RU2816965C1

RU2816965C1 - Electrically small antenna based on metamaterial with high effective indicator of permittivity

Info

Publication number: RU2816965C1
Application number: RU2023132246A
Authority: RU
Inventors: Михаил Юрьевич Ларионов; Александр Сергеевич Соболев
Filing date: 2023-12-07
Publication date: 2024-04-08

Abstract

FIELD: radio electronics.

SUBSTANCE: invention relates to radio electronics, namely to electrically small antennas, in particular, operating in the ultrahigh frequency range (300 MHz — 300 GHz). Electrically small antenna includes first flat metal layer 2 and periodic system of conducting elements 3 on dielectric substrate 1. There is second metal layer 4 parallel to the first one. Periodic system of conducting elements 3 is arranged in substrate 1 and is formed by an array of periodically arranged metal cylinders 5 oriented perpendicular to said metal layers 2, 4. One end face 51 of each cylinder 5 has electrical contact only with first metal layer 2. Second end face 52 of each cylinder 5 is installed with gap 6 relative to second metal layer 4. Value d of gap 6 is selected from the condition of providing the specified effective value of permittivity.

EFFECT: invention is aimed at solving the problem of simplifying the implementation and achieving reproducibility of a high effective value of permittivity, which significantly reduces the effect of the environment on the operation of the antenna.

5 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к электрически малым антеннам, в частности, работающим в диапазоне сверхвысоких частот (300 МГц - 300 ГГц).The invention relates to radio electronics, namely to electrically small antennas, in particular, operating in the ultrahigh frequency range (300 MHz - 300 GHz).

При разработке различных радиотехнических систем все чаще требуются новые принципы построения функциональных устройств, минимизация их массогабаритных параметров одновременно с обеспечением широкополосности, надежности. Для решения некоторых подобных задач в антенной технике используют метаматериалы (см., например, Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты// Первая миля. Last Mile (Приложение к журналу “Электроника: Наука, Технология, Бизнес”). - 2010. - № 3 - 4. - С. 44 - 60).When developing various radio systems, new principles for constructing functional devices are increasingly required, minimizing their weight and size parameters while ensuring broadband and reliability. To solve some similar problems in antenna technology, metamaterials are used (see, for example, Metamaterials in antenna technology: basic principles and results // First Mile. Last Mile (Supplement to the journal “Electronics: Science, Technology, Business”). - 2010. - No. 3 - 4. - P. 44 - 60).

В том случае, если размеры антенны заметно меньше длины волны, то сопротивление излучению существенно падает, и, соответственно, падает ее коэффициент полезного действия (КПД). Тем не менее, для ряда задач, таких как средства мобильной телекоммуникации, радиочастотные метки, устройства из категории «интернета вещей», необходимо уменьшение геометрических размеров антенны с соблюдением разумного компромисса между электрически малыми размерами и приемлемым КПД. Для уменьшения размеров антенн часто используются дорогостоящие материалы с высоким значением диэлектрической проницаемости (ДП), значение которой при массовом производстве может сильно варьироваться и приводить к ухудшению согласования.If the dimensions of the antenna are noticeably smaller than the wavelength, then the radiation resistance drops significantly, and, accordingly, its efficiency drops. However, for a number of tasks, such as mobile telecommunications, radio frequency tags, and Internet of Things devices, it is necessary to reduce the geometric dimensions of the antenna while maintaining a reasonable compromise between electrically small dimensions and acceptable efficiency. To reduce the size of antennas, expensive materials with a high dielectric constant (DP) are often used, the value of which during mass production can vary greatly and lead to poor matching.

Известен многослойный метаматериал с высоким эффективным значением диэлектрической проницаемости, который представляет собой массив слоев (CN 102744923 B, 24.12.2014). Каждый слой обеспечивает некоторый сдвиг значения диэлектрической проницаемости, тем самым возможно моделировать разные эффективные значения диэлектрической проницаемости, варьируя количество, а также изменяя топологию слоев.A multilayer metamaterial with a high effective dielectric constant is known, which is an array of layers (CN 102744923 B, 12/24/2014). Each layer provides a certain shift in the dielectric constant value, thereby making it possible to simulate different effective dielectric constant values by varying the number, as well as changing the topology of the layers.

