Разработка и исследование активных и пассивных резонансных электромагнитных структур в микроволновом диапазоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Филонов Дмитрий Сергеевич

• Филонов Дмитрий Сергеевич
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Филонов Дмитрий Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований

Степень ее разработанности

Цели и задачи работы

Научная новизна работы

Теоретическая и практическая значимость работы

Методология и методы исследований

Положения, выносимые на защиту

Степень достоверности и апробация результатов

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУРАХ

1.1. Рассеяние электромагнитных волн на структурах из метаматериалов с отрицательными или близкими к нулю диэлектрической или магнитной проницаемостями

1.2. Рассеяние электромагнитных волн на структурах из магнитоэлектрических частиц

1.3. Рассеяние электромагнитных волн на вращающихся субволновых частицах с электрическими и магнитными дипольными моментами

1.4. Рассеяние электромагнитных волн на резонансных диэлектрических структурах

ГЛАВА 2. КАНАЛИЗАЦИЯ, ЛОКАЛИЗАЦИЯ И ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУРАХ

2.1. Канализация электромагнитных волн в гиперболических метаматериалах

2.2. Канализация и локализация электромагнитных волн в топологических метаматериалах

2.3. Экспериментальное исследование диэлектрических антенн в СВЧ диапазоне

2.4. Пассивные КРГО-метки на основе диэлектрических резонаторов

2.4.1. Изотропные КРГО-метки

2.4.2. Дальнодействующие ЯБШ-метки

2.4.3. ЯБШ-метки, защищенные от взломов из дальней зоны

2.4.4. Некоторые приложения ЯБШ-меток

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ АНТЕНН СВЧ-ДИАПАЗОНА

3.1. Аддитивные технологии для создания планарных антенн

3.2. Аддитивные технологии для создания непланарных (объемных) антенн

3.3. Применение генетических и роевых алгоритмов для создания антенн с помощью аддитивных технологий

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ

СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ

СПИСОК ПАТЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ АВТОРОМ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование активных и пассивных резонансных электромагнитных структур в микроволновом диапазоне»

Актуальность темы исследований

Разработка и внедрение пассивных и активных радиофизических и радиотехнических устройств играет ключевую роль в функционировании современного мира. Развитие технологий в данной области привело к созданию множества устройств, без которых уже сложно представить жизнедеятельность человека. На передний план выходят устройства интернета вещей (1оТ) и «умного дома», высокопроизводительные вычислительные системы, технологии 5G, устройства беспроводной передачи энергии, средства радиочастотной идентификации (ЯПО), спутниковые системы. При этом ввиду существенного роста объемов данных, мировой конкуренции и других факторов имеется существенная необходимость в разработке эффективных приемно-передающих устройств и систем обработки и хранения данных. Однако это накладывает дополнительные требования на их характеристики, в частности, современные тенденции миниатюризации с сохранением или повышением эффективности радиотехнических и электронных устройств существенно ограничивают возможности по применению стандартных методик их реализации и требуют поиска новых научных подходов.

Современные исследования в области электродинамики метаматериалов — уникальных искусственно структурированных сред, проявляющих электромагнитные характеристики, недостижимые в природных материалах, — породили новый виток развития радиофизики и радиотехники, а также обеспечили удобную платформу для проверки концепций нанофотоники и нанооптики. Свойства метаматериалов определяются структурой элементарных ячеек, размеры которых много меньше длины волны. Варьируя параметры ячеек, можно достигать уникальных возможностей в сфере управления

электромагнитными полями. Исторически развитие области метаматериалов в радиочастотном диапазоне было вдохновлено концепцией невидимости и последовало ее реализации в микроволновом диапазоне. Хотя этот концепт не нашел практического индустриального применения в области радарных приложений по ряду причин, он задал направление развития в этой области. В течение последнего десятилетия область трехмерных метаматериалов развилась в метаповерхности, способные контролировать законы преломления электромагнитных волн (как при прохождении, так и при отражении). Развитие базовых концепций управления распространением волновых полей привело к ряду практических применений в области беспроводной связи. Технологии 5G являются одним из примеров, где адаптивные поверхности, формирующие электромагнитные пучки, играют ключевую роль. В настоящее время несколько международных корпораций уже используют концепцию метаповерхностей для увеличения коммуникации со спутниками и других приложений.

Данная работа является обобщением многолетних экспериментальных исследований и разработок соискателя в области разработки новых устройств и технологий на основе метаматериалов, волноведущих и резонансных структур. Проведенные исследования направлены на применение новых подходов и внедрение результатов в современные радиотехнические системы.

Степень ее разработанности

В настоящее время исследования в области прикладной радиофизики играют важную роль в создании современных электромагнитных устройств. Развитие средств связи, включая новые поколения 5G и 6G, радиолокации, радиочастотной идентификации, медицинского оборудования, спутниковых систем, разработка новых методов обработки сигналов и др., существенно

повышает требования на качество и обуславливает необходимость новых подходов к повышению эффективности электромагнитных устройств.

Одним из ключевых результатов в истории прикладной радиофизики является создание первой антенны - вибратора Герца - во второй половине XIX века, доказавшее экспериментально существование электромагнитных волн, что определило судьбу электродинамики и стало основой для реализации современных технических устройств. За этим последовало изобретение радио А.С. Поповым, исследования Г. Маркони и К.Ф. Брауна. После этих пионерских работ выстраивались и развивались такие направления, как электродинамика и распространение радиоволн, теория колебаний, электроника и радиотехника. Дальнейший прогресс породил важнейшие и по сей день области исследований: радиоспектроскопия, статистическая радиофизика, квантовая радиофизика, радиоастрономия, микро- и наноэлектроника, электродинамика искусственных сред.

В последние десятилетия исследование резонансных электромагнитных структур представляет большой интерес для прикладной радиофизики благодаря возможности реализации уникальных физических явлений. В связи с современными тенденциями к уменьшению размеров разрабатываемых устройств на передний план выходят исследования, посвященные субволновым элементам и структурам, позволяющим управлять электромагнитными волнами на малых масштабах. Одну из ключевых ролей играют искусственно структурированные среды - метаматериалы и метаповерхности. Изменяя конфигурацию элементарных субволновых ячеек данных сред, можно обеспечить возникновение уникальных свойств, недостижимых в природных материалах. При этом следует отметить, что, благодаря субволновости элементарных ячеек метаматериалов, к ним можно применить процедуру гомогенизации и описать с помощью материальных параметров (диэлектрической £ и магнитной д проницаемостей). При проведении исследований в области метаматериалов и других искусственных

электромагнитных сред были открыты такие явления, как отрицательный показатель преломления, преодоление дифракционного предела разрешения, предложены модели маскирующих устройств и многое другое. Помимо фундаментального интереса к исследованиям метаматериалов, на их основе активно разрабатываются современные устройства. В частности, применяются частотно-селективные и высокоимпедансные поверхности, разрабатываются солнечные элементы, Я^ГО-устройства, антенны для спутниковой и сотовой связи и т. д.

Цели и задачи работы

Целью диссертации является разработка и демонстрация новых стратегий управления рассеянием и распространением электромагнитных волн в микроволновом диапазоне, а также их применение для реализации антенн и устройств СВЧ.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

• численное и экспериментальное исследование рассеяния электромагнитных волн от субволновых частиц с электрическими и магнитными дипольными резонансами и структур на их основе;

• экспериментальное исследование фазового перехода между метаматериалом и фотонным кристаллом;

• экспериментальная демонстрация новых способов канализации и локализации электромагнитных волн в метаматериалах;

• экспериментальная демонстрация концепции диэлектрических антенн;

• разработка пассивных Я^ГО-меток на основе высокодобротных Ми-резонансных диэлектрических частиц;

• разработка новых методов изготовления антенн и СВЧ-устройств при помощи аддитивных технологий.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые экспериментально продемонстрирован фазовый переход от фотонного кристалла к метаматериалу в СВЧ диапазоне частот.

2. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность управления рассеиванием от субволновых структур на основе метаматериалов путем управления их магнонным резонансом.

3. Впервые экспериментально продемонстрировано явление невидимости Фано в диэлектрических цилиндрических резонаторах.

4. Впервые численно и экспериментально продемонстрировано управление рассеянием антенны, расположенной вблизи среды из проводов.

5. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность увеличения эффективности излучения субволнового источника в присутствии гиперлинзы из проводов.

6. Впервые экспериментально продемонстрированы генерация второй и третьей гармоник в метаатоме, составленном из двух ортогонально ориентированных разомкнутых кольцевых резонаторов с варакторным диодом.

7. Впервые экспериментально продемонстрировано управление резонансной частотой элемента, составленного из двух ортогонально ориентированных разомкнутых кольцевых резонаторов с фотодиодом и светодиодом, соответственно, при повышении интенсивности накачки.

8. Впервые продемонстрирована экспериментально концепция полностью диэлектрических наноантенн на основе керамических резонаторов с высоким значением диэлектрической проницаемости в микроволновом диапазоне.

9. Впервые экспериментально продемонстрирована сверхнаправленная антенна на основе сферического диэлектрического резонатора с высоким значением диэлектрической проницаемости.

10. Впервые экспериментально продемонстрирована бифокальная линза на основе метаповерхности.

11. Впервые продемонстрирован асимметричный микроэффект Доплера в элементах с магнитоэлектрической связью.

12. Впервые экспериментально продемонстрированы резонансы Фано в различных диэлектрических олигомерах (из 3, 4, 6, 7 резонансных частиц).

13. Впервые экспериментально продемонстрирована КРГО-метка с высокоиндексным керамическим резонатором, работающем в полосе частот анапольного состояния.

14. Впервые экспериментально продемонстрирован топологический переход от эллиптического к гиперболическому изочастотному контуру в 2Э гиперболическом метаматериале.

15. Впервые продемонстрирован экспериментально в микроволновом диапазоне фотонный спиновый эффект Холла в 2Э гиперболическом метаматериале.

