэлектрические подложки с большим значением диэлектрической проницаемости £. Однако, в этом случае значительно повышается концентрация электрического поля в ближней зоне антенны в области высокого значения £, что приводит к низкой интенсивности излучения из-за большого реактивного поля и узкой полосы пропускания. Кроме того, из-за низкого значения характеристического импеданса антенны, возникают трудности ее согласования. Эти недостатки могут быть значительно уменьшены или даже исключены с помощью применения подложек из магнитно - диэлектрического материала с высоким значением магнитной проницаемости //, что приводит к минимизации реактивного поля и к достаточно хорошему согласованию в относительно широкой полосе частот (примерно в 1,5 раза шире по сравнению с микрополосковой антенной на диэлектрической подложке).

В микрополосковых антеннах с круглым полоском перспективным является использование подложки с неоднородным заполнением, состоящим из кольца обычного диэлектрика и сердцевины из метаматериала. Подбирая коэффициент заполнения метаматериалом и диэлектрическую проницаемость кольца £, создаются условия возбуждения собственного типа волны такой структуры с улучшенными характеристиками согласования, излучения и миниатюризации микрополосковой антенны этого типа.

Таким образом, тема диссертации «Применение метаматериалов при разработке волноводных СВЧ устройств» является актуальной.

Целью диссертации является исследование путей создания волноводных СВЧ устройств с улучшенными диапазонными и функциональными свойствами за счет применения метаматериалов.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: анализа состояния теории и практического применения электродинамических свойств метаматериалов в функциональных устройствах и антеннах СВЧ диапазона;

- оценки результатов применения метаматериалов и композитных сред в режиме переходного поля в том числе с учетом физических явлений на основе нулевого или близкого к нулю показателя преломления среды;

- анализа принципов построения композитных сред и метаматериалов с отрицательными диэлектрическими и магнитными проницаемостями;

- исследование электродинамических свойств коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов с частичным заполнением анизотропным метаматериалом;

- исследование электродинамических свойств метаматериалов с нулевым показателем преломления с целью формирования синфазной апертуры при узконаправленном излучении;

- создание макетных образцов заградительных и полосовых фильтров на основе волноведущих структур и антенн осевого излучения с использованием метаматериалов.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы собственных функций, вычислительные методы технической электродинамики, методы компьютерной обработки данных натурных экспериментальных измерений.

Научная новизна. В результате выполнения работы:

- обобщены и проанализированы принципы построения искусственной среды с отрицательной диэлектрической проницаемостью, включая запредельные области квазистатического поля регулярных и неоднородных волноводов, а также области ближнего поля антенн малых электрических размеров;

- обобщены и проанализированы принципы построения композитной среды с отрицательной магнитной проницаемостью, включая диамагнитный режим подмагниченных ферромагнетиков;

- проведен электродинамический анализ и приближенный расчет волновых параметров и характеристик коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов с частичным заполнением анизотропным метаматериалом;

- экспериментально подтверждена возможность создания синфазного раскрыва с помощью плоской линзы из метаматериала с нулевым коэффициентом преломления.

Практическая значимость. Результаты исследований позволили:

- создать заградительные фильтры на основе коаксиального и копланарного волноводов малых электрических размеров;

- создать волноводные устройства малых электрических размеров для реализации миниатюрных резонаторов, фильтров, направленных ответвителей, фазовращателей;

- создать плоские линзы для формирования синфазной апертуры в пирамидальных рупорах;