Известен также метаматериал, который представляет собой электропроводящую сетку, образованную резонансными структурами, также служит для уменьшения геометрических размеров антенн (RU 2488926 С1, 27.07.2013). Примечательно, что такой метаматериал обладает отрицательным эффективным значением диэлектрической проницаемости. Известны методы одновременного увеличения апертуры и уменьшения размеров антенн с помощью метаматериалов (WO/2013/060115 А1,A metamaterial is also known, which is an electrically conductive mesh formed by resonant structures, which also serves to reduce the geometric dimensions of antennas (RU 2488926 C1, 07/27/2013 ) . It is noteworthy that such a metamaterial has a negative effective dielectric constant. There are known methods for simultaneously increasing the aperture and reducing the size of antennas using metamaterials (WO/2013/060115 A1,

02.05.2013). Другим альтернативным примером метаматериала для миниатюризации антенн является структура, представляющая собой высокоимпедансную поверхность (US 9583818 B2, 28.02.2017; RU 2571385, кл. H01P 1/20, 20.12.2015). Особенность такой поверхности заключается в том, что при расположении вблизи него вибратора, в поверхности индуцируется ток той же фазы, что усиливает излучение основного вибратора. В случае же с обычной металлической поверхностью индуцируемый ток был бы противофазным, что ослабляет излучение основного вибратора. Еще одним преимуществом рассматриваемого типа метаматериала является тот факт, что поверхностный ток не затекает на обратную сторону диэлектрической подложки, в которой выполнен метаматериал, что полностью уничтожает обратное излучение, что усиливает эффективность работы излучателя.05/02/2013). Another alternative example of a metamaterial for antenna miniaturization is a structure that is a high-impedance surface (US 9583818 B2, 02/28/2017; RU 2571385, class H01P 1/20, 12/20/2015). The peculiarity of such a surface is that when a vibrator is located near it, a current of the same phase is induced in the surface, which enhances the radiation of the main vibrator. In the case of an ordinary metal surface, the induced current would be out of phase, which weakens the radiation of the main vibrator. Another advantage of the type of metamaterial under consideration is the fact that the surface current does not flow to the back side of the dielectric substrate in which the metamaterial is made, which completely destroys the back radiation, which increases the efficiency of the emitter.

Другим методом уменьшения размеров антенны является интеграция излучающего элемента и метаматериала (US 10177594, 28.10.2015).Another method for reducing antenna size is the integration of a radiating element and a metamaterial (US 10177594, 10/28/2015).

Антенна внедрена в однослойный метаматериал, представляющий собой массив металлических окружностей. Такой метаматериал также приводит к узконаправленной диаграмме направленности антенны.The antenna is embedded in a single-layer metamaterial, which is an array of metal circles. This metamaterial also results in a highly directional antenna pattern.

Проблему уменьшения размеров антенных систем также решают с помощью комплексных видов метаматериалов, в которых к антенным системам применяют совокупность двух типов метаматериалов: левостороннего и правостороннего (US 7847739 B2, 07.12.2010). В таких случаях подложки метаматериалов состоят из двух блоков, каждый из которых представляет свой конкретный массив проводящих элементов.The problem of reducing the size of antenna systems is also solved with the help of complex types of metamaterials, in which a combination of two types of metamaterials are applied to antenna systems: left-handed and right-handed (US 7847739 B2, 12/07/2010). In such cases, metamaterial substrates consist of two blocks, each of which represents its own specific array of conductive elements.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является излучающая антенна, образованная в метаматериале (Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты. // Первая миля. Last Mile (Приложение к журналу “Электроника: Наука, Технология, Бизнес”). - 2010. - № 3-4. - С. 56, рис.30). Антенна встроена в метаматериал, состоящий из размещенного на подложке массива параллельных проводников, расположенных параллельно проводящему экрану.The closest technical solution to the proposed one is a radiating antenna formed in a metamaterial (Metamaterials in antenna technology: basic principles and results. // First Mile. Last Mile (Supplement to the journal “Electronics: Science, Technology, Business”). - 2010. - No. 3-4. - P. 56, Fig. 30). The antenna is built into a metamaterial consisting of an array of parallel conductors placed on a substrate, located parallel to a conducting screen.