16. Впервые продемонстрировано экспериментально возбуждение топологических краевых состояний в 2Э метаматериале, составленном из бианизотропных резонаторов.

Теоретическая и практическая значимость работы

Диссертация затрагивает ряд важных проблем и вызовов в области прикладной радиофизики.

Рассматриваются и развиваются вопросы рассеяния электромагнитных волн в структурах на основе субволновых элементов, включая метаматериалы. В частности:

• предложены и реализованы концепции субволновых рассеивателей на основе метаматериалов с отрицательной диэлектрической/магнитной проницаемостью;

• для рассеивателя из метаматериала с отрицательной магнитной проницаемостью численно и экспериментально продемонстрировано управление рассеянием с помощью света за счет изменения положения его магнонного резонанса;

• численно и экспериментально продемонстрировано асимметричное рассеяние в частицах с магнитоэлектрическим откликом и структурах на их основе;

• теоретически и экспериментально показан эффект подавления рассеяния (невидимость) от диэлектрических цилиндров на частотах, соответствующих резонансу Фано, а также возможность управления рассеянием - переключения между видимостью и невидимостью -благодаря асимметричному профилю резонанса Фано;

• получен фундаментальный результат, описывающий условия фазового перехода между фотонным кристаллом и метаматериалом.

Важным практическим следствием при изучении рассеяния от объектов является сценарий рассеяния на движущихся целях, приводящих к изменению частот сигналов и появлению боковых полос за счет эффекта Доплера и микродоплеровского эффекта, что накладывает дополнительные требования на

проведение точной классификации целей. В данной работе было экспериментально продемонстрировано возникновение микродоплеровских гармоник в спектре рассеяния вращающихся субволновых частиц, обладающих электрическими и магнитными дипольными моментами. В частности, было показано асимметричное рассеяние магнитоэлектрической частицы.

В диссертации продемонстрированы новые способы управления электромагнитными волнами. В частности:

• в гиперболических метаматериалах показано численно и экспериментально явление однонаправленного распространения электромагнитных волн (фотонный спиновый эффект Холла) и исследован топологический переход, связанный с преобразованием изочастотного контура - от эллипсоида к двуполостному гиперболоиду;

• в метаматериалах была реализована нетривиальная топологическая фаза и продемонстрированы численно и экспериментально топологические краевые состояния и локализованные состояния высокого порядка -топологические угловые состояния.

Другим важным практическим результатом является разработка концепции диэлектрических антенн на основе Ми-резонансных частиц. Было предложено использование высокоиндексных частиц для обеспечения узкой диаграммы направленности антенн. Для апробации идеи была реализована антенна Яги-Уда, а также продемонстрирована сверхнаправленная диэлектрическая антенна.

Помимо этого, развиты идеи практического применения Ми-резонансных диэлектрических частиц в технологиях КРГО. Были разработаны конструкции пассивных КРГО-меток с использованием материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости, которые, в сравнении с аналогами:

• имеют большую дальность считывания;

• обладают всенаправленным действием;

• характеризуются защитой от взломов из дальней зоны.

Большой практической значимостью обладают исследования, посвященные реализации электромагнитных устройств с помощью аддитивных технологий. В диссертации были разработаны методики изготовления антенн с помощью принтеров с двойной экструзией (с проводящим и непроводящим пластиками) и последующей гальванической металлизацией. Дополнительно был разработан метод удаления проводящего пластика для достижения целостной металлической конструкции.

Важно отметить, что помимо создания планарных антенн предложенные методы на основе аддитивных технологий позволяют дешево и просто изготавливать трехмерные непланарные конструкции с расширенной функциональностью. Для примера были изготовлены и исследованы спиральная антенна и трехмерная антенна Яги-Уда. Более того, гибкость изготовления с помощью аддитивных технологий позволяет эффективно комбинировать современные методы генетических и алгоритмов роя частиц для реализации эффективных антенн, что было продемонстрировано на примере фазированной антенной решетки.

Методология и методы исследований

Основная методология, которая использовалась в большинстве описанных в диссертации исследований, основана на аналитических, численных и экспериментальных инструментах с упором на два последних.

Численный анализ и проектирование были выполнены с использованием метода конечных разностей во временной области и метода конечных элементов, реализованных в CST Microwave Studio и Comsol Multiphysics.

Экспериментальные методы, применяемые в данной работе, разделяются на две категории: 1) изготовление образцов; 2) измерение их характеристик в микроволновом диапазоне.

Для изготовления экспериментальных образцов использовались аддитивные технологии в виде BD-печати, в том числе печать с двойной экструзией. Двойная экструзия дает возможность использования в печати одновременно двух типов филамента, один из которых сделан на основе углеродного волокна. Углеродное волокно обеспечивает возможность последующей гальванической металлизации изготовленных из него элементов структур. Более того, в рамках проводимых исследований усовершенствовались и внедрялись новые методики изготовления трехмерных образцов с использованием BD-печати, что отражено в ряде публикаций. Помимо этого, применялись методы фрезерования, технологии создания печатных плат.

При проведении экспериментальных исследований в микроволновом диапазоне применялись методы измерений в ближней и дальней зонах, а также волноводные измерения:

а) метод дальней зоны для задачи рассеяния;

б) метод дальней зоны для измерения диаграммы направленности;

в) метод ближней зоны для визуализации амплитудно-частотного и фазо-частотного распределений электромагнитных полей в изучаемых структурах;

г) волноводные измерения с калибровкой волноводного тракта.

В частности, проводились измерения методом Никольсона-Росса-Ваера (Nicolson-Ross-Weir method) для извлечения параметров диэлектрической и магнитной проницаемости исследуемых материалов.

Основные эксперименты проводились в безэховой камере - основной установке в области экспериментальной радиофизики.

Обработка численных и экспериментальных данных проводилась в программном пакете Matlab.

Положения, выносимые на защиту

1. Субволновые элементы могут быть сконструированы на основе метаматериалов, обладающих отрицательными или близкими к нулю диэлектрической или магнитной проницаемостями, позволяют управлять или увеличивать эффективную площадь электромагнитного рассеяния.

2. Метаповерхность, элементарная ячейка которой содержит взаимодействующие электрические и магнитные диполи (разомкнутый кольцевой резонатор и четвертьволновый линейный проводник), имеет асимметричный характер рассеяния на резонансной частоте и позволяет подавлять обратное рассеяние.

3. Вращение субволновых металлических элементов, облученных электромагнитной волной, приводит к генерации гребенки микродоплеровских частот, положения которых пропорциональны частоте вращения элементов, а амплитуды непосредственно связаны с геометрией рассеивателя. При этом ортогональность электрических и магнитных моментов вращающихся субволновых металлических элементов позволяет подавлять ряд микродоплеровских частот в гребенке.

4. Аддитивные технологии, в частности послойное наплавление (FDM-печать) трехмерных макетов и дальнейшая поверхностная металлизация полимера, позволяет реализовать ряд антенных характеристик, которые трудно достигаются с использованием технологий планарных печатных плат. Трехмерная геометрия позволяет эффективно комбинировать мультипольный состав, формирующий диаграммы рассеяния и излучения.

5. Высокоиндексные керамические элементы и RLC-контуры позволяют проводить эмуляцию оптических нанофотонных устройств в микроволновом частотном

диапазоне.

6. Рассеивающие свойства резонансных структур могут контролироваться с помощью температурных и геометрических изменений за счет управления их собственными резонансами и, как результат, позволяют исследовать и эмулировать ряд эффектов из области нанофотоники, сложнореализуемых в оптическом диапазоне на практике.

7. Эффект возбуждения собственных колебаний высокодобротных керамических резонаторов позволяет увеличить дальность считывания, управлять направленностью излучения и повышать информационную безопасность RFID-меток, а также позволяет проводить их миниатюризацию.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов численного моделирования и экспериментального исследования в микроволновом диапазоне и их отличное согласование с аналитическими расчетами.

Все полученные результаты работ опубликованы в авторитетных рейтинговых научных и инженерных журналах, входящих в первый и второй квартиль (Q1, Q2), и в том числе в рейтинг Nature Index: ACS Photonics, Nanophotonics, Physical Review Applied, Applied Physics Letters, Physical Review B, IEEE Transactions on Antennas and Propagation и другие, указанные в списке публикаций.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих авторитетных международных конференциях, симпозиумах, форумах, научных школах:

• 2012 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, 08-14 July 2012, Chicago, IL, USA

• Metamaterials 2012: The 6th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, 17 - 22 September 2012, St. Petersburg, Russia

• Annual International Conference Days on Diffraction; Saint Petersburg, Russia; May 27-31, 2013, Saint Petersburg, Russia

• 2013 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), 07-13 July 2013, Orlando, FL, USA

• ICECom 2013, 14-16 October 2013, Dubrovnik, Croatia

• 2013 7th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, 16-21 September 2013, Talence, France

• 2014 44th European Microwave Conference, 06-09 October 2014, Rome, Italy

• CLEO: QELS_Fundamental Science 2014, 8-13 June 2014, San Jose, California United States

• META 2014, 20 - 23 MAY 2014, SINGAPORE

• 2nd Radio and Antenna Days of the Indian Ocean (RADIO 2014), 7-10 April 2014, Flic-en-Flac, Mauritius

• 2015 IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (COMCAS), 02-04 November 2015, Tel Aviv, Israel

• META 2015, 4 - 7 August 2015, New York City, NY, USA

• 9th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Metamaterials 2015), September 7-12, 2015, Oxford, UK,

• 2016 Days on Diffraction (DD), 27 June - 1 July 2016, St. Petersburg, Russia

• SPIE PHOTONICS EUROPE, 3-7 April 2016, Brussels, Belgium

• 2017 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS), 13-15 November 2017, Tel Aviv, Israel

• NANOMETA, 4-7 January 2017, Seefeld, Austria

• 2017 Days on Diffraction (DD), 19-23 June 2017, St. Petersburg, Russia

• 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS), 2225 May 2017, St. Petersburg, Russia