- создать полосовые фильтры малых электрических размеров на основе круглых, прямоугольных и копланарных волноводов с частичным заполнением анизотропным метаматериалом.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы были реализованы в НИР «Анализ современного состояния технологий использования метаматериалов; разработка математических моделей и алгоритмов для исследования электродинамических свойств метаматериалов», шифр 1.63.08, № г.р. 01200901182, Инв. № 02200901169, в НИЦ РКО 4 ЦНИИМО: при выполнении плановых НИР; при разработке ТТХ по профилю тематики НИЦ РКО; при совершенствовании научно-методической базы НИЦ РКО. Результаты исследований электродинамических свойств метаматериалов использованы в ходе выполнения НИР на спецтему «Ивушка», а также в учебном процессе на кафедре «Радиоэлектронные системы и устройства» МГТУ им. Н.Э.Баумана, подтвержденные соответствующими актами о внедрении. Также заключены государственные контракты № П117 от 12 апреля 2010 г. «Исследование процессов построения метаматериалов на основе композитных сред для функциональных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов» и № 14.740.11.1335 от 27 июня 2011 г. «Использование метаматериалов, киральных сред и фотонных кристаллов в приборах СВЧ устройств».

Также поданы две заявки на патенты:

1. Полосовой фильтр СВЧ диапазона, регистрационный номер 2011130455.

2. Заградительный фильтр СВЧ диапазона, регистрационный номер 2011130456

По заявке номер 2011130455 принято решение о выдаче патента на полезную модель.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методика электродинамического анализа принципов построения метаматериалов с отрицательной диэлектрической проницаемостью, включая запредельные области квазистатического поля регулярных и неоднородных волноводов, а также области ближнего поля антенн малых электрических размеров;

- методика электродинамического анализа принципов построения метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью, включая диамагнитный режим подмагниченных феррамагнетиков;

- методика электродинамического анализа и приближенного расчета волновых параметров и характеристик волноводов с частичным заполнением анизотропным метаматериалом; результаты экспериментальных исследований волноводных СВЧ устройств и антенн, содержащих анизотропные метаматериалы, полученные при использовании созданных макетных образцов

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях:

Студенческих научно-технических конференциях: «Студенческая научная весна (2005 - 2008) г.г. МГТУ им. Н.Э.Баумана; на 8-й (2006 г.), 9-й (2007 г.), 11-й (2009 г.), 12-й (2010 г.) Научно-технических конференциях «Медико-технические технологии на страже здоровья»; на У-й (2007 г.), УП-й (2009г.) Молодежных научно-технических конференциях «Радиолокация и связь - перспективные технологии»; на У-й (2006 г.), У1-й (2007 г.), Х-й (2011 г.) Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов»; на Конкурсе научных работ студентов университета, 2006 г. МГТУ им. Н.Э.Баумана. Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечиваются корректным применением метода разделения переменных при решении уравнений Гельмгольца в декартовом, цилиндрическом и сферическом базиса, обоснованностью упрощающих допущений, а также сравнением с результатами математического и физического моделирования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 110 наименований. Основная часть работы изложена на 137 страницах, содержит 67 рисунков и 1 таблицу.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Проведен анализ электродинамических свойств метаматериалов в режиме переходного поля при их использовании в функциональных устройствах и излучателях СВЧ диапазона.

2. Проведен анализ и систематизация принципов построения искусственных композитных сред с отрицательными значениями действительных частей диэлектрической и магнитной проницаемостей.

3. Показано, что искусственная композитная среда с отрицательным значением действительной части диэлектрической проницаемости может быть построена на основе отрезков волноведущих структур, работающих в закритическом режиме, а также на основе отрезков неоднородных электродинамических структур ниже критического сечения (конические, радиальные, пирамидальные, биконические структуры, а также область ближнего поля элементарного электрического диполя).

4. Теоретически и экспериментально исследованы электродинамические свойства коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов с частичным заполнением метаматериалом.

5. Разработаны заградительные и полосовые фильтры СВЧ диапазона на основе отрезков коаксиального, круглого, прямоугольного и копланарного волноводов.

6. Теоретически и экспериментально исследованы электродинамические свойства метаматериалов с нулевым показателем преломления с целью разработки устройств формирования синфазной апертуры при узконаправленном излучении электромагнитных волн.

7. Разработана плоская линза на основе периодической структуры квадратных металлических рамок и стержней, позволяющая увеличить на 2,1 дБ КНД оптимального пирамидального рупора.