Недостаток такой антенны состоит в сложности реализации и недостаточной технологичности, поскольку конструкция метаматериала не может быть реализована с помощью доступных методов изготовления печатных плат. Также отличием такой антенны является потенциальное уменьшение размеров антенны в силу сужения диаграммы направленности, тогда как в предлагаемой антенне уменьшение геометрических размеров антенны достигается с помощью заданного значения диэлектрической проницаемости метаматериала, являющегося подложкой.The disadvantage of such an antenna is the complexity of implementation and insufficient manufacturability, since the metamaterial design cannot be realized using available printed circuit board manufacturing methods. Also different from such an antenna is the potential reduction in the size of the antenna due to a narrowing of the radiation pattern, whereas in the proposed antenna the reduction in the geometric dimensions of the antenna is achieved using a given value of the dielectric constant of the metamaterial, which is the substrate.

Настоящее изобретение направлено на решение проблемы упрощения реализации и достижения воспроизводимости высокого эффективного значения диэлектрической проницаемости, значительно снижающего влияние окружающей среды на работу антенны, что является техническим результатом изобретения.The present invention is aimed at solving the problem of simplifying implementation and achieving reproducibility of a high effective value of dielectric constant, which significantly reduces the influence of the environment on the operation of the antenna, which is the technical result of the invention.

Патентуемая электрически малая антенна на основе метаматериала включает размещенные на диэлектрической подложке первый плоский металлический слой и периодическую систему проводящих элементов.The patented electrically small antenna based on a metamaterial includes a first flat metal layer and a periodic system of conductive elements placed on a dielectric substrate.

Отличие состоит в следующем. Введен второй параллельный первому металлический слой, периодическая система проводящих элементов размещена в теле диэлектрической подложки и образована массивом металлических цилиндров, ориентированных перпендикулярно указанным металлическим слоям, причем один торец каждого цилиндра имеет электрический контакт только с первым металлическим слоем, а второй торец - установлен с зазором относительно второго металлического слоя, при этом величина зазора выбрана из условия обеспечения заданного эффективного значения диэлектрической проницаемости.The difference is this. A second metal layer parallel to the first is introduced, a periodic system of conductive elements is placed in the body of the dielectric substrate and is formed by an array of metal cylinders oriented perpendicular to the specified metal layers, and one end of each cylinder has electrical contact only with the first metal layer, and the second end is installed with a gap relative to the second metal layer, while the gap size is selected from the condition of ensuring a given effective value of the dielectric constant.

Антенна может характеризоваться тем, что плотность массива металлических цилиндров составляет не менее 9 на 1 см². площади подложки, а также тем, что металлический цилиндр представляет собой металлизированное сквозное отверстие, выполненное в диэлектрической подложке, а кроме того, тем, что зазор между вторыми торцами упомянутых цилиндров и вторым металлическим слоем заполнен диэлектриком, толщина слоя которого составляет не более 0,1 мм. Вторые торцы цилиндров дополнительно содержат проводящие металлические площадки прямоугольной формы, имеющие электрический контакт с упомянутыми цилиндрами и размещенные с зазором относительно второго проводящего металлического слоя.The antenna can be characterized by the fact that the density of the array of metal cylinders is at least 9 per 1 cm ² . area of the substrate, as well as the fact that the metal cylinder is a metallized through hole made in the dielectric substrate, and in addition, the fact that the gap between the second ends of the mentioned cylinders and the second metal layer is filled with a dielectric, the layer thickness of which is no more than 0.1 mm. The second ends of the cylinders further comprise rectangular shaped conductive metal pads having electrical contact with said cylinders and spaced apart from the second conductive metal layer.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где:The essence of the invention is illustrated in the drawings, where:

фиг. 1 - структура патентуемой антенны на основе метаматериала, разрез вдоль осевой линии цилиндров;fig. 1 - structure of a patented antenna based on metamaterial, section along the axial line of the cylinders;

фиг.2 - вид сверху на подложку с цилиндрами;Fig.2 is a top view of the substrate with cylinders;

фиг.3 - вид на антенну в аксонометрии;Fig.3 - axonometric view of the antenna;

фиг.4 - приближенная эквивалентная схема элементарной ячейки метаматериала;Fig.4 is an approximate equivalent diagram of a unit cell of a metamaterial;

фиг.5 - структура антенны на основе метаматериала с использованием металлических площадок в тонком диэлектрическом слое поверх металлических цилиндров, разрез вдоль осевой линии цилиндров;Fig. 5 - structure of an antenna based on a metamaterial using metal pads in a thin dielectric layer on top of metal cylinders, section along the center line of the cylinders;

фиг.6 - вид на антенну на основе метаматериала с использованием металлических площадок в аксонометрии;Fig.6 is a perspective view of an antenna based on metamaterial using metal pads;

фиг. 7 - график зависимости эффективного значенияfig. 7 - graph of effective value

диэлектрической проницаемости от расстояния между верхним электродом и металлизированными отверстиями;dielectric constant from the distance between the top electrode and metallized holes;

фиг.8 - результат измерения Sll-параметра тестовой антенны на метаматериале.Fig.8 - the result of measuring the Sll-parameter of a test antenna on a metamaterial.

На фиг.1-3 показана конструкция антенны. Электрически малая антенна включает размещенные на диэлектрической подложке 1 первый плоский металлический слой 2 и периодическую систему проводящих элементов 3. Выполнен второй параллельный первому металлический слой 4. Периодическая система проводящих элементов 3 размещена в диэлектрической подложке 1 и образована массивом периодически размещенных металлических цилиндров 5, ориентированных перпендикулярно указанным металлическим слоям 2,4. Один торец 51 каждого цилиндра 5 имеет электрический контакт только с первым металлическим слоем 2. Второй торец 52 каждого цилиндра 5 установлен с зазором 6 относительно второго металлического слоя 4. Величина d зазора 6 выбрана из условия обеспечения заданного эффективного значения диэлектрической проницаемости е_ед.Figures 1-3 show the antenna design. An electrically small antenna includes a first flat metal layer 2 placed on a dielectric substrate 1 and a periodic system of conductive elements 3. A second metal layer 4 is made parallel to the first one. A periodic system of conductive elements 3 is placed in the dielectric substrate 1 and is formed by an array of periodically placed metal cylinders 5 oriented perpendicularly the specified metal layers 2.4. One end 51 of each cylinder 5 has electrical contact only with the first metal layer 2. The second end 52 of each cylinder 5 is installed with a gap 6 relative to the second metal layer 4. The value d of the gap 6 is selected from the condition of ensuring a given effective value of the dielectric constant _e d.

Плотность массива металлических цилиндров составляет не менее 9 штук на 1 см² площади подложки 1. Металлический цилиндр 5 представляет собой металлизированное сквозное отверстие 53, выполненное в диэлектрической подложке 1, которое покрыто слоем 54 металла. Зазор 6 между вторыми торцами 52 всего массива упомянутых цилиндров 5 и вторым металлическим слоем 4 заполнен диэлектриком 61, толщина d слоя которого составляет не более 0,1 мм.The density of the array of metal cylinders is at least 9 pieces per 1 cm ² of the area of the substrate 1. The metal cylinder 5 is a metallized through hole 53 made in the dielectric substrate 1, which is covered with a layer 54 of metal. The gap 6 between the second ends 52 of the entire array of the mentioned cylinders 5 and the second metal layer 4 is filled with a dielectric 61, the thickness d of the layer of which is no more than 0.1 mm.

