Микроволновые частотно-селективные устройства на резонансных отрезках электродинамических замедляющих систем и структурах с метаматериалами

Издательский дом
Высшей школы экономики
МОСКВА, 2020

2-е издание, электронное

УДК 537.8:621.372.86
ББК 32.844.1
Е51

Р е ц е н з е н т

доктор технических наук, профессор, 
главный научный сотрудник Института проблем управления 
им. В. А. Трапезникова РАН А. С. Совлуков

Е51
Елизаров, Андрей Альбертович.
Микроволновые частотно-селективные устройства на резонансных 
отрезках электродинамических замедляющих систем и структурах с метаматериалами / А. А. Елизаров, А. С. Кухаренко ; Нац. исслед. ун-т «Высшая 
школа экономики». — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 330 с. — Москва : Изд. 
дом Высшей школы экономики, 2020. — (Монографии ВШЭ. Технические 
науки). — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 
4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-7598-1407-8

Монография посвящена исследованию физических и конструктивно-технологических особенностей резонансных отрезков электродинамических замедляющих систем и структур с метаматериалами для создания на их основе многофункциональных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих миниатюризацию и улучшение электрических параметров и характеристик микроволновых 
частотно-селективных устройств. Предложенные и разработанные конструкции 
перспективны для применения в составе современных средств телекоммуникаций и связи.
Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников в 
области электродинамики, техники и приборов микроволнового диапазона, 
антенно-фидерных устройств. Также может быть полезна для аспирантов и студентов физических и радиотехнических направлений университетов и вузов.

УДК 537.8:621.372.86 
ББК 32.844.1

Электронное издание на основе печатного издания: Микроволновые частотно-селективные устройства на резонансных отрезках электродинамических замедляющих 
систем и структурах с метаматериалами / А. А. Елизаров, А. С. Кухаренко ; Нац. 
исслед. ун-т «Высшая школа экономики». — Москва : Изд. дом Высшей школы 
экономики, 2019. — 328 с. — (Монографии ВШЭ. Технические науки). — 
ISBN978-5-7598-1796-3. — Текст : непосредственный.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных 
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от 
нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-7598-1407-8
© А. А. Елизаров, 2019
© А. С. Кухаренко, 2019

В оформлении обложки использована фотография лаборатории
NASA Glenn Research <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:
Split-ring_resonator_array_10K_sq_nm.jpg>

Оглавление

Введение ....................................................................................... 10

Глава 1. Современное состояние и тенденции развития 
микроволновых частотно-селективных устройств 
на резонансных отрезках замедляющих систем 
и структурах с метаматериалами .................................... 18

1.1. Микроволновые частотно-селективные 
устройства (МЧСУ): современное состояние 
и тенденции развития ................................................... 18
1.2. Частотные характеристики и проблема 
миниатюризации МЧСУ ............................................... 23
1.3. Физические и конструктивно-технологические 
особенности МЧСУ ....................................................... 24
1.4. Применение микрополосковых структур 
и метаматериалов для конструирования 
частотно-селективных поверхностей ........................... 46
1.5. Двумерные и трехмерные структуры 
метаматериалов ............................................................. 51
1.6. Области применения метаматериалов 
в современной микроволновой технике 
и устройствах телекоммуникаций ................................ 56
1.7. Тенденции и основные пути развития 
метаматериалов и частотно-селективных 
структур на их основе .................................................... 67
1.8. Анализ методов расчета, проектирования 
и моделирования МЧСУ и метаматериалов ................. 69

Оглавление

Глава 2. Приближенно-аналитические методы 
проектирования и моделирования МЧСУ 
на резонансных отрезках замедляющих систем 
и структурах с метаматериалами .................................... 77

2.1. Метод эквивалентных длинных линий 
и его применение для расчета 
и анализа МЧСУ и структур 
с метаматериалами ........................................................ 78

2.2. Приближенно-аналитические модели 
МЧСУ на резонансных отрезках 
замедляющих систем и структурах 
с метаматериалами ........................................................ 94

Глава 3. Численные методы проектирования 
и моделирования МЧСУ на резонансных отрезках 
замедляющих систем и структурах 
с метаматериалами ....................................................... 120

3.1. Краткий обзор программных средств 
для электромагнитного моделирования ..................... 120

3.2. Метод моментов и его применение 
для моделирования МЧСУ на основе 
программных средств 
AWR Design Environment ..............................................121

3.3. Метод конечных элементов 
и его применение 
для моделирования МЧСУ ......................................... 137

3.4. Пример моделирования фильтра 
низких частот на штыревой гребенке 
с ломаной планкой ...................................................... 140

3.5. Расчет и моделирование 
полосно-запирающего фильтра 
на основе грибовидного метаматериала ..................... 144

Оглавление

Глава 4. Методика определения эффективных значений 
диэлектрической и магнитной проницаемостей 
структур с метаматериалами......................................... 152

4.1. Определение эффективных значений 
диэлектрической и магнитной проницаемостей 
структур при помощи комплексных 
коэффициентов передачи и отражения ...................... 153
4.2. Конструкции оснасток 
для осуществления измерений 
комплексных коэффициентов 
передачи и отражения метаматериала ........................ 155
4.3. Конструкция измерительного стенда 
и его калибровка .......................................................... 162
4.4. Практическое измерение параметров 
метаматериала ............................................................. 164

Глава 5. Модели многослойных печатных плат 
и оценка их параметров для реализации МЧСУ 
на резонансных отрезках замедляющих систем 
и структурах с метаматериалами ...................................169

5.1. Модель модифицированной 
печатной платы 
с подвешенной подложкой ......................................... 169
5.2. Структура частотно-селективных 
поверхностей на основе 
грибовидных метаматериалов ..................................... 178
5.3. Проектирование конструкции и топологии 
многослойных печатных плат ..................................... 181
5.4. Пример моделирования межслойного 
перехода на основе копланарной линии .................... 188
5.5. Пример многослойной печатной платы 
перестраиваемой метаповерхности ............................ 191

Оглавление

Глава 6. Компьютерное моделирование и экспериментальное 
исследование конструкций МЧСУ на резонансных 
отрезках замедляющих систем и структурах 
с метаматериалами ....................................................... 194

6.1. Исследование микрополоскового 
трансформатора-фильтра низких частот 
на штыревой замедляющей системе ........................... 194

6.2. Исследование микрополосковой 
фидерной линии с аномальной дисперсией .............. 201

6.3. Исследование микрополосковых фильтров 
на отрезках периодических 
металлодиэлектрических структур ............................. 206
6.4. Методы расширения рабочей полосы 
метаматериалов ........................................................... 217
6.5. Метод реализации метаматериала 
с возможностью электронной перестройки 
рабочей полосы частот ................................................ 222
6.6. Влияние поверхностного импеданса 
метаматериала на характеристики 
микрополосковых антенн ........................................... 229

Глава 7. Применение резонансных отрезков 
замедляющих систем и структур с метаматериалами 
в конструкциях микроволновых устройств 
и средствах телекоммуникаций ..................................... 249

7.1. Микрополосковая антенна на круговой 
меандр-линии для радиочастотной 
идентификации ........................................................... 249

7.2. Мультипольная антенна 
для радиочастотной идентификации ......................... 263

7.3. Пространственный фильтр для обеспечения 
развязки элементов антенной решетки ...................... 270

Оглавление

7.4. Экран отсечки многолучевого сигнала 
на основе метаматериала ............................................. 274
7.5. Прямоугольный волновод с магнитной 
стенкой на основе грибовидного метаматериала ....... 279
7.6. Волноводная нагрузка с торцевой стенкой 
из грибовидного метаматериала ................................. 290
7.7. Чувствительный элемент на основе 
грибовидного метаматериала ...................................... 295

Заключение ................................................................................ 300

Библиография ............................................................................ 304

Введение

В современных радиотехнических системах связи и телекоммуникаций, радиолокации и мониторинга широко используются 
час тотно-селективные (частотно-избирательные) устройства, 
представляющие собой фильтрующие структуры для различных 
частотных областей микроволнового диапазона.
В большинстве случаев практического применения такие 
микроволновые фильтрующие элементы, узлы и модули выполняются на основе линий передачи с распределенными параметрами — волноводных, коаксиальных, микрополосковых и др., 
а также в виде комбинированных и гибридных устройств с распределенными и сосредоточенными элементами [1, 2]. Среди 
них особо следует выделить частотные фильтры, выполненные 
на основе диэлектрических резонаторов [3], резонансных отрезков периодических и нерегулярных замедляющих систем (ЗС) 
[4, 5], а также структур с метаматериалами [6, 7]. Интерес к таким 
электродинамическим структурам закономерен, поскольку их 
применение, благодаря резонансным явлениям в диэлектриках с 
большой диэлектрической проницаемостью и эффекту замедления электромагнитных волн, позволяет создавать новые микроволновые частотно-селективные устройства (МЧСУ) с габаритными размерами, значительно меньшими рабочих длин волн, 
обладающие улучшенными электрическими характеристиками 
и низкой стоимостью [8].
Проблема создания миниатюрных микроволновых устройств 
остро встала во второй половине прошлого века. Она была частично решена благодаря созданию гибридных и объемных интегральных схем СВЧ [9], включающих различные устройства 

Введение

и их элементы, такие как смесители, гетеродины, усилители, генераторы, переключающие устройства и т.п. Однако в сравнении 
с активными твердотельными элементами МЧСУ СВЧ наиболее 
трудно поддаются миниатюризации даже в случае планарных 
схем СВЧ — вследствие достаточно высоких потерь на излучение 
и существенных трудностей при согласовании устройств по волновому сопротивлению [10]. Использование же сосредоточенных 
элементов и комбинированных схем с распределенными и сосредоточенными элементами весьма ограниченно из-за низкой 
добротности последних.
В современной микроволновой технике наиболее широко используются миниатюрные МЧСУ трех основных типов: на базе 
микрополосковых фильтров (МПФ), на диэлектрических резонаторах (ДР) и на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) [11]. 
Заметное улучшение параметров МЧСУ можно получить, используя в их конструкциях проводники в виде микрополосковых спиральных, меандровых, штыревых, лестничных и других 
периодических и нерегулярных ЗС, структур с метаматериалами, 
а также керамические подложки с высокими значениями диэлектрической и (или) магнитной проницаемостей. Габаритные размеры таких устройств могут быть уменьшены практически прямо пропорционально величине коэффициента замедления без 
заметного ухудшения их добротности. Еще более значительного 
улучшения характеристик подобных устройств можно достичь 
при криогенных температурах с использованием явления высокотемпературной сверхпроводимости [12, 13].
В настоящее время исследованиями, разработками и изготовлением микроволновых частотно-селективных устройств занимается большое количество зарубежных компаний, среди которых следует выделить BSC Filters (UK), Spectrum Elektrotechnik 
GmbH (Germany), Frontlynk (China), Pulsar Microwave Corporation (USA), Fairview Microwave Inc. (USA), Universal Microwave 
Com po nents Corporation (USA), Metamaterials Technologies Inc. 
(USA) и др. Из наиболее интересных отечественных исследо

Введение

вателей и производителей следует отметить группу российских 
предприятий АО «Концерн ВКО “Алмаз-Антей”», ОАО «Объединенная ракетно-космическая корпорация», АО НПП «Исток» 
им. А.И. Шокина, НПП «Пульсар», АО ЦНИРТИ им. А.И. Берга, ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи» (РНИИРС), 
ОАО «НПО ЛЭМЗ», ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Институт 
теоретической и прикладной электродинамики РАН, СПбГЭТУ 
ЛЭТИ, СПбГУ ИТМО, ФГУП «ОКБ МЭИ», СГТУ им. Ю.А. Гагарина и др.
В настоящей монографии проведено исследование физических и конструктивно-технологических особенностей резонансных отрезков электродинамических замедляющих систем и 
структур с метаматериалами для создания на их основе многофункциональных элементов, узлов и модулей, обеспечивающих 
миниатюризацию и улучшение электрических параметров и характеристик микроволновых частотно-селективных устройств, 
перспективных для применения в составе современных средств 
телекоммуникаций и связи.
Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в монографии, были выполнены в течение последних 
20 лет на кафедре лазерных и микроволновых информационных 
систем Московского института электроники и математики, входящего в настоящее время в состав Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», а также на 
кафедре электроники Московского технического университета 
связи и информатики.
Монография состоит из семи глав.
В первой главе проведен обзор состояния и тенденций развития современных МЧСУ. Рассмотрены их физические и конструк тивно-технологические особенности, проанализированы 
частотные характеристики и возможность их миниатюризации, 
обозначены тенденции дальнейшего развития.
На основе выполненного обзора показано, что перспективным 
направлением является разработка комбинированных и гибрид