8. Разработана антенна бегущей волны в качестве замедляющей системы, в которой использована пластинчатая периодическая структура двойных разомкнутых колец на диэлектрической подложке. При относительной длине структуры Ы А, = 3,7 антенна имеет КНД 14дБ.

1. Банков С.Е. Электромагнитные кристаллы. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2010. -352 с.

2. Панченко Б.А. , Гизатуллин М.Г. Нано антенны. - М.: Радиотехника, 2010.-96 с.

3. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты // Первая миля. 2010. - №3-4. - С. 44-60.

4. Панченко Б.А. Метаматериалы и сверхнаправленность антенн // Радиотехника и электроника. 2009. - Т. 54, № 3. - С.302 -307.

5. Братчиков А.Н. EBG материалы (электронные кристаллы) в антенной и СВЧ - технике. - М.: Радиотехника, 2009. - 72 с.

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. 2009. - Т. 54.-№8.-С. 946-951.

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

8. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебник / В.А. Неганов, О.В. Осипов, C.B. Раевский, Г.П. Яровой; Под ред. В.А. Неганова и С.Б. Раевского (Изд. 4-е, доп. и перераб.). М.: Радио и связь. 2009. - 744 с.

9. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // Электроника: НТБ, 2009. № 7. - С. 70 - 79.

10. Слюсар В. Метаматериалы в конструкциях антенн // Электроника: НТБ. 2009. № 8 - С. 66 -70.

11. П.Гуляев Ю.В., Лагарьков А.Н., Никитов С. А. Метаматериалы: фундаментальные исследования и перспективы применения // Вестник российской академии наук. 2008. - Т.78. - № 5. - С. 438 - 457.

12. Банков С.Е. Дифракция электромагнитных волн на границе полубесконечного метаматериала // Радиотехника и электроника. 2008. -Т. 53. -№ 1.-С. 20-30.

13. Новые возможности и направления развития антенной техники на базе использования нано структур и метаматериалов / Бузов A.JL, Казанский Л.С., Минкин М.А., Юдин В.В. // Вестник СОНИР. - 2008 . - № 4 (22). С. 38-43.

14. Бутылкин B.C., Крафтмахер Г.А. Области пропускания бианизотропного и волноводно-бианизотропного метаматериалов на основе планарных двойных разомкнутых колец // Радиотехника и электроника. 2008. - Т. 53.-№ 1.-С. 5-19.

15. Юдин В.В. Новые возможности и направления развития антенной техники на базе использования нано-структур и метаматериалов // Вестник СОНИР. 2008. - № 4 (22). - С .38-43.

16. Панченко Б.А. Нано-антенны и сверхнаправленность // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2008. - Т. 11. - № 3. - С. 93 - 97.

17. Голубева Н.С., Митрохин В.Н. Основы радиотехники сверхвысоких частот: Учеб. Пособие (2-е изд., стер.). М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2008. - 488 с.

18. Сихвола А., Третьяков С.А., де Баас А. Метаматериалы с экстремальными параметрами // Радиотехника и электроника. 2007. - Т. 52. - № 9. - С. 1066-1071.

19. Митра Р. Критический взгляд на метаматериалы // Радиотехника и электроника. 2007. - Т. 52. - № 9. - С. 1051 - 1058.

20. Виноградов А.П., Никитов С.А, Предисловие редакторов выпуска // Радиотехника и электроника. 2007. - Т. 52. - №9. - С. 1029 - 1030.

21. Математические методы прикладной электродинамики / Ю.Г.Белов, А.А.Денисенко, В.Н. Митрохин и др.; Под ред. С.Б.Раевского. М.: Радиотехника, 2007. - 88 с.

22. Митрохин В.Н. Электродинамические свойства метаматериалов: Учеб. пособие / Под ред. Н.А.Бея. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007. -48 с.

23. Митрохин В.Н. Дипольное излучение источника малых электрических размеров // Электромагнитные волны и электронные системы. 2007. - Т. 12.-№1.-С. 50-58.