Подложка 1 антенны может быть изготовлена из доступных материалов с низкой диэлектрической проницаемостью и c хорошей воспроизводимостью характеристик, что, однако, в составе антенны эквивалентно диэлектрику с высокой ДП.The antenna substrate 1 can be made of available materials with low dielectric constant and good reproducibility of characteristics, which, however, in the antenna composition is equivalent to a dielectric with a high DC.

Проводящий слой, который не имеет электрического контакта с цилиндрами, фактически является планарной антенной, которая является резонансной структурой. При этом достигается большое эффективное значение ДП метаматериала и наблюдается уменьшение фазовой скорости, что позволяет спроектировать антенну с уменьшенными размерами.The conductive layer, which has no electrical contact with the cylinders, is actually a planar antenna, which is a resonant structure. In this case, a large effective value of the metamaterial DP is achieved and a decrease in the phase velocity is observed, which makes it possible to design an antenna with reduced dimensions.

Размер элементарной ячейки выбираются так, чтобы ее размер не превышал одну десятую размера эффективной длины волны.The size of the unit cell is chosen so that its size does not exceed one tenth of the size of the effective wavelength.

Пространство между цилиндрами и проводящими слоями заполнено известными из уровня техники диэлектрическим материалами, в частности, используемыми для СВЧ печатных плат, такими как ФАФ-4Д, Rogers, Arlon. Такие специальные диэлектрические материалы характеризуются (по сравнению со стандартным FR4) повышенной стабильностью величины диэлектрической проницаемости и низкими потерями в широком диапазоне рабочих частот (от единиц МГц до десятков ГГц).The space between the cylinders and the conductive layers is filled with dielectric materials known from the prior art, in particular, those used for microwave printed circuit boards, such as FAF-4D, Rogers, Arlon. Such special dielectric materials are characterized (compared to standard FR4) by increased stability of the dielectric constant and low losses in a wide range of operating frequencies (from a few MHz to tens of GHz).

Размер конструкции зависит от рабочей длины волны и может достигать одной десятой длины волны. Длина квадратной площадки 10, а также толщина слоя диэлектрика 1 составляют 1,5 мм.The size of the structure depends on the operating wavelength and can reach one tenth of the wavelength. The length of the square area 10, as well as the thickness of the dielectric layer 1, is 1.5 mm.

Важно отметить, что размеры отверстий 5, площадок 10, толщина слоя диэлектрика 1, толщина зазора между цилиндрами и антенной выбираются также исходя из доступных технологий, размер последнего параметра прямо влияет на эффективное значение диэлектрической проницаемости. Диэлектрический зазор между проводящими цилиндрами и слоем 4 может быть выполнен посредством любых известных диэлектриков, в частности, даже воздуха. Также тонкий зазор можно реализовать в виде слоя клея, в таком случае антенна со слоем клея крепится поверх печатной платы, представляющей собой диэлектрическую подложку со сквозными металлизированными отверстиями с металлическим слоем с одной стороны платы.It is important to note that the dimensions of the holes 5, pads 10, the thickness of the dielectric layer 1, the thickness of the gap between the cylinders and the antenna are also selected based on the available technologies, the size of the last parameter directly affects the effective value of the dielectric constant. The dielectric gap between the conductive cylinders and layer 4 can be made using any known dielectrics, in particular, even air. Also, a thin gap can be implemented in the form of a layer of glue, in which case the antenna with a layer of glue is mounted on top of a printed circuit board, which is a dielectric substrate with through metallized holes with a metal layer on one side of the board.