• 2018 USNC-URSI Radio Science Meeting (Joint with AP-S Symposium), 0813 July 2018, Boston, MA, USA

• 2018 Days on Diffraction (DD), 4-8 June 2018, St. Petersburg, Russia

• NANOMETA, 3-6 January 2019, Seefeld, Austria

• 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 31 March - 5 April 2019, Krakov, Poland

• 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS), 4-7 November 2019, Tel Aviv, Israel

• 2019 Antennas Design and Measurement International Conference (ADMInC), 16-18 October 2019, St. Petersburg, Russia

• METANANO 2019, 15-19 July 2019, St. Petersburg, Russian Federation

• 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 15-20 March, Copenhagen, Denmark

• 5TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON METAMATERIALS AND NANOPHOTONICS METANANO 2020, 14-18 September 2020, St. Petersburg, Russia

• CLEO: QELS_Fundamental Science 2020, 10-15 May 2020, Washington, DC United States

• 2021 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS), 1-3 November 2021, Tel Aviv, Israel

• 6th International Conference on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO 2021) 13-17 September 2021, Tbilisi, Georgia

• Saint Petersburg OPEN 2022, 24-27 May 2022, St. Petersburg, Russia

• 7th International Conference on Smart and Sustainable Technologies 2022, 5-8 July 2022, Island of Brac, Croatia

• 2022 IEEE 12th International Conference on RFID Technology and Applications (RFID-TA), 12-14 September 2022, Cagliari, Italy

• IX International Conference «Engineering & Telecommunication — En&T-2022», 23-24 November 2022, Dolgoprudiy, Russia

• Saint Petersburg OPEN 2023, 23-26 May, 2022, St. Petersburg, Russia

Также представленные результаты многократно докладывались на научных семинарах и заседаниях Университета ИТМО, Тель-Авивского университета и МФТИ, Физтех.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУРАХ.

В данной главе будут продемонстрированы особенности рассеяния, возникающего в структурах на основе метаматериалов — искусственных периодических сред, элементарная ячейка которых много меньше длины рабочей волны. Рассматриваются конструкции, составленные из элементарных субволновых рассеивателей с различным электромагнитным откликом.

1.1. Рассеяние электромагнитных волн на структурах из метаматериалов с отрицательными или близкими к нулю диэлектрической или магнитной

проницаемостями.

На первом этапе рассматривалась периодическая структура, составленная из субволновых электрических диполей, нагруженных индуктивно (Рисунок 1(а)). Гибридизация резонансов отдельных элементов за счет ближнепольной связи приводит к возникновению коллективной моды, что обеспечивает возможность реализации отрицательной эффективной диэлектрической проницаемости, что может приводить к особенностям в спектрах рассеяния.

Рассеивающая структура настраивалась на частоты вблизи 300 МГц, актуальные для радиолокации. Были выбраны следующие параметры элементарной ячейки: l =11 мм и w = 0,5 мм — длина и ширина печатной дипольной ленты; g = 1 мм — зазор диполя; tsubstr = 1,5 мм — толщина подложки, hmetal = 0,1 мм — толщина металлического слоя, a = 12 мм — период в плоскости XY, az = 8 мм — период по оси Z. Индуктивная нагрузка — L1 = 2400 нГн. Материалы медь и Isola IS680 AG338 (sr = 3,38 и tg5 = 0,0026) использовались в качестве проводника и подложки, соответственно. Сначала была извлечена

эффективная диэлектрическая проницаемость среды, составленной из элементарных ячеек с данными параметрами. На Рисунок 1(е) видна область частот вблизи 300 МГц, соответствующая отрицательным значениям действительной части диэлектрической проницаемости. Далее из элементов среды составлялись объемные рассеиватели, имеющие квазисферическую форму (Рисунок 1 (б—д)), и исследовались характеристики рассеяния в зависимости от степени заполнения.

На Рисунок 1 (ж) показаны результаты расчетов сечений рассеяния сфер из исследуемого метаматериала с разными радиусами и приведено сравнение их с аналитическими расчетами на основе теории Ми для однородных сфер (Рисунок 1(з)). Если для случая малой сферы ^ = 10 мм) характеристики рассеяния рассеивателей ожидаемо отличаются, то дальнейшее увеличение размеров приводит к хорошему соответствию между однородным рассеивателем и рассеивателем из метаматериала.

На следующем этапе для создания рассеивателя было предложено использовать среды, имеющие в некотором частотном диапазоне отрицательное значение эффективной магнитной проницаемости. Одной из особенностей таких сред является появление так называемого искусственного магнонного резонанса — явление резонансного увеличения магнитной поляризуемости при конкретном значении магнитной проницаемости материала (например, ^ = -2 для малых сферических частиц). Данный эффект проявляется в значительном увеличении эффективного сечения рассеяния. В частности, для сферы радиуса 5 см на частоте магнонного резонанса наблюдается увеличение рассеяния на несколько порядков по сравнению с аналогичной сферой из идеального электрического проводника.

Рисунок 1. (а) Геометрия метаматериала из индуктивно нагруженных диполей.

(б-д) Исследуемые квазисферические рассеиватели различного радиуса на основе метаматериала из индуктивно нагруженных диполей. (е) Извлеченная дисперсия эффективной диэлектрической проницаемости рассматриваемого метаматериала. (ж) Численный расчет эффективного сечения рассеяния рассматриваемых квазисферических объектов. (з) Аналитический расчет эффективного сечения рассеяния для однородных диэлектрических сфер различных радиусов (соответствующих б-д). (и) Дисперсия эффективной магнитной проницаемости массива разомкнутых кольцевых резонаторов. (к) Расчет эффективного сечения рассеяния однородных сферических рассеивателей радиуса 5 см: красная и синяя линии соответствуют изотропному и анизотропному случаям, соответственно, черная пунктирная линия — сфера

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Филонов Дмитрий Сергеевич, 2024 год

метаматериалах

На первом этапе особенности канализации электромагнитных волн были продемонстрированы в гиперболических метаматериалах — одноосных средах с гиперболической дисперсией (гиперболическими изочастотными поверхностями). Данный тип структур описывается с помощью диагонального тензора диэлектрической проницаемости с Sx = 8у Ф при этом Sx / Sz < 0. Особенности дисперсии гиперболической среды обеспечивают распространение электромагнитного излучения в пределах конуса с углом раскрытия, определяемым из уравнения. Таким образом, источник линейно поляризованного излучения, расположенный вблизи гиперболической среды, будет возбуждать в ней локализованные электромагнитные волны, распространяемые вдоль конуса (Рисунок 7(а)). Однако, если разместить эллиптически поляризованный источник, возможно возникновение однонаправленного излучения за счет эффектов конструктивной и

деструктивной интерференции. Данный эффект был продемонстрирован численно и экспериментально. Сначала было проведено численное моделирование трехмерной гиперболической структуры в оптическом диапазоне. Гиперболический метаматериал представлял собой многослойную металл-диэлектрическую структуру, составленную из слоев серебра и стекла (dSiO2 = 5 нм, SSiO2 = 2 и dAg = 8 нм, SAg = -7 + 0,26i для длины волны 545 нм). В то время как линейно поляризованный источник одинаково возбуждает моды вправо и влево от своего положения (Рисунок 7(б)), направление распространения волн от излучателя с круговой поляризацией зависит от ее типа (правая или левая).

На следующем этапе было проведено численное и экспериментальное исследование в радиочастотном диапазоне гиперболических метаматериалов на основе электрической цепи из сосредоточенных LC-элементов. Прототип гиперболического метаматериала, состоящий из 21*21 элементарных ячеек, был изготовлен с использованием конденсаторов (RM216R71H332K, Cy=3,3 нФ) и катушек индуктивности (LQW2BHN3N3D, Lx=3,3 нГн и LQW2BHN10NJ, Lz=10 нГн) от компании Murata. Компоненты были установлены на диэлектрическую подложку FR4 (sr=4,4). Для обеспечения условий согласования с краев структуры были установлены резисторы номиналом 1 Ом (модель ERJ6BQF1R0V от компании Panasonic). Размеры прототипа составляют 160*160 мм2, рабочая частота — 36 МГц. Отметим, что уравнения для рассматриваемой электрической цепи являются полностью идентичными уравнениям для анизотропной среды.

Рисунок 7. (а, б) Концепция фотонного спинового эффекта Холла в гиперболических метаматериалах. Численно рассчитанные интенсивности распределения амплитуды магнитного поля от источника линейной (а) и круговой (поляризаций) для метаматериала с параметрами (£ц = £ху = -1,е± = £z = 1) . Вставкой показаны примеры оптических и радиочастотной реализаций гиперболических структур. (в) Численный расчет и (г) результаты экспериментального исследования интенсивности распределения поля в предложенном 2D гиперболическом метаматериале на основе LC-цепей для источников линейной, левой и правой круговых поляризаций. (д) Фотография

двумерного гиперболического метаматериала. Вставками показаны схема элементарной ячейки и ее экспериментальная реализация (е) Топологический переход между эллиптическим и гиперболическим изочастотными контурами при резонансном изменении х-компоненты магнитной проницаемости. (ж) Численной рассчитанные изочастотные кривые (параметры элементарной ячейки: C = 3300 пФ, Cy = 0.01 мкФ, and Lx = Ly = 100 мкГн) и соответствующие им измеренные распределения потенциалов в электрической цепи на частотах, обозначенных на графике (е).

При проведении экспериментального исследования был использован векторный анализатор цепей Agilent E8362C. Передающая дипольная антенна располагалась в центре структуры. Для получения излучения различных поляризаций были использованы разветвители компании Mini-Circuits (SBTCJ-1W^ и JSPQ-65W^). Для измерения приемного сигнала использовался магнитный зонд (диаметром 8 мм), двигавшийся вдоль поверхности прототипа с шагом 4 мм на расстоянии 1 мм от его поверхности.