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

25. Блиох К.Ю., Блиох Ю.П. Что такое левые среды и чем они интересны? // Успехи физических наук. 2004. - Т. 174. - № 4. - С. 439 - 447.

26. Силин P.A. Периодические волноводы. М.: ФАЗИС, 2002. - 438 с.

27. Виноградов А.П. Электродинамика композитных материалов / Под ред. Б.З. Каценеленбаума. М.:Эдиториал УРСС, 2001. - 208 с.

28. Митрохин В.Н., Полищук А.Е. Электрический диполь в диэлектрическом шаре // Антенны. 2001. - № 8 (54). - С. 41 -47.

29. Митрохин В.Н. Исследование переходных полей в неоднородных СВЧ -структурах с критическими сечениями // Радиотехника. 1999. - № 4. - С. 86-91.

30. Силин P.A. Необычные законы преломления и отражения. М.: ФАЗИС, 1999. - 80 с.

31. Митрохин В.Н. Электромагнитное поле изолированного диэлектрическим шаром диполя // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1991. - № 3. - С. 31 -40.

32. Костин М.В., Шевченко В.В. Теория искусственных магнетиков на основе кольцевых токов // Радиотехника и электроника. 1992. - Т. 37. -№ 11.-С. 1992-2003.

33. Электрофизические свойства перколяционных систем: Монография // A.C. Антонов, В.М. Батенин, А.П. Виноградов и др.; Под ред. А.Н. Лагарькова. М.: ИВТАН, 1990. - 120 с.

34. 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.

35. Агранович В.К., Гинзбург B.JI. Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов (Изд. 2-е, перераб. и доп.). М.: Наука, 1979. - 432 с.

36. Силин P.A. О возможности создания плоскопараллельных линз // Оптика и спектроскопия. 1978. - Т. - 44, Вып. 1. - С. 189 - 191.

37. Силин P.A. Оптические свойства искусственных диэлектриков // Известия вузов. Радиофизика. 1972. - Т. - 15. - № 6. - С. 809 - 820.

38. Манделыптам Л.И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике // Под ред. Чл.-корр. АН СССР С.М. Рытова. М.: Наука, 1972.-С.437.

39. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями £и ¡л И Успехи физических наук. 1967. -Т. 92.-№ 7.-С. 517-526.

40. Силин P.A. Волноводные свойства двумерно периодических замедляющих систем // Вопросы радиоэлектроники. Сер. 1: Электроника.- 1959.-Вып. 4.-С. 11-33.

41. Пафомов В.Е. К вопросу о переходном излучении и излучении Вавилова -Черенкова//ЖЭТФ. 1959.-Т. 36.-Вып. 6.-С. 1853 -1858.

42. Фельд Я.Н., Бененсон Л.С. Антенно-фидерные устройства М.: Изд-во ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1959. - 4.2. - 552 с.

43. Щелкунов С.А., Фриис Г. Антенны: теория и практика (Пер. с англ.) / Под ред. Л.Д. Бахраха. М.: Сов. радио, 1955. - 604 с.

44. Сивухин Д.В. Об энергии электромагнитного поля в диспергирующих средах // Оптика и спектроскопия. 1957. - Т. 3. - С. 308 - 312.

45. Микаэлян Л. А. Методы расчета диэлектрической и магнитной проницаемости искусственных сред // Радиотехника. 1955. - Т. 10. - № 1. С. 23-36.

46. Bose J.C. On the rotation of plane of polarization of electric waves by a twisted structure // Proc. Roy. Soc. 1898. - V. 63. - P. 146 - 152.

47. The last Hertzian and Harbinger of electromagnetic chirality / Lindell I.V., Sihvola A.H., Kurkijarvi J., Karl F. Lindman. // IEEE Antennas Propag. Mag. 1992. - V. 34. - № 3. - P. 24 - 30.