Возможно также модифицировать антенну тем, что добавить поверх металлизированных отверстий 5 на стороне платы, где нет металлического слоя, металлические площадки 10 прямоугольной формы, размер m которых, как правило не превышает диаметр b отверстий более чем в 3 раз, а толщина f приблизительно равна t (фиг.5,6). В таком случае тонкий диэлектрический зазор 6 между проводящими цилиндрами 5 и слоем 4 может быть выполнен посредством напыления диэлектрического слоя, а также нанесением полимерной маски. При этом весь технологический цикл изготовления антенны проводится с помощью процесса напыления.It is also possible to modify the antenna by adding, on top of the metallized holes 5 on the side of the board where there is no metal layer, rectangular metal pads 10, the size m of which, as a rule, does not exceed the diameter b of the holes by more than 3 times, and the thickness f is approximately equal to t (Fig.5,6). In this case, a thin dielectric gap 6 between the conductive cylinders 5 and layer 4 can be made by sputtering a dielectric layer, as well as applying a polymer mask. In this case, the entire technological cycle of antenna manufacturing is carried out using the sputtering process.

Эффективное значение диэлектрической проницаемости может принимать значения до 2250 в зависимости от толщины d зазора 6 между цилиндрами 5 и слоем 4. При испытаниях использовалась конструкция метаматериала и электрически малой антенны на основе печатной платы на СВЧ-материале Rogers.The effective value of the dielectric constant can take values up to 2250 depending on the thickness d of the gap 6 between the cylinders 5 and layer 4. During the tests, a metamaterial design and an electrically small antenna based on a printed circuit board on Rogers microwave material were used.

Экспериментальное подтверждение эффективности данного метода получено для антенн диапазона СВЧ. Электрофизические параметры измерялись на частотном диапазоне 1-5 ГГц с помощью векторного анализатора посредством установленного программного обеспечения.Experimental confirmation of the effectiveness of this method was obtained for microwave antennas. Electrophysical parameters were measured in the frequency range 1-5 GHz using a vector analyzer using installed software.

В описанной конструкции метаматериала существенную роль играет емкостной элемент, который образуется в тонком зазоре между поверхностью цилиндров 5 и слоем 4, а также индуктивный элемент, зависящий от расстояния между проводящими слоями. За счет высокого значения электроемкости достигается малое значение фазовой скорости (высокое эффективное значение диэлектрической проницаемости), что позволяет спроектировать электрически малую антенну на данном метаматериале.In the described metamaterial design, a significant role is played by a capacitive element, which is formed in a thin gap between the surface of the cylinders 5 and layer 4, as well as an inductive element, which depends on the distance between the conductive layers. Due to the high value of the electrical capacitance, a low value of the phase velocity (high effective value of the dielectric constant) is achieved, which makes it possible to design an electrically small antenna on this metamaterial.

Численные расчеты на основе выведенных формул, а также с помощью среды моделирования CST Studio показывают, что на частотах 0,8-2 ГГц при толщине d зазора между цилиндрами 5 и слоем 4 равной 2 мкм, эффективное значение диэлектрической проницаемости близко к 250; при толщине равной 250 нм, диэлектрическая проницаемость близка к 1500.Numerical calculations based on the derived formulas, as well as using the CST Studio modeling environment, show that at frequencies of 0.8-2 GHz with a thickness d of the gap between cylinders 5 and layer 4 equal to 2 μm, the effective value of the dielectric constant is close to 250; with a thickness of 250 nm, the dielectric constant is close to 1500.

На фиг. 4 приведена приближенная эквивалентная схема элементарной ячейки метаматериала, где индуктивный элемент 62, зависящий от расстояния между проводящими слоями 2,4; индуктивность 7 металлического цилиндра 5, электроемкость 8 между торцом 52 цилиндра 5 и верхним проводящим слоем 4, малая совокупная электроемкость 9 между прочими элементами: между двумя проводящими слоями 2,4, между цилиндрами 5 в массиве.In fig. Figure 4 shows an approximate equivalent diagram of an elementary cell of a metamaterial, where the inductive element 62, depending on the distance between the conductive layers 2.4; inductance 7 of the metal cylinder 5, electrical capacity 8 between the end 52 of the cylinder 5 and the upper conductive layer 4, small total electrical capacity 9 between other elements: between two conductive layers 2.4, between cylinders 5 in the array.

На фиг. 7 представлен график зависимости эффективного значения диэлектрической проницаемости £_eff от толщины d зазора 6 между проводящим слоем 4 и цилиндрами 5, образованными металлизированными отверстиями 53. Кривая 11 - график зависимости, полученный с помощью расчета по оценочной формуле, учитывающей конфигурацию предложенного метаматериала. Кривые 12, 13, 14 - графики зависимости, полученные с помощью численного расчета в программной среде CST Studio, на частотах 800 МГц, 1200 МГц, 2000 МГц.In fig. Figure 7 shows a graph of the dependence of the effective value of the dielectric constant £ _e ff on the thickness d of the gap 6 between the conductive layer 4 and the cylinders 5 formed by metallized holes 53. Curve 11 is a graph of the dependence obtained by calculation using an evaluation formula that takes into account the configuration of the proposed metamaterial. Curves 12, 13, 14 are dependence graphs obtained using numerical calculations in the CST Studio software environment at frequencies of 800 MHz, 1200 MHz, 2000 MHz.

Область между торцами 52 цилиндров 5 и слоем 4 в силу тонкого диэлектрического зазора 6 характеризуется большим значением электроемкости 8. В силу пропорциональной зависимости это влечет соответствующее эффективное значение диэлектрической проницаемости, что в свою очередь позволяет создать электрически малую антенну в силу обратной зависимости размеров антенны от диэлектрической проницаемости окружающей среды.The area between the ends 52 of the cylinders 5 and layer 4, due to the thin dielectric gap 6, is characterized by a large value of electrical capacitance 8. Due to the proportional dependence, this entails a corresponding effective value of the dielectric constant, which in turn makes it possible to create an electrically small antenna due to the inverse dependence of the antenna dimensions on the dielectric permeability of the environment.

Окружающая среда может оказывать сильное влияние на электрофизические параметры антенны. В предлагаемой антенне на метаматериале большое значение емкости между торцами 52 цилиндров 5 и слоем 4 приводит к тому, что основная доля электромагнитного поля антенны концентрируется в тонком диэлектрическом зазоре толщиной d. Поэтому только эта область оказывает основное влияние на параметры антенны, что обеспечивает слабое влияние окружающих объектов на работу антенны.The environment can have a strong influence on the electrical parameters of the antenna. In the proposed metamaterial antenna, the large value of the capacitance between the ends 52 of the cylinders 5 and the layer 4 leads to the fact that the main share of the electromagnetic field of the antenna is concentrated in a thin dielectric gap of thickness d. Therefore, only this area has the main influence on the antenna parameters, which ensures a weak influence of surrounding objects on the operation of the antenna.

Способ реализации метаматериала с помощью технологии печатных плат обладает высоким качеством воспроизводимости заданного параметра диэлектрической проницаемости.The method of realizing a metamaterial using printed circuit board technology has a high quality of reproducibility of a given dielectric constant parameter.

На фиг. 8 представлены результаты измерения SH-параметра тестовой антенны на метаматериале, где резонанс имеется на частоте 5070 МГц, что подтверждает увеличение эффективного значения диэлектрической проницаемости используемого в качестве подложки предложенного метаматериала, так как при длине 11 мм тестовой антенны в свободном пространстве пик на графике наблюдается на частоте 13636 МГц.In fig. Figure 8 shows the results of measuring the SH parameter of a test antenna on a metamaterial, where resonance occurs at a frequency of 5070 MHz, which confirms an increase in the effective value of the dielectric constant of the proposed metamaterial used as a substrate, since with a length of 11 mm of the test antenna in free space, the peak in the graph is observed at frequency 13636 MHz.

Пример. Реализована электрически малая антенна на основе метаматериала патентуемой структуры (фиг.1,2) со следующими размерами. Слой 2 выполнен из золота, толщина s=15 мкм; диэлектрическая подложка 1, выполнена из материала Rogers, толщина w=1,5 мм; металлический цилиндр 5 выполнен в виде сквозного отверстия 53 диаметром b=0,65 мм, покрытого слоем золота толщиной 1=5мкм. Верхний металлический слой 4, выполняющий функции антенны, выполнен из золота и имеет толщину h= 4 мкм. Зазор 6 составляет d=30 мкм. Example. An electrically small antenna based on a metamaterial of a patented structure (Fig. 1, 2) with the following dimensions has been implemented. Layer 2 is made of gold, thickness s=15 µm; dielectric substrate 1, made of Rogers material, thickness w=1.5 mm; the metal cylinder 5 is made in the form of a through hole 53 with a diameter b=0.65 mm, coated with a layer of gold 1=5 μm thick. The upper metal layer 4, which acts as an antenna, is made of gold and has a thickness h = 4 μm. The gap 6 is d=30 μm.

На частотах 0,8-2 ГГц при толщине зазора между цилиндрами 5 и слоем 4 равной d=1,5 мкм, эффективное значение диэлектрической проницаемости близко к 250; при толщине равной 250 нм, диэлектрическая проницаемость близка к 1500.At frequencies of 0.8-2 GHz with the thickness of the gap between the cylinders 5 and layer 4 equal to d=1.5 μm, the effective value of the dielectric constant is close to 250; with a thickness of 250 nm, the dielectric constant is close to 1500.

В свободном пространстве частота, соответствующая половине длины волны 11 мм, равна 13636 МГц. Измерения SH-параметра показали, что резонанс наблюдается на частоте 5070 МГц (фиг. 8), что подтверждает влияние метаматериала как материала с повышенным значением диэлектрической проницаемости.In free space, the frequency corresponding to half a wavelength of 11 mm is 13636 MHz. Measurements of the SH parameter showed that resonance is observed at a frequency of 5070 MHz (Fig. 8), which confirms the influence of the metamaterial as a material with an increased dielectric constant.

Предложенная конструкция антенны на основе метаматериала может работать с хорошей эффективностью как вблизи диэлектрических, так и металлических объектов. Это обусловлено тем, что большое значение электроемкости между цилиндрами и антенной приводит к тому, что основная доля распространяющегося электромагнитного поля сконцентрирована в тонком зазоре, от чего влияние окружающих объектов на метаматериал с антенной оказывается очень малым.The proposed metamaterial antenna design can operate with good efficiency in the vicinity of both dielectric and metallic objects. This is due to the fact that the large value of the electrical capacitance between the cylinders and the antenna leads to the fact that the main share of the propagating electromagnetic field is concentrated in a thin gap, which makes the influence of surrounding objects on the metamaterial with the antenna very small.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результата - обеспечении воспроизводимости высокого эффективного значения диэлектрической проницаемости, что значительно снижает влияние окружающей среды на работу антенны.Thus, the presented data indicate the achievement of a technical result - ensuring the reproducibility of a high effective value of dielectric constant, which significantly reduces the influence of the environment on the operation of the antenna.

Claims

1. An electrically small antenna based on a metamaterial, including a dielectric substrate, a first conducting metal layer and a periodic system of conducting elements, characterized in that a second conducting metal layer is introduced parallel to the first, the periodic system of conducting elements is placed in the body of the dielectric substrate and is formed by an array of metal cylinders, oriented perpendicular to the specified metal layers, and the first end of each cylinder has electrical contact only with the first conductive layer, and the second end is installed with a gap relative to the second conductive metal layer, and the size of the gap is selected from the condition of ensuring a given effective value of the dielectric constant.

2. An electrically small antenna according to claim 1, characterized in that the density of the array of metal cylinders is at least 9 pieces per 1 cm ² of substrate area.

3. An electrically small antenna according to claim 1, characterized in that the metal cylinder is a through hole metallized along a generatrix and made in a dielectric substrate.

4. An electrically small antenna according to claim 1, characterized in that the gap between the second ends of the metal cylinders and the second conductive metal layer is filled with a dielectric, the layer thickness of which is no more than 0.1 mm.

5. An electrically small antenna according to claim 1, characterized in that the second ends of the cylinders additionally contain rectangular-shaped conductive metal pads having electrical contact with said cylinders and placed with a gap relative to the second conductive metal layer.