На Рисунок 7 показаны результаты численного моделирования (в) и экспериментального исследования (г) распределения магнитного поля в гиперболическом метаматериале, возбуждаемом источниками различных поляризаций, расположенными в центре метаматериала. Распределения демонстрируют симметричную диаграмму направленности для линейно поляризованного излучения, где энергия распространяется одинаково вдоль соответствующих направлений. С другой стороны, несимметричные распределения напряженности магнитного поля возбуждаются источниками левой либо правой круговой поляризаций. Результаты измерений находятся в хорошем согласии с данными численных расчетов.

Далее в гиперболических структурах был исследован топологический переход, связанный с преобразованием изочастотного контура - от эллипсоида к двуполостному гиперболоиду. Рассматривался двумерный гиперболический метаматериал, характеризуемый скалярным s и продольной и поперечной магнитной проницаемостью и цу. Дисперсионное уравнение для ТЕ-волн, распространяющихся в плоскости xOy, где магнитная компонента поля

Ь-2 1^2

Г-J i ^V л

направлена вдоль оси Z, описывается уравнением —--\—т*— = 1.

Рассматривается случай, когда поперечная компонента магнитной проницаемости является частотно-независимой величиной, а продольная имеет резонансный характер (Рисунок 7(е)). В соответствии с дисперсионным уравнением на частотах ниже резонанса дисперсионная диаграмма имеет форму

эллипсоида, поскольку цх, > 0. С другой стороны, на частотах выше резонанса продольная компонента магнитной проницаемости меняет знак, < 0, что приводит к существенному изменению и преобразованию изочастотной поверхности в гиперболоид.

Для реализации гиперболического метаматериала в радиочастотном диапазоне, как показано выше, была разработана электрическая цепь, описываемая эквивалентными уравнениями, где соотношение между

параметрами среды имеют вид: — = —. Схема элементарной ячейки

обеспечивает изменение знака адмиттанса в одном из направлений за счет включения параллельных колебательных контуров, имеющих индуктивный характер ниже резонансной частоты и емкостной — выше. Прототип структуры состоял из 31 х 31 элементарных ячеек и изготовлен с помощью монтажа катушек индуктивности (Murata LQH32MN101J) и конденсаторов (Murata GRM32QR73A103KW и Yageo CC1210JKNPO9BN332) на печатную плату FR4 толщиной 1,5 мм (Рисунок 7(д)). Для обеспечения условий согласования по краям были припаяны резисторы сопротивлением 100 Ом модели ERJ6BQF1R0V компании Panasonic. Размеры прототипа составляют 46 х 46 см.

В ходе экспериментального исследования измерялась величина напряжения в узлах прототипа с помощью цифрового мультиметра (Keithley 270). Возбуждение обеспечивалось генератором сигналов произвольной формы (Keithley 3390), подключенного к центру структуры. На Рисунок 7(ж) представлены распределения потенциалов в электрической цепи на различных частотах: fi = 95 кГц, f2 = 110 кГц, f3 = 160 кГц, = 185 кГц и fs = 200 кГц, соответствующих точкам 1-5 на Рисунок 7(е), полученных в численном моделировании и измеренных экспериментально. Как и было предсказано, для частот ниже резонанса распределения в структуре метаматериала имеют эллиптическую форму, а на частотах выше резонанса она становится гиперболической. На частоте топологического перехода возникает плоская

изочастотная кривая, для которой распространение разрешено только в направлении у. Результаты измерений находятся в хорошем согласии с данными численных расчетов.

2.2. Канализация и локализация электромагнитных волн в топологических

метаматериалах

Выше были продемонстрированы возможности канализации электромагнитного поля в гиперболических метаматериалах. Другой метод управления электромагнитными волнами может быть обеспечен в так называемых топологических метаматериалах — структурах, являющихся изолирующими в объеме, а на границе поддерживающих особые типы краевых состояний. Ранее было показано теоретически, что в бианизотропных метаматериалах с идентичными тензорами электрической и магнитной проницаемостей, варьируя параметр бианизотропии, можно добиться открытия запрещенной зоны, внутри которой возникают топологические краевые волны, направление распространения которых связано с поляризацией (левая или правая круговая).

В продолжении этой работы была выполнена первая экспериментальная реализация бианизотропного метаматериала, поддерживающая топологические краевые состояния. Был реализован двумерный метакристалл (Рисунок 8 (а)), имеющий квадратную элементарную ячейку, содержащую линейный проводник и два разомкнутых кольцевых резонатора. Смещение линейного проводника (Рисунок 8(б)) вдоль оси Y обеспечивает изменение параметра бианизотропии, который в симметричном случае равен нулю ввиду симметрии относительно пространственной инверсии. Для несимметричной геометрии ячейки с параметрами: радиус г, длина 1 и периоды Рх и Ру равны соответственно 2,85 мм, 0,5 мм, 7,5 мм, 13 мм и 12 мм, ширины полоска центрального проводника и

разрезанных колец равны соответственно 1 мм и 0,5 мм, было численно продемонстрировано возникновение запрещенной зоны на частотах 8,5-9,2 ГГц (Рисунок 8(г)).

Далее был изготовлен экспериментальный прототип бианизотропного метаматериала (Рисунок 8(в)). Элементарные ячейки были изготовлены на печатной плате Arlon 25N, имеющей sr = 3,38, которая была разделена на прямоугольные сегменты с целью создания квадратной решетки. Для демонстрации свойства топологической защищенности, заключающегося в безотражательном распространении топологических краевых состояний в присутствии дефектов или изгибов границ, изготовленная структура имела зигзагообразную доменную стенку между областями с различным знаком параметра бианизотропии. Для верификации численных расчетов были проведены экспериментальные исследования бианизотропной метаструктуры в безэховой камере. Передающая дипольная антенна располагалась на краю доменной стенки (точка 1, Рисунок 8(д)) структуры, для измерения приемного сигнала использовался магнитный зонд, подключенный к трехкоординатному сканеру ближнего поля, обеспечивающему движение зонда вдоль поверхности прототипа на расстоянии 1 мм. Антенны были подключены к векторному анализатору цепей Agilent E8362C. Распределение магнитного поля (Рисунок 8(е)) показывает возбуждаемую локализованную краевую волну на частоте f = 8,987 ГГц, устойчивую к распространению по искривленной границе, демонстрируя возможность безотражательного распространения электромагнитных волн в бианизотропных метаматериалах.

Еще одна возможность управления электромагнитными полями в метаматериалах обеспечивается при реализации топологической фазы высокого порядка. В топологических структурах высокого порядка, помимо краевых состояний на порядок меньших размеров системы, на границах могут возникнуть локализованные нульмерные состояния — топологические угловые состояния.

Данные особенности расширяют возможности управления электромагнитными полями на субволновых масштабах.

Была разработана топологическая структура высокого порядка на основе решетки Кагоме. Элементарная ячейка решетки представляет собой правильный шестиугольник, содержащий 3 вертикальных диэлектрических цилиндра. Равенство расстояний между ближайшими элементами внутри и между ячейками обеспечивает одинаковое межэлементное взаимодействие, что приводит к возникновению на дисперсионной диаграмме дираковский конус в К-точке зоны Бриллюэна. Сближение (сжатая ячейка) или отдаление (расширенная ячейка) друг от друга элементов внутри ячейки изменяет взаимодействие и приводит к открытию запрещенной зоны на дисперсионной диаграмме (Рисунок 8(ж)). Теоретические расчеты показывают, что расширенная ячейка характеризуется ненулевым топологическим инвариантом и является топологически нетривиальной, в то время как сжатая — нулевым инвариантом (тривиальная). Это означает, что при создании конечной структуры из расширенных ячеек на ее границе возникнут локализованные топологические состояния.

Для верификации теоретических исследований была изготовлена метаструктура треугольной геометрии, имеющая 10 элементарных ячеек на стороне (Рисунок 8(з)), и проведены экспериментальные исследования в микроволновом диапазоне. В качестве подложки использовался экструдированный пенополистирол, обработанный на фрезерном станке для создания периодической структуры. Параметры структуры: период — 24 мм, высота и радиус цилиндров — 20 мм и 6 мм соответственно, диэлектрическая проницаемость ег = 10 и потери 0,0007. Исследуемый объект размещался в плоскопараллельном волноводе и возбуждался дипольной антенной, расположенной под нижним угловым цилиндром структуры (Рисунок 8(з)). Приемная субволновая антенна располагалась в небольшом отверстии на верхней плоскости волновода, которая закреплялась на трехосевом сканере для

измерения ближнего поля. Обе антенны подключались через кабельную сборку к векторному анализатору цепей для определения S-параметров. Результаты измерений распределения ближнего поля показаны на Рисунок 8(л, м), демонстрирующие возникновение в запрещенной зоне топологических краевых (4.27 ГГц) и топологических состояний высокого порядка — угловых состояний (4.63 ГГц). Данные измерений находятся в отличном согласии с результатами численных расчетов, выполненных в программе CST Microwave Studio в частотном решателе (Рисунок 8(и, к)).

Рисунок 8. Геометрия метаатома с бианизотропным откликом, управляемым асимметрией разрезов d1 и d2. (б) Магнитная (верхний подграфик) и электрическая (нижний подграфик) собственные дипольные моды симметричного метаатома. (в) Иллюстрация двумерного метакристалла из

совмещенных метаатомов. (г) Зонная диаграмма фотонного кристалла с бианизотропией (красный) и без неё (зеленый) с учетом подложки. Чёрной линией обозначен световой конус. (д) Фотография экспериментального образца c доменной стенкой, отмеченной белым пунктиром. (е) Двумерная карта интенсивности магнитного поля, иллюстрирующая топологическое краевое состояние. (ж) Зонная диаграмма решетки кагоме для случаев невозмущенной, сжатой и расширенной ячеек, пронумерованных цифрами 1-3, соответственно. (з) Схема экспериментальной установки. Численно рассчитанные двумерные карты распределений электрического поля топологических краевого (и) и углового (к) состояний и соответствующие им измеренные карты

распределения полей (л, м).

