Метаматериалы в антенных системах радиосвязи отрицательная проницаемость, граница Чу и инженерная миниатюризация

Физика любит парадоксы. Есть материал, в котором волны распространяются в обратном направлении, а линза делает то, чего обычная сделать не способна. Именно так ведут себя метаматериалы с отрицательным показателем преломления, и именно это свойство перевернуло подход к проектированию антенн. Называть это просто новым инструментом значит сильно преуменьшить. Метаматериалы вскрыли ограничения, которые раньше считались непреодолимыми физическими барьерами.

Что такое метаматериал и почему его свойства недостижимы в природе

Слово "мета" пришло из греческого и означает "за пределами". Метаматериал представляет собой не вещество в привычном смысле, а искусственно сконструированную среду, чьи электромагнитные свойства определяются не химическим составом, а геометрией структуры. Тончайшие медные кольца с разрезом, проволочные решётки, спиральные элементы, расставленные с точно рассчитанным шагом в пространстве, это и есть так называемые метаатомы. Каждый из них значительно меньше длины рабочей волны, поэтому электромагнитное излучение воспринимает структуру как однородную среду с некими усреднёнными параметрами. Эти параметры инженер задаёт сам, выбирая форму, размер и расположение элементов.

Ключевые величины, которыми оперируют при описании метаматериалов, это диэлектрическая проницаемость ε и магнитная проницаемость μ. В обычных природных материалах обе они положительны. В метаматериалах обе или одна из них могут быть отрицательными в определённом диапазоне частот. Материал с одновременно отрицательными ε и μ называют левосторонним, или LHM (Left-Handed Material). В нём вектора электрического поля, магнитного поля и волнового вектора образуют левую тройку вместо правой, откуда и название. Именно такие среды демонстрируют отрицательный показатель преломления и обратное направление фазовой скорости волны.

Первым экспериментально подтвердил существование таких структур коллектив исследователей под руководством Дэвида Смита в Калифорнийском университете Сан-Диего в 2001 году. С того момента область развивается стремительно, а антенные технологии оказались одними из первых, кто извлёк из этого практическую пользу.

Как отрицательный показатель преломления меняет поведение антенны

Обычная антенна работает по принципам, которые Максвелл сформулировал ещё в девятнадцатом веке. Размер антенны связан с длиной волны, и уменьшить её ниже определённого предела без катастрофической потери КПД считалось невозможным. Граница Чу, сформулированная в 1948 году, задаёт минимально достижимую добротность для антенны заданного размера. Долгие годы эта граница воспринималась как непреодолимый физический закон.

Метаматериалы предлагают обходной путь. Если заключить малую антенну в оболочку из метаматериала с подобранными параметрами ε и μ, резонансные свойства системы меняются радикально. Оболочка компенсирует реактивную составляющую входного импеданса, которая в маленькой антенне обычно преобладает над активной. В результате антенна резонирует на частоте, которая без метаматериального покрытия была бы для неё недостижима при данных физических размерах. Это называется загрузкой антенны метаматериалом, и именно здесь начинается практическая миниатюризация.

Эффект наглядно проявляется в патч-антеннах, широко применяемых в мобильных терминалах и бортовой аппаратуре. Стандартная прямоугольная патч-антенна на рабочей частоте 2,4 ГГц имеет размер около 30 мм по длинной стороне. Варианты с метаматериальным подложным слоем, выполненным на основе периодических включений типа SRR (Split Ring Resonator), позволяют сократить этот размер на 40-60 процентов при сохранении приемлемого коэффициента усиления и ширины полосы.

Составные резонаторы SRR и линии передачи CRLH как строительные блоки антенных метаструктур

Среди конкретных структур, применяемых в антенной технике, разрезное кольцо SRR заслуживает отдельного разбора. Это два концентрических металлических кольца с разрезами, повёрнутыми в противоположные стороны. При воздействии переменного магнитного поля в зазорах колец возникают токи, эквивалентные LC-контуру. Вблизи резонансной частоты структура демонстрирует отрицательную магнитную проницаемость. Комбинируя SRR с тонкими проводниками, которые дают отрицательную диэлектрическую проницаемость, получают полноценный левосторонний метаматериал.