48. Kock W.E. Metallic delay lenses // Bell Sys. Tech. I. 1948. - V. 27. - P. 58 -82.

49. Resonance properties of Bi Helix Media at Microwaves / Lagarkov A.N., Semenenko V.N., Chistyaev V.A. et al. // Electromagnetics. - 1997. - V. 17. -P. 213-237.

50. Low frequency plasmons in thin wire structures / Pendry J.B., Holden A.J., Robbins D.J., Stewart W.J. // J. Phys.: Condens Matter. - 1998. -V.10. - P. 4785-4809.

51. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenoment / Pendry J.B., Holden A.J., Robbins D.J., Stewart W.J. // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1999. - V.A 7. - P. 2075 - 2084.

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

53. Composite medium with simultaneously negative permeability end permittivity / Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., et al.// Phys. Rev. Lett. 2000. - V. 84. -P. 4184-4187.

54. Shelby R.A., Smith D.R., Schultz S. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction // Science 2001. V. 292. N 5514. - P. 77 - 79.

55. Balvain K.G., Liittgen A.E., Kremer P.C. Resonance Cone Formation, Reflection and Focusing in a Planar Anisotropic Metamaterial // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2002. - V. 1. - P. 146 -149.

56. Grbic A., Eleftheriades G.V. Experimental verification of backward wave radiation from a negative refractive index metamaterial // J. Appl. Phys. - 2002. -V. 92.-N10.-P. 5930-5935.

57. A metamaterial for Directive Emission / Enoch S., Tayeb G., Sabouroux P., et al. // Phys. Rev. Lett., 2002. V. 89. - №1. - P. 213902.

58. Ziolkowski R.W. Design Fabrication and Testing of Double Negative Metamaterials // IEEE Trans Antennas and Propagation. 2003. - V. 51. - N 7. -P. 1516- 1529.

59. Alu A., Engheta N. Pairing an Epsilon Negative Slab With a Mu - Negative Slab: Resonanse, Tunneling and Transparency // IEEE Trans. Antennas and Propagation. - 2003. - V. 51. - N 10. - P. 2558-2571.

60. Cheng C.-Y., Ziolkovski R.W. Tailoring double negative metamaterial responses to achieve anomalous propagation effects along microstrip transmission line // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2003. - V. 51. - P. 2306-2314

61. Ziolkovski R., Kipple A.D. Application of Double Negative Materials to Increase the Power Radiated by Electrically Small Antennas // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2003. - V.51. - N 10. - P.2626 - 2640.

62. Shvets G. Photonic approach to making a material with a negative index of refraction // Phys. Rev. B. 2003. - V. 67. - P. 035109.

63. A new split ring resonator based left handed coplanar waveguide / Martin F., Falkone F., Bonache I., et al. // Appl. Phys. Lett. 2003. - V. 83. - P. 46524654.

64. Coplanar waveguide structures, loaded with split ring resonators / Falkone F., Martin F., Bonache I., et al // Microwave and Optical Technology Letter. -2004. V.40. - P. 3-6.

65. Pendry J. A chiral route to negative refraction // Science. 2004. - V. 306. - P. 1353- 1955.

66. Artificial magnetic metamaterial design by using spiral resonators / Baena J.D., Marques R., Medina F., Martel J. // Physical Review B. 2004. - V. 69. - P. 014402.

67. Mosallaei H., Sarabandi K. Magneto Dielectrics in Electromagnetics: Concept and Applications // IEEE Trans. Antennas and Propagation. - 2004. -V. 52.-N6.-P. 1558- 1567.

68. Alu A., Engheta N. Achieving transparency with plasmonic coating // Phys. Rev. E. 2000. - V.72. - P. 016623.

69. Negative index of refraction in optical metamaterials / Shalaev V.M., Cai W., Chettiar U.K., et al. // Optic Letters. 2005. - V. 30. - N 24. - P. 3356 - 3358.

70. Hrabar S., Bartolic J., Sinus Z. Waveguide Miniaturization Using Uniaxial Negative Permeability Metamaterial // IEEE Trans. Antennas and Propagation. -2005.-V. 53.-Nl.P. 110-119.

71. Alu A., Engheta N. Physical Insight Into the "Growing" Evanescent Fields of Double Negative Metamaterial Lenses Using Their Circuit Equivalence // IEEE Trans. Antennas and Propagation. - 2006. - V. 54. - N 1. - P. 268 -272.

72. Wong J.K.H., Balmain K.G., Eleftheriades G.V. Fields in Planar Anisotropic Transmission Line Metamaterials // IEEE Trans. Antennas and Propagation.2006. V. 54. - N 10. - P. 2742 - 2749.

73. Metamaterial Covers Over a Small Aperture / Alu A., Bilotti F., Engheta N., Vegni L. // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2006. - V. 54. - N 6. - P. 1632- 1643.

74. Analysis of Directive Radiation From a Line Source in a Metamaterial Slab With Low Permittivity / Lovat G., Burghignoli P., Capolino F., et al. // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2006. - V. 54. - N 3. - P. 1017 - 1030.

75. Sabwave length, Compact, Resonant Patch Antennas Loaded With Metamaterials / Alu A., Bilotti F., Engheta N., Vegni L. // IEEE Trans. Antennas and Propagation. - 2007. - V. 55. - N 11. - P. 13 - 25.

76. A novel flat lens horn antenna designed based on zero refraction principle of metamaterial / Wu Q., Pan P., Meng F.-Y., et al. // Appl. Phys. A. 2007. - V. 87.-P. 151-156.

77. Wave propagation in anisotropic metamaterial with single sheeted hyperboloid dispersion relation / Luo H., Ren Z., Shu W., Li F. // Appl. Phys. A. - 2007. - V. 89. - P. 245 -249.

78. Construct a polarizing beam splitter by an anisotropic metamaterial slab / Luo H., Ren Z., Shu W., Li F. // Appl. Phys. 2007. - V. 87. - P. 283 -287.

79. Mosallaei H., Sarabandi K. Design and Modeling of Patch Antenna Printed on Magneto-Dielectric Embedded-Circuit Metasubstrate // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2007. - V. 55. - N 1. - P. 45 - 52.

80. Subwavelength Planar Leaky Wave Components With Metamaterial Bilayers / Alu A., Bilotti F., Engheta N., Vegni L. // IEEE Trans. Antennas and Propagation. - 2007. - V. 55. -N 3. - P. 882 - 891.

81. Theory and Simulations of Conformal Omni-Directional Subwavelength Metamaterial Leaky-Wave Antenna / Alu A., Bilotti F., Engheta N., Vegni L. // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2007. - V. 55. - N 6. - P. 1698 -1708.

82. Buell K., Mosallaei H., Sarabandi K. Metamaterial Insulator Enabled Superdirective Array // IEEE Trans. Antennas and Propag. 2007. - V. 55. - N 4.-P. 1074-1085.

83. The property of the horizontal dipole radiating in the presence of a single lossless metamaterial sphere / Wang H.-L., Wu Q., Su H., // Int. J. Infrared Milli Waves. 2008. -N 29. - P. 157 - 166.

84. Erentok A., Ziolkowski R.W. Metamaterial Inspired Efficient Electrically Small Antennas // IEEE Trans. Antennas and Propogation. 2008. - V. 56. - N 3.-P. 691 -707.

85. Invisibility of a metamaterial cloak illuminated by spherical electromagnetic wave / Meng F.-Y., Liang Y., Wu Q., Li L.-W. // Appl. Phys. A Materials Science and Processing. 2009. - P. 881 - 888.

86. Attia H., Yousefi L., Bait-Suwailam M.M., Boybay O.M. Enhanced Gain Microstrip Antenna Using Engineering Magnetic Superstcates // IEEE Antennas and Wireless Propag. Lett. - 2009. - V. 8. - P. 1198 -1201.