2.3. Экспериментальное исследование диэлектрических антенн в СВЧ

диапазоне

Далее было рассмотрено применение высокоиндексных керамических резонаторов для разработки эффективных направленных антенн и управления излучением.

Сначала была предложена и реализована концепция диэлектрических антенн на основе диэлектрических сферических резонаторов. Идея заключалась в следующем: в дополнении к электрическому резонансу, частицы с большим значением диэлектрической проницаемости обладают ярко выраженным магнитным дипольным резонансом, что может обеспечить узкую диаграмму направленности.

Основываясь на данной идее, была реализована антенна Яги-Уда (волновой канал) с использованием высокоиндексных сферических керамических резонаторов. Фотография антенны показана на Рисунок 9(а). Антенна состоит из диэлектрической сферы большего размера, радиуса 5 мм, трех диэлектрических сфер малого размера, радиуса 4 мм (точность изготовления + - 0,05 мм) и активного элемента — полуволновый вибратор (полная длина и диаметр вибратора 19,8 мм и 2,2 мм, соответственно). Большая диэлектрическая сфера (reflector) является рефлектором, три малые сферы играют роль директоров. Резонансные частицы были изготовлены из MgO-TiÜ2 керамики, имеющей диэлектрическую проницаемость sr = 16 и малые потери tgS = (1,12-1,17) *10-4 на частотах 9-12 ГГц. Для скрепления элементов антенны был использован специальный держатель из тонкой диэлектрической подложки. Параметры и относительные расположения элементов антенны выбирались исходя из результатов численного моделирования в CST Microwave Studio, а также дальнейшей масштабируемости и возможности реализации аналогичных структур в оптическом диапазоне.

Так, достижение узкого главного лепестка (около 40 градусов) и подавление обратного рассеяния и боковых лепестков диаграммы направленности антенны было достигнуто при расстоянии между поверхностями директоров 1,5 мм, расстояниях между центром вибратора и поверхностями ближайшего директора и рефлектора 1,5 мм и 1,1 мм, соответственно. Результаты численного моделирования диаграммы направленности антенны в Е- и Н-плоскостях показаны на Рисунок 9(в, г) на частоте 10,7 ГГц. Далее был рассчитан коэффициент направленного действия антенны в Е- и Н-плоскостях (Рисунок 9(д)).

На следующем шаге были проведены экспериментальные исследования рассматриваемой антенны Яги-Уда. Измерения проводились в безэховой камере с использованием рупорной антенны, расположенной в дальней зоне (на расстоянии 3 м), и азимутально-поворотного устройства, на которое устанавливалась исследуемая антенна. Измеренные диаграммы направленности антенны в Е- и Н-плоскостях на частоте 10,7 ГГц показаны крестиками на Рисунок 9 (в, г). Извлеченные из экспериментальных данных коэффициенты направленного действия в Е- и Н-плоскостях в зависимости от частоты представлены на Рисунок 9(е). Данные измерений хорошо согласуются с результатами численных расчетов.

На следующем этапе была предложена и продемонстрирована экспериментально сверхнаправленная диэлектрическая антенна. Общая концепция основана на использовании сферического резонатора с высоким значением диэлектрической проницаемости, имеющего вырез, в который вносится возбуждающая дипольная антенна (Рисунок 9(ж)). В случае цельной сферической частицы на низких частотах отклик определяется мультипольными модами низшего порядка, в то время как вклад мод высших порядков достаточно мал. Вырез нарушает сферическую симметрию и делает возможным резонансное возбуждение мультиполей более высокого порядка, что обеспечивает более высокую направленность антенны.

Керамические сферы радиуса 5 мм были изготовлены из материала MgO -TiO2 (sr = 16 и tg5= (1,12—1,17)* 10-4). Вырез был выполнен в виде полусферы радиуса 2 мм. Длина дипольной антенны L = 1,5 мм, плечи которой соединялись с жилой и оболочкой коаксиальной линии. Исходя из теории Ми, низший (магнитный дипольный) резонанс цельной сферы должен находиться на частоте, близкой к 14 ГГц. С учетом изменения геометрии сверхнаправленность ожидается на более высоких частотах, в районе 16 ГГц.

Было проведено численное моделирование предложенной антенны в CST Microwave Studio. На Рисунок 9(з) показаны результаты расчетов КНД и КПД в зависимости от частоты. КНД имеет максимум (КНДмакс = 11) на частоте 16,4 ГГц, где общий размер антенны близок к 0,38Х. Оптимальные для данной конструкции КПД и КНД достигаются на частоте 16,7 ГГц и равны 10 и 0,8, соответственно.

Для верификации расчетов было проведено экспериментальное исследование антенны. На Рисунок 9(и, к, л) показаны фотографии антенны с различных ракурсов (вид сверху и в перспективе) и общий вид экспериментальной установки. В качестве приемной антенны использовался сверхширокополосный рупор, закрепленный на трехкоординатном сканере, обеспечивающем точность позиционирования. Исследуемая диэлектрическая антенна закреплялась на азимутально-поворотном устройстве с помощью специального держателя из пенополистирола.

Результаты измерений диаграммы направленности антенны в E- и H-плоскостях при симметричном расположении диполя в вырезе, а также данные численных расчетов показаны на Рисунок 9(м, н). Диаграммы направленности в обеих плоскостях представляют собой узкие лучи с шириной главного лепестка около 35°. Экспериментальные значения КНД в E- и H-плоскостях равны 5,9 и 8,4 соответственно. Численные расчеты демонстрируют значения этих величин 6,8 и 8,1 соответственно. Таким образом, результаты измерений находятся в хорошем согласии с данными численного моделирования.

Важно отметить, что в данной конструкции имеется степень свободы положения дипольной антенны относительно оси симметрии резонатора, позволяющая управлять излучением антенны. Было обнаружено, что небольшое смещение вибратора в горизонтальной плоскости Х7 (Рисунок 9 (ж)) приводит к заметному повороту главного лепестка диаграммы направленности антенны без ущерба для направленности. Численная и экспериментальная демонстрация эффекта управления главным лепестком представлена на Рисунок 9 (о, п). Для выбранной геометрии антенны смещение вибратора на 0,5 мм приводит к повороту диаграммы направленности на 10°.

Рисунок 9. (а, б) Фотографии диэлектрической СВЧ-антенны Яги-Уда. (в, г) Диаграммы направленности антенны в (в) Е-плоскости и (г) Н-плоскости на частоте 10,7 ГГц. Линиями обозначены результаты численного моделирования в СБТ; крестами изображены точки, измеренные экспериментально. (д) КНД диэлектрической антенны Яги-Уда в Е- и Н-плоскостях, полученная в численном моделировании в СБТ. (е) Экспериментально измеренная КНД антенны в Е- и Н-плоскостях. (ж) Схема сверхнаправленной антенны на основе диэлектрического резонатора с вырезом. (з) Результат численного расчета КНД

и КПД сверхнаправленной антенны. (и, к) Фотографии изготовленной сверхнаправленной антенны. (л) Экспериментальная установка для измерения диаграмм направленности. (м—п) Экспериментальная (м) и рассчитанная (н) диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях для симметричного расположения диполя на частоте 16,8 ГГц. Результаты эксперимента (о) и численного моделирования (п) сканирования лучом при смещении диполя на

0,5 мм.

2.4. Пассивные КРГО-метки на основе диэлектрических резонаторов

В данном пункте будут продемонстрированы преимущества применения высокоиндексных диэлектриков для улучшения характеристик средств радиочастотной идентификации (Я^ГО). Радиочастотная идентификация — современная и широко используемая технология бесконтактного считывания данных. Одна из классификаций КБГО-устройств заключается в схеме источника питания устройства: активные — со встроенным источником питания; полуактивные (или полупассивные) — тоже с источником питания, но меньшим радиусом действия, чем активные; пассивные — без источника питания. В настоящей работе фокус исследований направлен на пассивные метки.

Принцип работы пассивной Я^ГО основан на безбатарейном носителе информации (метке) и активном считывателе, который инициирует соединение, испуская электромагнитные волны, и обрабатывает данные, закодированные на модулированной с помощью метки обратно рассеянной волне. Одним из преимуществ пассивных Я^ГО-меток является малая стоимость и простота в изготовлении, что обеспечивает их спрос в различных приложениях, например в розничной торговле, где требуется маркировка множества товаров для контроля качества. Однако современные тенденции в миниатюризации устройств наталкиваются на фундаментальные ограничения в эффективности (предел Чу-Харрингтона), что уменьшает радиус действия пассивных RFID-меток. При этом повышение излучаемой мощности считывателя лимитировано международными стандартами. Другими проблемами в реализации эффективных RFID-меток является обеспечение их всенаправленной работы на большом расстоянии, а также зависимость от поляризации падающей волны или, иначе, взаимной ориентации считывателя и метки. Наконец, одной из важнейших проблем является безопасность и защита информации, хранимой в считывателе.

В данной работе показана разрабатываемая новая технология создания миниатюризированных пассивных RFID-меток на основе высокоиндексной керамики, позволяющая преодолеть некоторые из вышеуказанных проблем, а именно: 1) обеспечить всенаправленное действие; 2) повысить дальность действия; 3) защитить информацию и снизить вероятность кражи из дальней зоны. Помимо этого, продемонстрировано несколько интересных приложений RFID для народного хозяйства.

2.4.1. Изотропные RFID-метки

В качестве одного из методов реализации всенаправленных пассивных RFID-меток было предложено использовать структуры, обладающие совмещенными мультипольными резонансами.

Конструкция разработанной изотропной метки изображена на Рисунок 10(а). Она состоит из оптимизированной металлической полоски, форма которой напоминает омега-частицу с дополнительными элементами, контролирующими мультипольный набор частицы, а также согласующие импеданс чипа (коммерческая интегральная схема RFID Impinj Monza 4) в зазоре с самой антенной. Данный чип RFID имеет два характеристических импеданса, которые переключаются во времени, чтобы запечатлеть модуляцию в рассеянном сигнале. Конструкция оптимизирована для работы в диапазоне 860-930 МГц, что соответствует стандарту RFID EPC GEN 2. Для уменьшения размеров RFID-метки она была погружена в керамическую сферу с высоким значением диэлектрической проницаемости.

