Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

О фазированных антенных решетках Ka-диапазона на основе метаматериалаAbout metamaterial-based phased array antennas in the Ka-band

Анализируются параметры фазированной антенной решетки на основе управляемого метаматериала, анонсированной для применения на подвижных средствах в Ka-диапазоне.

Analyzed parameters phased array antenna based on a controlled metamaterial, which was announced for use on moving vehicles in the Ka-band.

Валентин Анпилогов
ЗАО "ВИСАТ-ТЕЛ", к.т.н.
Ключевые слова:
метаматериал, фазированная антенная решетка
Keywords:
мetamaterial, phased array antenna

Количество публикаций, посвященных метаматериалам, увеличивается из года в год (за последние 10 лет число публикаций увеличилось в сотни раз, а статистика запросов по ключевому слову metamaterial в международных поисковых системах достигает сотен тысяч). В качестве основополагающей работы рассматривается статья В.Г. Веселаго [1], опубликованная в 1967 г., в которой рассмотрены теоретические аспекты достижения отрицательного коэффициента преломления в среде. Справедливости ради следует отметить, что еще в 1959 г. при разработке теории искусственных диэлектриков применительно к антенной технике отрицательный коэффициент преломления был определен [2].

Сегодня обзор публикаций по теме метаматериалов уже заслуживает отдельного исследования, поскольку часто к метаматериалам относят совершенно иные эффекты, не связанные с отрицательным коэффициентом преломления, что выходит далеко за рамки данной краткой статьи. Физическая суть метаматериалов и их применение в антенной технике достаточно подробно и доступно изложены в [3].


Особый интерес последних лет вызывает практическая направленность использования метаматериалов. В частности, компания Kymeta объявила о разработке и запуске в производство в 2015 г. фазированных антенных решеток (ФАР) типа антенны поверхностной волны с использованием управляемого метаматериала [4, 5] и опубликовала их предварительные параметры в Ka-диапазоне. Особый интерес к таким ФАР связан с их высокими эксплуатационными характеристиками при использовании на подвижных объектах (самолетах, поездах, автомобилях и т.п.). Более того, компания Inmarsat инвестировала в разработку таких ФАР примерно $50 млн с целью их последующего применения в абонентских терминалах в сети Global Xpress (глобальная многолучевая спутниковая сеть связи в Ka-диапазоне).

Учитывая, что рассматриваемую ФАР следует отнести к прорывной технологии в антенной технике, целесообразно проанализировать ее известные (анонсируемые сегодня) параметры. Такой анализ представлен в таблице.


Следует отметить еще одну особенность – принципиальную узкополосность ФАР на основе метаматериала, что следует из общей теории (см. врезку).

Плотность энергии электромагнитного поля (ЭМП) для линейной изотропной среды при условии отсутствия дисперсии и поглощения

W= Wэ + Wм=1/8π (еE2 +μH2), (1)

где относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды: е= const и μ = const.

В метаматериалах основное условие связано с достижением отрицательного коэффициента преломления в такой среде

n = √-Vμ, (2)

где е < 0 и μ < 0.

Из (1) и (2), следует, что энергия электромагнитного поля отрицательная. Это противоречит природе. Однако этот парадокс разрешим, если обратиться к более общей записи плотности ЭМП:

W= Wэ + Wм=1/8π (de/dω E2 + dμ/dωH2), (3)

которая не предполагает отсутствия дисперсии в среде. Очевидно, что в этом случае при выполнении условий de/dω > 0 и dμ/dω > 0 энергия электромагнитного поля будет положительной. Таким образом, требуется наличие частотной зависимости е и μ [1]. Из этих рассуждений следует, что метаматериал с отрицательным показателем преломления реализовать можно, но в ограниченной полосе частот.

Результаты анализа показывают, что эксплуатационные параметры ФАР высоки, однако электрические характеристики не являются особо выдающимися, поскольку потери составляют примерно 3 дБ. При этом нет оснований ожидать существенного увеличения рабочей полосы частот (в прототипе указано 100 МГц, то есть не более 0,5%). Однако совокупность эксплуатационных достоинств в ряде случаев может оказаться преобладающим достоинством ФАР на основе управляемого метаматериала (в качестве примечания необходимо отметить, что способ и технология управления лучом пока не раскрываются).

Литература

  1. Веселаго В.Г., Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ // Успехи физических наук. – Т. 92, вып. 3. – 1967. – С. 517–526.
  2. Фельд Я.Н., Бененсон Л.С. Антенно-фидерные устройства, ч. 1, 2. – М.: Издание ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1959.
  3. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты // Первая миля. – 2010. – № 3–4. С. 44–60.
  4. http://www.intellectualventures.com/index.php/inven-tions-patents/our-inventions/msa-t. http://www.kymetacorp.com/.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #5, 2013
Посещений: 5405

Статьи по теме


  Автор
Анпилогов Валентин Романович

Анпилогов Валентин Романович

Зам.ген.директора ЗАО "Висат-Теп"

Всего статей:  56

В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций