Застосування провідникових метаструктур у радіотехнічних засобах для передавання та випромінювання ЕМ хвиль (огляд)

Abstract

Здійснено огляд основних можливих застосувань провідникових метаструктур у різних радіотехнічних пристроях. Такі структури мають унікальні та неприродні властивості, зокрема від’ємне значення діелектричної проникності. Розглянуто три різновиди провідникових метаматеріалів, а саме структури з паралельних провідників (суперлінза); провідників, що розходяться (гіперлінза), та з випадковим розміщенням провідників (щітка). Сучасний технологічних процес демонструє низку підходів та методів (від звичайного механічного упорядкування до хімічного синтезу) для реалізації розглядуваних метаструктур різної форми з подальшим їх використанням у діапазоні частот від радіохвиль до оптичного і вище. Суперлінза може використовуватись як у вузькому так і у широкому діапазоні частот для передавання енергії ЕМ хвиль, включаючи пристрої фотовольтаїки, передавання зображень, ендоскопії, спектроскопії та ін. Широкосмуговий ефект був нещодавно показаний у [9] шляхом дослідження передавання енергії ЕМ хвиль між двома хвилеводами через структуру з паралельних провідників, що стало першим експериментальним підтвердженням висунутої у [12] аналітичної гіпотези. Це стало початком для розвитку широкосмугових ендоскопів на основі структур з паралельних провідників у [15], що вперше показали природу мінімумів та максимумів дисперсії функції передавання, викликаних не резонансами Фабрі–Перо, а появою вихрових мод, а також показали надійність роботи ендоскопа у разі значних кутів згину. Провідникові метаматеріали, такі як гіперлінза та щітка, можуть знайти своє застосування у антенних системах, що функціонують у широкому діапазоні частот. Порівняння їх дисперсій фактора Парсела показують різні результати через те, що гіперлінза, незважаючи на можливість випромінювати на міжрезонансних частотах, в цілому все ще залишається резонансною структурою. Натомість, структура з випадковим розміщенням провідників характеризується неперервним та гладким спектром фактора Парсела. Це стає можливим через те, що форма структури може розглядатися як набір надзвичайно великої кількості локальних гіперлінз різних параметрів, які перевипромінюють та підсилюють ЕМ поле інших локальних гіперлінз і так далі. Як результат, така метаструктура може покривати широку смугу робочих частот (від 1 до 5 ГГц [18]).

In the presented paper the review of the major possible applications of a wire medium in different radio engineering field is performed. The structures possess the unique properties such as a negative value of permittivity. Three types of wire media shapes are considered which include structures with parallel (superlens), tapered (hyperlens) and irregular (brush) metallic wires allocations. Modern progress allows a number of approaches (from usual mechanic arrangement to chemical synthesis) to realize wire media of different shape for their utilizing in frequency range from microwave to optics and higher. Superlens can be applied to narrow and broadband energy transfer of electromagnetic waves including photovoltaic devices, imaging, endoscopy, spectroscopy and many others. The broadband effect was shown recently in [9] by the investigation of EM power transfer between two waveguides through a wire media slab that became the first experimental evidence of analytical hypothesis of [12]. It was a beginning point to develop of wire media endoscopes in [15] which shown the nature of non-Fabri-Perot minima and maxima of dispersion function as the vortex modes as well as reliability of endoscope operation under the huge bend. The wire media such as hyperlens and irregular one can find applications in antennas development that operate in the wide frequency range. Comparison of Parcell factor dispersions of these two kinds of metamaterials shows different results due to hyperlens, despite the possibility to radiate at interresonant frequencies, stays resonant structure in general. Instead, a wire medium brush is characterized by the continuing Parcell factor spectrum. It is possible in consequence of the structure shape that can be considered as a set of a huge number of local hyperlenses with different parameters that reradiate and amplify EM field of another local hyperlenses and so on. As the result a wide frequency range can be covered (from 1 up to 5 GHz in [18]).

Проведен обзор основных возможных применений проводящих метаструктур в различных радиотехнических устройствах. Такие структуры обладают уникальным свойством, а именно отрицательным значением диэлек-трической проницаемости. Рассмотрены три разновидности проводниковых метаматериалов, а именно структуры из параллельных проводников (суперлинза), расходящихся проводников (гиперлинзы), и проводников со случайным размещением (щетка). Современный технологических процесс демонстрирует ряд подходов и методов (от обычного механического упорядочения к химическому синтезу) для реализации рассматриваемых метаструктуры различной формы с последующим их использованием в диапазоне частот от радиоволн до оптического и выше. Суперлинза может использоваться как в узком так и в широком диапазоне частот для передачи энергии ЭМ волн, включая устройства фотовольтаики, передачи изображений, эндоскопии, спектро-скопии и др. Широкополосный эффект описан в [9]. Исследована передача энергии ЭМ волн между двумя волново-дами через структуру из параллельных проводников, это стало первым экспериментальным подтверждением выдвинутой в [12] аналитической гипотезы. Положено начало развитию широкополосных эндоскопов на основе структур из параллельных проводников в [15], впервые показана природа минимумов и максимумов дисперсии потерь, которая не относится к резонансам Фабри–Перо, а является последствием возникновения вихревых мод, а также продемонстрировала надежную работу эндоскопа при значительных изгибах. Проводниковые ме-таматериалы, такие как гиперлинзы и щетка, могут найти свое применение в антенных системах, функциони-рующих в широком диапазоне частот. Сравнение их дисперсий фактора Парсела показывают разные результа-ты из-за того, что гиперлинзы, несмотря на возможность излучения на межрезонансных частотах, в целом все еще остается резонансной структурой. Зато структура со случайным размещением проводников характеризу-ется непрерывным и гладким спектром фактора Парсела. Это стало возможным потому, что форма структу-ры может рассматриваться как набор чрезвычайно большого количества локальных гиперлинз различных пара-метров, которые переизлучают и усиливают ЭМ поле других локальных гиперлинз и так далее. Как результат, такая метаструктура может покрывать широкую полосу рабочих частот (от 1 до 5 ГГц [18]).