Структура была спроектирована в программном пакете CST Microwave Studio в частотном решателе (Frequency Domain Solver). Геометрия всей конструкции была оптимизирована для минимизации размеров метки и достижения изотропной диаграммы направленности. Форма керамического

резонатора представляет собой сплюснутый сфероид с параметрами, указанными в Таблица 1. Такая форма обеспечивает конструктивную суперпозицию следующих мультиполей: электрический диполь (Noll) и магнитный квадруполь (Mo21), тем самым реализуя однородную диаграмму направленности по всем направлениям. Полоса пропускания (по уровню -10 дБ) спроектированной метки-антенны составляет 1,6 МГц, что охватывает шесть RFID-каналов по 250 кГц каждый.

Разработанная метка была изготовлена экспериментально, ее геометрические размеры представлены на Рисунок 10(д). Металлическая полоса вырезалась из медного листа (толщиной 0,05 мм), в зазор припаивался RFID-чип. Затем металлический элемент вносился в корпус сплюснутого сфероида, напечатанного на SD-принтере и заполненного внутри керамическим порошком с диэлектрической проницаемостью, равной 9. Сравнение характеристик проводилось с коммерческой RFID-меткой (ALN-9654-FWRW), геометрия которой показана на Рисунок 10(е).

Экспериментальные исследования RFID-меток проводились в сертифицированной безэховой камере. Фотография измерительного стенда представлена на Рисунок 10(б). В качестве считывателя использовался Impinj г2000, работающий в диапазоне частот 865-868 МГц (европейский стандарт).

Метки крепились к азимутально-поворотному устройству, расположенному на расстоянии 1,5 м от считывателя (Рисунок 10(б)). Измерения проводились с угловым шагом 10 градусов и усреднением по времени для уменьшения разброса.

На Рисунок 10(в) и (г) показана мощность принимаемого сигнала как функция угла поворота для трех разных плоскостей (XY, XZ и ZY) для разработанной всенаправленной и коммерческой RFID-меток, соответственно. Из результатов измерений видно, что предложенная конструкция существенно превосходит коммерческий аналог как по соотношению сигнал/шум, так и по направленности действия. Коммерческая метка имеет ограничение работы в

плоскости XY, поскольку работает на дипольном резонансе. Отметим, что в дополнение к этому были исследованы три дополнительных коммерческих метки (CZS9827, Chip — NXP UCODE8; C70PA, Impinj Monza R6; CZS9911, Impinj Monza 4QT), продемонстрировавшие аналогичные результаты. С другой стороны, комбинация электрического диполя и магнитного квадруполя в нашей конфигурации обеспечивает всенаправленную работу метки. Таблица 1 - Параметры всенаправленной метки

Параметр Значение

Главная ось Ох керамического резонатора 25 мм

Главная ось Оу керамического резонатора 25 мм

Главная ось О7 керамического резонатора 18 мм

Диаметр металлического разрезанного кольца 17.7 мм

Длина сложенных проводов 3.4 мм

Т-образная структура 9.5 мм/1.8 мм

Проницаемость керамики ег = 9, tgS = 0.001

Рисунок 10. (а) Схема трёхмерной миниатюрной изотропной КГГО-метки. (б)

Фотография экспериментальной установки в безэховой камере. Сигналы с изотропной (в) и коммерческой (г) меток, полученные КРГО-считывателем (в дБ) в зависимости от угла сканирования в трёх различных плоскостях (XY, XZ и ZY). (д) Геометрия металлической части изотропной метки, соответствующая сигналу (в). (е) Коммерческая ЯТЮ-метка ALN-9654-FWRW, соответствующая сигналу (г). Размеры указаны в миллиметрах. (ж) Принцип работы изотропной

керамической RFID-метки с несколькими ортогональными дипольными модами, возбуждаемыми на смежных частотах. (з) Изотропная керамическая

ЯПО-метка, состоящая из высокоиндексного резонатора в форме параллелепипеда и металлического разрезанного кольцевого резонатора со впаянным ЯТЮ-чипом. Численный расчет спектра амплитуды коэффициента отражения предлагаемой метки. Вставки показывают векторное распределение магнитного поля в центральном сечении резонатора. (и) Фотография экспериментальной установки для измерения предлагаемой ЯРЮ-метки. (к) Сигнал с метки, полученный RFID-считывателем (в дБ) в зависимости от угла сканирования в трёх различных плоскостях (XY, XZ и ZY).

Другим примером реализации всенаправленных пассивных ЯПО-меток послужило использование керамических резонаторов с близко расположенными ортогональными дипольными резонансами. Вместо разработки антенны с квазиизотропной диаграммой направленности на одной частоте предлагается использовать несколько частот, расположенных в диапазоне связи ЯТЮ (одним

из примеров служит диапазон RFID 902-928 МГц, включающий 50 различных каналов по полосе 500 кГц). Это может позволить одновременно получать информацию по разным частотным каналам, исключая взаимодействие считывателей друг с другом.

Геометрия разработанной изотропной метки представляет собой керамический резонатор в виде прямоугольного параллелепипеда с различными, но близкими по величинам длинами сторон (Рисунок 10(ж)). Это обеспечивает возникновение трех ортогональных магнитных дипольных мод на близких частотах, которые попадают в рабочую полосу связи RFID и настроены на соседние каналы. Миниатюрное нерезонансное металлическое разомкнутое кольцо, в зазоре которого находится RFID-чип, помещено в углу диэлектрического элемента для возможности взаимодействия через токи смещения со всеми ортогональными дипольными модами. Всю конструкцию можно поместить внутри пластиковой оболочки, которую можно прикрепить непосредственно к маркированному объекту. Отметим, что совместное использование спектра ортогональных дипольных мод в совокупности позволяет равномерно охватить все пространство и обеспечить работу метки на больших расстояниях.

Структура предлагаемой метки была спроектирована в программном пакете CST Microwave Studio в частотном решателе (Frequency Domain Solver). Геометрия всей конструкции была оптимизирована для возникновения ортогональных мод в диапазоне 902-928 МГц (Рисунок 10(з)) и получения оптимальных характеристик метки, включая дальность считывания и усиление. Здесь отметим, что спектральное пересечение мод может ухудшать эффективность антенны, поэтому были проведены дополнительные параметрические расчеты для нахождения оптимального перекрытия мод. Конечная геометрия антенны, ее характеристики представлены в Таблица 2 -Параметры всенаправленной керамической РЧИД-метки и рассчитанные значения в Таблица 3.

Таблица 2 - Параметры всенаправленной керамической РЧИД-метки

Размеры резонатора (мм) Диаметр кольца d (мм) Радиус проводника кольца w (мм)

Рх ьу р,

28.6 27.5 26.4 16 1

Таблица 3 - Численные характеристики для анализа дальности считывания

Рг Огя РеН Ог Рошт к

1 Вт 30 дБм 4 (лин.) (6 дБи) -20 дБм 0.98 (лин.) (-0.08 дБ) 16.4 м 0.323 м

Далее предложенная концепция была верифицирована экспериментально. Керамический резонатор размерами 28,5 х 27,5 х 27 мм3 был изготовлен из материала ВаЬп2^4012 с диэлектрической проницаемостью 101,52 на частоте 1 ГГц. Нерезонансное медное кольцо с чипом 1трт| Мопга R6 было установлено на вершину керамического резонатора. Для считывания метки и измерения ее диаграммы направленности в трех ортогональных плоскостях использовался считыватель 1трт| Я2000, работающий на частоте 894-928 МГц, с подключенной логопериодической антенной KROKS КМ6-600/6000 с коэффициентом усиления 5,1 дБи на частоте 900 МГц, способная излучать мощность 30 дБм. Отметим, что расширение нижнего предела частот обусловлено необходимостью охватить все три резонанса, один из которых не попадает в стандартный КТГО-диапазон 902-928 МГц из-за небольших погрешностей изготовления (диэлектрической проницаемости и геометрических размеров резонатора).

Измерения проводились в большом спортивном зале (Рисунок 10(и)) для избежания паразитных отражений от стен. Амплитуда принимаемого сигнала измерялась с угловым шагом 10° в плоскостях Х-У, У-2 и Х-7. Результаты измерений на расстоянии 10 м между считывателем и разработанной КТГО-

меткой представлены на Рисунок 10(к), демонстрирующие успешное всестороннее считывание без слепых зон. Дополнительные измерения показали возможность считывания метки на расстоянии 15 м. Однако в данном случае появляются слепые зоны, не позволяющие считывать метку со всех сторон. Отметим, что дальность считывания можно увеличить за счет дополнительной настройки и оптимизации реальных параметров метки, поскольку теоретический предел дальности считывания, рассчитанный по формуле Фрииса, составляет 16 м. Сравнение характеристик разработанной RFID-метки с имеющимися аналогами показало существенное преимущество в дальности считывания (см. Таблица 4 - Сравнение размеров и дальности считывания РЧИД-меток).

Таблица 4 - Сравнение размеров и дальности считывания РЧИД-меток

Описание антенны Размер (мм) Дальность считывани я (м) Всенаправленност ь

Электрически малая сферическая антенна 25 (диаметр) 1.32 Всенаправленная

Электрически малая сферическая антенна 10 (диаметр) No information Всенаправленная

Логоспиральная патч-антенна с двойным заходом витков 28.0 (диаметр) x 3.11 (height) Нет информаци и (-5.65 дБи усиление) Почти всенаправленная

Плоская магнитная петля на металле 38 x 38 x 1.6 5.6 Почти всенаправленная

Электрически малая сферическая антенна в керамической пудре 25 x 25 x 18 1.5 Всенаправленная

Свёрнутая дипольная антенна 110x19x 1.5 0.3 Почти всенаправленная

Диэлектрический резонатор в форме параллелепипеда со спектрально разнесёнными резонансами 28.5 x 27.5 x 27 10 Всенаправленная

2.4.2. Дальнодействующие RFID-метки

В данном пункте были применены высокоиндексные керамические резонаторы для разработки RFID меток с повышенной дальностью считывания. Основной идеей было использование токов смещения на частоте магнитного дипольного резонанса высокоиндексных частиц для управления RFID-чипом.

