В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
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.
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
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #5, 2013
Посещений: 6693
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