87. Antoniades M.A., Eleftheriades G.V. A Broadband Dual-Mode Monopole Antenna Using NRI-TL Metamaterial Loading // IEEE Antennas and Wireless Propag. Lett. 2009. - V. 8. - P. 258-261.

88. Palandoken M., Grede A. and Henke H. Broad-bend Microstrip Antenna With Left-Handed Metamaterials // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2009. -V. 57.-N2.-P. 331 -338.

89. Zhou R., Zhang H., Xin H. Metallic Wire Array as Low-Effective Index of Refraction Medium for directive Antenna Application // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2010. - V. 58. - N 1. - P. 79 -86.

90. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Принципы построения композитной среды с отрицательной магнитной проницаемостью // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2011. - № 1(82). - С. 3 - 17.

91. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Материальные и волновые параметры композитных сред в режиме переходного поля // Изв. Вузов. Машиностроение. 2011. - № 2. - С. 75 - 80.

92. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С., Щукин С.Н. Электродинамические свойства биообъектов с киральными структурами // Сб. трудов 12-й НТК. Медико-технические технологии на страже здоровья «МЕДТЕХ-2010». -М.: НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2010. - С. 9 - 15.

93. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Принципы построения искусственной среды с отрицательной диэлектрической проницаемостью // Вестник СОНИР. 2009. - №4(26), - С. 70-77.

94. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Использование метаматериалов в устройствах СВЧ // Вестник МГТУ. Приборостроение. Спец. вып. «Антенны и устройства радио и оптического диапазонов». - 2009 . - С. 118-123.

95. Митрохин В.Н., Рыженко Д.С. Антенны зондового типа радиотермографических СВЧ установок // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. Спец. вып. «Антенны и устройства радио и оптического диапазонов». 2009. - С. 46- 50.

96. Рыженко Д.С. Построение метаматериала на основе микрополосковой линии передач // VII Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь перспективные технологии». 22-23 октября 2009 года. - М.: ОАО «Радиофизика», 2009. - С. 112 - 116.

97. Рыженко Д.С. Метаматериалы новый вид магнито - диэлектриков // «Студенческая весна. - 2008» МГТУ им. Н.Э. Баумана: Сб. тезисов докладов / Под ред. К.Е, Демихова. - М.: HTA «АПФН», 2008. - С. 18-22

98. Рыженко Д.С. Коэффициент направленного действия сферической антенны // V Молодежная научно-техническая конференция

99. Радиолокация и связь перспективные технологии»: Сборник тезисов докладов. - М.: ОАО «Радиофизика». - 2007. - С. 126-130.

100. Технические средства для проведения профессионального отбора / Семикин Г.И., Подгайный Д.В., Суходровский А.Д., Рыженко Д.С // 9-я научно-техническая конференция «Медтех-2007». Сборник трудов МГТУ им. Н.Э.Баумана. М: МГТУ. - 2007 г. 154-155.

101. Рыженко Д.С. Исследование поля сферической антенны // Студенческий научный вестник: Общеуниверситетская научно-техническая конференция «Студенческая научная весна 2007». Сборник тезисов докладов. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана. - 2007. - T.IV. - С. 12-13

102. Рыженко Д.С. Формирование базы данных PJIC для решения задач радиолокационного лоцирования // Конкурс научных работ студентов университета: Студенческий научный вестник. Сборник тезисов докладов. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. - С. 7.

103. Рыженко Д.С. Исследование поля элементарного магнитного диполя // Студенческая научно-техническая конференция «Студенческая научная весна 2006»: Сборник трудов. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. - С. 43-44.

104. Рыженко Д.С., Юсова Ю.С. Обзор типов излучателей для медицинских целей // Студенческая научно-техническая конференция «Студенческаянаучная весна 2005»: Сборник трудов. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005.-С. 88-89

105. Рыженко Д.С., Юсова Ю.С. Исследование поля элементарного электрического диполя // Студенческая научно-техническая конференция «Студенческая научная весна 2005»: Сборник трудов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - С. 70-71.