Общая концепция RFID-метки на основе керамики показана на Рисунок 11 (а). Резонатор представляет собой керамический цилиндр, поддерживающий локализованную магнитную дипольную моду, с совмещенным нерезонансным металлическим разомкнутым кольцом, в зазоре которого находится RFID-чипом. Ближнепольная связь между элементами преобразует токи смещения резонатора в ток проводимости в кольце, инициируя работу чипа, с дальнейшим переизлучением модулированного сигнала. Отметим, что магнитная природа собственной моды резонатора обеспечивает эффективную связь с кольцом по механизму взаимной индукции.

Предлагаемая метка была спроектирована в программном пакете CST Microwave Studio. Параметры конструкций были рассчитаны для возникновения магнитной дипольной моды на частоте 900 МГц (Рисунок 11 (б) в середине частотного диапазона EPCGEN2 RFID стандарта 860-960 МГц) методом параметрического синтеза. Было установлено, что с увеличением диэлектрической проницаемости снижается ширина полосы метки, ввиду уменьшения ее размеров, что согласуется c пределом Чу-Харрингтона, а также понижается амплитуда тока проводимости кольца, что вводит дополнительные требования на цепи согласования. Результатом оптимизации геометрии метки были разработаны и изготовлены 2 метки с параметрами, указанными в Таблица 5.

Таблица 5 - Параметры резонаторов

Резонатор R h ег

1 19 мм 22 мм 80

2 17 мм 20 мм 100

Радиус металлических колец равнялся 11 мм, в зазоры которого припаивались RFID-чипы Impinj Monza 4. Важно отметить, что в метках не присутствуют дополнительные схемы согласования импедансов, несмотря на частотную зависимость импеданса чипа, благодаря сильной индуктивной связи между кольцом и керамическим резонатором и узкому магнитному дипольному резонансу.

Для оценки эффективности разработанной метки были проведены ее экспериментальные исследования в безэховой камере (Рисунок 11 (в)). Результаты сравнивались с данными измерений для трех коммерческих меток (Alien 9662, Impinj HR61 и Impinj E42). В качестве считывателя использовалась антенна Яги-Уда (с согласованием ниже -15 дБ в полосе частот 880-960 МГц и усилением 8,5 дБи). Метки располагались на трехкоординатном сканнере в Е-плоскости антенны и перемещались вдоль ее оси на расстояния от 50 см до 5 м.

На Рисунок 11 (г) продемонстрирована зависимость мощности принимаемого сигнала от расстояния между меткой и считывателем. Максимальное расстояние считывания коммерческих металлических элементов в данной схеме составляет менее 4 м (далее, с увеличением расстояния, сигнал опускается ниже уровня шума считывателя). В то же время предложенная конструкция метки обеспечивает считываемость на расстоянии более 5 метров.

Рисунок 11. (а) Принцип работы миниатюрной дальнодействующей керамической КРГО-метки. Вставка показывает амплитуду магнитного поля на основной моде. (б) Измеренный спектр коэффициента отражения меток с различной величиной диэлектрической проницаемости резонатора. (в)

Фотография экспериментальной установки в безэховой камере. (г) Зарегистрированный сигнал как функция расстояния между меткой и считывателем. На вставке изображены фотографии измеренных коммерческих

меток. (д) Миниатюрная дальнодействующая керамическая ЯПО-метка на металле. (е, ж) Распределения амплитуд напряжённостей (е) электрического и (ж) магнитного полей в плоскости сечения, указанной на (д). (з) Фотография изготовленной керамической метки на металле. (и) Зависимость интенсивности регистрируемого сигнала метки от её взаимного расположения с КРГО-считывателем. (к) Фотография экспериментальной установки для измерения

дальности считывания.

Развитием вышепредложенной концепции стало создание RFID-метки, пригодной для крепления на металлические поверхности (Рисунок 11 (д)). Поскольку метка работает в режиме магнитного диполя, то можно повысить направленность и дальность ее действия путем размещения метки таким образом, чтобы ее магнитный дипольный момент был параллелен металлической поверхности (Рисунок 11 (е, ж)).

Для практической реализации эффективной RFID-метки, пригодной для размещения на металле, была проведена дополнительная оптимизация в CST Microwave Studio для настройки магнитного дипольного резонанса в диапазон 865-868 МГц (Европейский УВЧ RFID диапазон), уменьшения размеров метки, достижения оптимального согласования, а также удобства для конечного потребителя. Последнее, в частности, обеспечивается за счет тонкого пластикового корпуса, напечатанного на BD-принтере. В итоге была выбрана следующая конструкция (Рисунок 11 (з)): керамический резонатор с небольшим токопроводящим разомкнутым кольцом размещается на расстоянии 1 мм над поверхностью металла (что соответствует толщине пластикового держателя). Параметры цилиндрического резонатора: радиус R = 7,3 мм, высота h = 11 мм, диэлектрическая проницаемость sr = 506 при tan5= 4-10-4. Радиус нерезонансного металлического разомкнутого кольца из тонкой медной проволоки Rring = 3,2 мм. Эти параметры соответствуют резонансной частоте магнитной дипольной моды, равной 868 МГц. В зазор кольца был впаян RFID-чип Impinj Monza R6.

Далее были проведены экспериментальные исследования разработанной метки. На первом этапе были проведены измерения диаграммы направленности, измеряемой с помощью антенны Яги-Уда (КУ 7,5 дБ) с подключенным к ней RFID-считывателем. Поворотный стол использовался для изменения угла в азимутальной плоскости между антенной и меткой, прикрепленной к металлическому экрану размером 40*40 см. Амплитуда принимаемого сигнала измерялась с угловым шагом 10°. Результаты показаны на Рисунок 11 (и).

На следующем этапе было проведено исследование дальности считывания в открытом пространстве, теоретическая оценка которой составляла 30 м, с использованием того же оборудования. На Рисунок 11 (к) представлена экспериментальная установка для определения максимального расстояния считывания метки на открытом пространстве. Измерения показали, что максимальная дальность считывания разработанной ЯРЮ-метки, закрепленной на металлическом листе размером 40*40 см, составила 22 м.

На последнем этапе было проведено сравнение разработанной ЯРЮ-метки с известными аналогами дальнодействующих меток для крепления на металле. Преимуществами разработанной метки является наибольшая компактность из имеющихся конструкций, обеспечивающих одну из рекордных дистанций считывания (лишь 2 метки немного превосходят).

2.4.3. КРГО-метки, защищенные от взломов из дальней зоны

В данном пункте продемонстрированы преимущества применения высокоиндексных диэлектриков для повышения безопасности КГГО-устройств. Основной задачей было разработать механизмы защиты от несанкционированных взломов из дальней зоны.

Одной из концепций повышения безопасности была разработка КГГО-метка, способная излучать в дальнюю зону только при поднесении к ней высокоиндексных диэлектриков. Принцип действия показан на Рисунок 12(а). ЯПО-метка экранирована от внешнего пространства металлическим щитом, имеющим отверстие небольшой апертуры, размер которой существенно меньше рабочей длины волны, тем самым препятствуя эффективному прохождению электромагнитного излучения. Активация устройства должна проводиться вручную — буквально, поднесением руки к апертуре устройства. Это становится возможным, поскольку рука состоит на 50-60% из воды, имеющей в диапазоне

частот ЯТЮ диэлектрическую проницаемость более 30. Внесение высокоиндексного диэлектрика обеспечивает увеличение апертуры и, соответственно, передачу электромагнитных сигналов через нее.

Рисунок 12. (а) Концепт защищенной от атак из дальнего поля ЯРЮ-метки. (б) СВЧ ЯТЮ-метка Л7 9662, защищенная металлическим экраном с малой апертурой; защищенная метка с диэлектрическим подслоем (ег = 30); защищенная метка с воксельной моделью человеческой руки вблизи апертуры;

полусфера для интегрирования плотности потока мощности. (в) Интеграл плотности потока мощности для трёх случаев: защищенная метка в свободном пространстве (красная линия); защищенная метка с диэлектрическим подслоем (зелёная линия); защищенная метка с человеческой рукой (синяя линия).

Чёрными звёздами отмечен реализуемый коэффициент усиления соответствующих систем, в которых метка присоединена к согласованному двухполюснику. (г) Фотография экспериментальной установки в безэховой камере. Вставки показывают защищенную метку и считывающую антенну. (д) Зависимость максимальной дальности считывания от размера апертуры. Синие линии соответствуют квадратной апертуре, красные — круглой. Пунктирные

линии показывают дальность без приложения руки, сплошные — с приложенной рукой. Характерная величина ошибки была вычислена по трём измерениям с различными руками, прикрывающими квадратную апертуру.

Для проверки данной концепции были выполнены численное моделирование и оптимизация геометрии и параметров устройства в CST Microwave Studio. Использовалась стандартная UHF RFID-метка (тип AZ 9662),

которая размещалась в центре металлического ящика размерами L = 105 мм, W = 75 мм и h = 40 мм, имеющего на одной из сторон квадратное отверстие 30 х 30 мм (Рисунок 12(б)). Для анализа работы устройства были проведены исследования излучения и приема RFID-метки. При этом рассматривались 3 сценария: 1) нет покрытия отверстия; 2) отверстие, покрытое диэлектрической прокладкой (высота 15 мм, диэлектрическая проницаемость 3); воксельная модель руки.