Введение

ных частотно-селективных устройств микроволнового диапазона 
на резонансных отрезках периодических и нерегулярных замедляющих систем и структур с метаматериалами. Такие устройства 
могут обладать габаритными размерами, значительно меньшими 
рабочих длин волн, улучшенными электрическими характеристиками и низкой стоимостью.
Проанализированы существующие методы расчета, проектирования и компьютерного моделирования, которые могут быть 
использованы для определения основных параметров и характеристик МЧСУ на резонансных отрезках электродинамических 
замедляющих систем и структур с метаматериалами. Подчеркнута эффективность использования приближенно-аналити ческих моделей и методов, позволяющих обеспечить необходимую 
точность расчетов при снижении требований к быстродействию 
и оперативной памяти компьютера.
Во второй главе проанализирована возможность применения 
приближенно-аналитических моделей и методов для расчета и 
проектирования МЧСУ на резонансных отрезках электродинамических замедляющих систем и структур с метаматериалами. 
В частности, рассмотрен метод эквивалентных длинных линий, 
основанный на замене электродинамической структуры трехпроводной эквивалентной линией, позволяющий относительно 
просто учитывать влияние параметров сред и геометрических 
размеров проводников на величину коэффициента замедления 
раздельно в каждой из областей, прилегающих к импедансному 
проводнику.
На примерах обобщенных моделей МЧСУ предложены прибли женно-аналитические соотношения, модифицирующие метод эквивалентных длинных линий с учетом дисперсионных 
свойств электродинамических структур. Обоснована возможность миниатюризации и перспективности использования таких 
моделей для МЧСУ на резонансных отрезках электродинамических замедляющих систем и структур с метаматериалами.

Введение

В третьей главе дан краткий обзор современных программных 
средств электромагнитного моделирования электродинамических структур. Показано, что для компьютерного анализа МЧСУ 
планарного типа наиболее эффективно использование программного пакета AWR Design Environment (Microwave Offi  ce), относящегося к 2,5D-моделирующим программам и реализованного на 
основе метода моментов. Отмечено, что метод моментов, в отличие от методов конечных разностей и конечных элементов, на 
которых базируются некоторые программы 3D-моде ли ро ва ния, 
требует гораздо меньше машинного времени, что существенно 
ускоряет процессы расчета и моделирования с целью уточнения 
параметров проектируемых устройств.
Приведены примеры компьютерного моделирования и его 
сравнения с результатами аналитического расчета и физического 
эксперимента для фильтра низких частот на штыревой гребенке с 
ломаной планкой, а также для полосно-запирающего фильтра на 
основе грибовидного метаматериала.
В четвертой главе предложена методика определения действующих значений относительных диэлектрической и магнитной 
проницаемостей метаматериалов при помощи измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения этих структур.
Предложены конструкции оснасток, позволяющие осуществлять такие измерения при воздействии электромагнитных волн 
с различной поляризацией, а также методика калибровки и конструкция измерительного стенда, которые сводят к минимуму 
погрешности измерений, обусловленные влиянием измерительных оснасток.
Приведен пример практического использования методики, 
в ходе которого подтверждено хорошее совпадение результатов 
моделирования и экспериментальных измерений.
В пятой главе представлены модели многослойных печатных 
плат и дана оценка их параметров для реализации МЧСУ на резонансных отрезках электродинамических замедляющих систем 
и структур с метаматериалами.

Введение

Предложена модель модифицированной печатной платы с 
подвешенной подложкой, даны рекомендации по выбору структуры, по проектированию топологии и конструкции многослойных печатных плат для создания частотно-селективных поверхностей на основе грибовидных метаматериалов.
Приведены примеры моделирования межслойного перехода 
на основе копланарной линии и многослойной печатной платы 
перестраиваемой метаповерхности.
В шестой главе приведены результаты компьютерного моделирования и экспериментального исследования конструкций 
МЧСУ на резонансных отрезках замедляющих систем и структур 
с метаматериалами.
В частности, представлены результаты исследований микрополоскового трансформатора — фильтра низких частот на штыревой замедляющей системе, микрополосковой фидерной линии 
с аномальной дисперсией, микрополосковых фильтров на отрезках периодических металлодиэлектрических структур.
Предложены методы расширения рабочей полосы электродинамических структур с метаматериалами. Приведен анализ конструкций грибовидных метаматериалов с расширенной полосой 
рабочих частот и результаты численного моделирования их параметров.
Также предложен метод реализации фильтрующей структуры 
на основе грибовидного метаматериала с возможностью электронной перестройки рабочей полосы частот. Представлены результаты численного моделирования и экспериментального исследования ее параметров.
Дана оценка влияния поверхностного импеданса структуры 
из метаматериала на характеристики микрополосковых антенн. 
Представлены результаты экспериментальных исследований зависимости параметров антенного элемента от положения полосы запирания метаматериала, а также определения параметров 
антенного элемента, установленного на перестраиваемую частотно-селективную поверхность.