Другой подход реализован в так называемых линиях передачи с составной правосторонне-левосторонней структурой, CRLH (Composite Right/Left-Handed). Обычная линия передачи обладает правосторонними свойствами. Если включить в неё последовательные конденсаторы и параллельные индуктивности, она приобретает левосторонние свойства в определённом диапазоне частот. Комбинированная CRLH-линия поддерживает распространение волн как с положительной, так и с отрицательной групповой скоростью, и это открывает совершенно необычные режимы работы антенн.

Антенны на основе CRLH-линий способны сканировать луч в пространстве от кормового до бокового и далее до носового направления при изменении частоты, тогда как обычная антенная решётка с аналогичной функцией требует фазовращателей в каждом канале. Упрощение схемотехники при сохранении функциональности хорошо знакомо любому, кто занимался разработкой радиосистем.

Метаповерхности как плоская версия метаматериала и их роль в формировании диаграммы направленности

Объёмные метаматериалы технологически сложны в изготовлении и плохо вписываются в плоские конструктивы современных устройств. Ответом стали метаповерхности, двумерные аналоги метаматериалов. Это тонкие листы с периодическим рисунком проводящих элементов субволнового масштаба, нанесённых фотолитографией или другими методами печатной электроники.

Метаповерхность управляет фазой, амплитудой и поляризацией отражённой или прошедшей волны с точностью, недостижимой для обычных отражателей. Если разбить поверхность на ячейки и задать каждой ячейке свою фазу отклика, получится голографическая антенна, формирующая сложную диаграмму направленности без единого фазовращателя в традиционном понимании. Такие структуры называются рекофигурируемыми интеллектуальными поверхностями, RIS (Reconfigurable Intelligent Surface), и входят в архитектуру перспективных радиосистем следующего поколения.

В системах миллиметрового диапазона, работающих на частотах от 24 до 100 ГГц, метаповерхности позволяют сформировать узкий карандашный луч в нужном направлении и перенаправить его за десятки микросекунд без механического поворота антенны. Для базовых станций, работающих в плотной городской застройке с постоянно меняющейся радиообстановкой, это качество принципиально важно.

Практические результаты и задачи, которые ещё предстоит решить

Сегодня метаматериальные подходы реализованы в нескольких классах серийных и экспериментальных антенн. В носимых устройствах метаматериальные подложки позволяют размещать антенны на металлических корпусах без потери эффективности. Обычно металл вблизи антенны действует как экран и убивает излучение, но слой с отрицательной магнитной проницаемостью превращает металлическую поверхность в высокоимпедансный экран, который, напротив, усиливает излучение в полезном направлении.

Перечислим задачи, которые метаматериалы решают в современных антенных системах:

• Миниатюризация антенн при сохранении полосы пропускания и КПД
• Подавление боковых лепестков в фазированных решётках без увеличения числа элементов
• Формирование многолучевых диаграмм направленности в одной апертуре
• Изоляция между соседними элементами в MIMO-антеннах мобильных терминалов
• Широкополосное согласование импедансов в логопериодических и спиральных структурах

При всём этом у технологии есть незакрытые вопросы. Узкополосность многих метаматериальных структур остаётся серьёзным ограничением: отрицательные параметры ε и μ существуют лишь вблизи резонанса, а значит полоса пропускания сужается. Потери в металлических элементах растут с частотой. Производство трёхмерных метаструктур в диапазоне миллиметровых волн требует субмикронной точности, что удорожает продукт.

Исследователи работают над широкополосными конфигурациями, нелинейными и активными метаматериалами, где потери компенсируются усилением, а также над масштабированием технологии в терагерцовый диапазон. Метаматериалы в антеннах для радиосистем перестали быть лабораторной экзотикой. Они вошли в проектную документацию, в патентные заявки и в технические требования на новые системы связи. А это и есть главный признак того, что технология повзрослела.