Для исследования приема структура возбуждалась плоской волной и проводился расчет тока через чип. Для изучения передачи сигналов микросхема заменялась числовым портом, соответствующим комплексным сопротивлением (Alien Higgs 3, Z = 20 - j205 Ом на частоте 900 МГц), и рассчитывался коэффициент усиления и поток мощности через полусферу радиуса 120 мм с центром на апертуре. Радиус выбирался таким образом, чтобы в полусферу вошли ближняя и промежуточные зоны излучения. Результаты расчетов показывают, что внесение диэлектрического объекта увеличивает поток мощности и усиление (Рисунок 12(в)), а также амплитуду тока в режиме приема сигнала. Однако следует отметить, что, поскольку рука имеет более сложную форму и состав, результаты для подкладки показывают большую эффективность. Тем не менее воксельная модель демонстрирует значительное улучшение интегрированного потока мощности, превосходя более чем на порядок результаты сценария без покрытия. Помимо этого, было показано, что активация устройства с помощью руки позволяет увеличить дальность считывания экранированной метки в 5,5 раз для выбранного размера отверстия, а применение диэлектрической прокладки - более чем на порядок.

Далее была проведена верификация численных расчетов. Эксперимент по считыванию проводился в безэховой камере (Рисунок 12(г)). Коммерческая RFID-метка Alien LX-9640 была размещена в центре алюминиевой коробки с отверстием. Параметры структуры соответствовали выбранным значениям в численных расчетах. Считывающее устройство (модель AS3992 LEO)

использовалось вместе с антенной Яги-Уда с четырьмя директорами, обеспечивающими усиление 8 дБи. На Рисунок 12(д) продемонстрированы результаты измерения максимальной дальности считывания экранированной КРГО-метки в зависимости от площади отверстия для сценариев с приложением и без приложения руки. Были протестированы как круглые, так и квадратные отверстия, которые дали практически одинаковые результаты. В дополнение к этому были проведены измерения дальности считывания для трех разных рук для квадратной апертуры фиксированного размера, демонстрирующие несущественные различия в дальности считывания (см. полосу ошибок на Рисунок 12(д)). Анализ полученных экспериментальных данных дает возможность оценить оптимальные размеры отверстия: 1) апертуры площадью менее 2 см2 безопасны, но доступ обеспечивается на небольших расстояниях; 2) отверстие с размерами от 2 до 12 см2 предотвращает кражу информации с расстояния до 70 см и позволяет увеличить дальность считывания авторизованной метки до 2 м; 3) дальнейшее увеличение размера апертуры не дает преимущества против атак в дальней зоне.

В заключение данного параграфа отметим еще одну возможность реализации КГГО-устройства, защищенного от взлома из дальней зоны. Принцип действия метки основан на использовании так называемого анапольного состояния — такая комбинация мультиполей, которая подавляет излучение в дальнюю зону. Используя данное явление, можно обеспечить безопасность без применения специального программного шифрования, а за счет фундаментальных законов природы, при этом реализуя эффективную передачу данных в ближней зоне.

2.4.4. Некоторые приложения КРГО-меток

В данном пункте описаны некоторые дополнительные возможности применения диэлектриков для разработки КГГО-меток.

Одним из примеров приложений является керамическая КГГО-метка, нечувствительная к поворотам в пространстве (Рисунок 13(а)). В основе метки лежит диэлектрический резонатор с высоким показателем преломления, индуктивно связанный с разомкнутым кольцом, имеющим встроенный КГГО-чип. Эта геометрия заключена в пластиковый держатель, напечатанный на 3D-принтере, расположенный внутри тонкой пластиковой оболочки. Держатель был основан на эффекте «неваляшки», обеспечивающем при любом повороте структуры параллельную полу ориентацию плоскости кольца. Габаритные размеры предлагаемой конструкции имели сферическую форму диаметром 55 мм. Стабильное считывание вне зависимости от положения пространственной ориентации метки было экспериментально продемонстрировано на расстоянии считывания в 12 м. Предлагаемые небольшие по размерам и самовыравнивающиеся КГГО-метки с большим диапазоном считывания могут быть чрезвычайно полезны во многих приложениях, включая отслеживание багажа в аэропортах, контроль качества упакованных товаров, логистику, безопасность и многие другие.

Еще одним приложением пассивных RFID-меток может быть удаленный мониторинг появления вредителей (Рисунок 13 (ж)). Для реализации данной идеи предлагается добавлять сахаросодержащие элементы в конструкцию антенны, что делает устройство склонным к деградации в зависимости от изменений окружающей среды. В данной работе ключевым подходом являлось покрытие ЯРТО-меток карамелью. В случае появления насекомых метка является мишенью для их атаки, которая приводит как к ухудшению характеристик антенны,

включая усиление, дальность считывания, так и выходу ее из строя без возможности дальнейшего использования.

Для экспериментальной верификации предлагаемой идеи рассматривались 3 вида антенны (Рисунок 13(з, и)): 1) без карамели; 2) с карамельным «мостом»; 3) с карамельной подложкой. Эксперименты проводились в три этапа (Рисунок 13(к, л)): 1) измерение максимального диапазона считывания для всех изготовленных меток; 2) оставление меток для взаимодействия с насекомыми на открытом воздухе; 3) повторное измерение дальности считывания всех меток. Результаты исследований демонстрируют существенную деградацию характеристик антенн с карамелью, при этом характеристики антенны без карамели оставались на прежнем уровне (Рисунок 13(м)).

Рисунок 13. (а) Концепция метки-неваляшки. Трёхмерная диаграмма направленности метки, выровненной параллельно плоскости земли. Карта амплитуды магнитного поля метки в аксиальном разрезе. Стрелками показано

направление силовых линий. (б) Измеренный параметр Бп изготовленной керамической метки от частоты. Вставка иллюстрирует внутреннее устройство предлагаемой ЯРГО-метки. (в, г) Фотографии экспериментальных установок для измерения предлагаемой (в) и коммерческой (г) меток внутри безэховой камеры.

(д) Измеренная зависимость мощности сигнала метки от её поворота (номера направлений соответствуют вставке к (в)). (е) Измеренная зависимость мощности сигнала от 1шрщ| Н47 в зависимости от угла поворота в ХУ, и 7Х плоскостях. (ж) Принцип дистанционного выявления вредителей с помощью «съедобной» ЯРГО-метки: неповреждённая метка откликается с большого расстояния, а съеденная становится несчитываемой. (з) Исследованные варианты ЯИЭ-меток: цельнометаллическая на подложке из БЯ-4; с карамельной перемычкой; полностью на карамельной подложке. (и) Численное моделирование спектра коэффициента отражения для соответствующих ЯРГО-меток. (к) Фотография экспериментальной установки на открытом воздухе. (л) Фотографии меток с карамельной перемычкой и на карамельной подложке в течение процесса разрушения вредителями. (м) Сравнительная диаграмма дальности считывания неповреждённой (синий цвет) и съеденной (красный цвет) меток.

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ АНТЕНН СВЧ-ДИАПАЗОНА

В данной главе показаны преимущества использования аддитивных технологий — методики создания конструкций путем послойного нанесения материалов (3D-печати) — для реализации электромагнитных устройств. Важной особенностью 3D-печати является относительная простота изготовления сложных объемных структур, из чего, как будет показано далее, можно извлечь выгоду при создании электромагнитных компонент нетривиальной формы, включая антенны и волноводные элементы. Отметим, что стандартные 3D-принтеры способны работать с полимерными элементами, имеющими довольно слабый электромагнитный контраст, а металлические 3D-принтеры в настоящее время остаются чрезвычайно дорогими и сложными в обслуживании устройствами. Для того чтобы обеспечить возможность использования стандартной 3D-печати в области проектирования антенн и СВЧ-устройств, автором были дополнительно внедрены стратегии металлизации, позволяющие избирательно наносить металл в необходимых областях структур различных размерностей.

3.1. Аддитивные технологии для создания планарных антенн

На первом этапе были исследованы возможности аддитивных технологий для реализации двумерных антенн и проведено сравнение их характеристик с устройствами, изготовленными с помощью технологий травления печатных плат.

Существуют различные методы покрытия металлом непроводящих полимеров, одним из которых является гальванический, при котором

осуществляется электрохимическое осаждение металла на материалы с достаточно низкой проводимостью. Для реализации такого материала в 3D-печати необходимо изготовить токопроводящий филамент, где в пластиковые нити добавляются частицы графита (например, имеющийся на рынке проводящий PLA, диаметр 2,85 мм, «Proto-pasta»). Хотя проводимость этого материала недостаточна для практического применения, тем не менее образцы такого пластика могут служить в качестве катодов при гальванической металлизации, что было использовано при изготовлении образцов. Однако следует заметить, что данный проводящий пластик остается в качестве подложки при изготовлении антенн и волноводов и, имея высокие потери, может серьезно ухудшить характеристики устройств. Поэтому для решения данной проблемы был разработан метод удаления проводящего пластика, в результате чего получаются целостные металлические конструкции. Процедура заключалась в следующем: поскольку температура плавления используемых в 3D-печати полимеров составляет около 180-230 °C, а осажденный металл выдерживает такие температуры, то можно произвести выжигание пластика газовой струей, в результате чего полимерный каркас расплавляется, а металлическая конструкция остается автономной. Характеристики, достигаемые в полученном методе, следующие: толщина металлического слоя составляет не менее 0,5 мм, что позволяет модели оставаться свободно стоящей после снятия каркаса; габаритные размеры конструкции могут достигать нескольких десятков сантиметров в любом направлении; шероховатость поверхности менее 0,1 мм; покрытие поверхности достаточно равномерное на всех участках.

Далее, для оценки предлагаемой методики было проведено численное и экспериментальное сравнение характеристик дипольных антенн, используемых в RFID (Рисунок 14), при трех различных конфигурациях: (а) изготовлена с помощью технологии создания печатных плат; (б) изготовлена с помощью 3D-печати без удаления пластика и (в) с удалением пластика выжиганием. Численные расчеты проводились в CST Microwave Studio; эксперименты по

измерению диаграмм направленности и других характеристик были проведены в безэховой камере (Рисунок 14(д)). Анализ результатов показывает значительные преимущества предлагаемой методики, включая наибольшую эффективность излучения (Рисунок 14(г)), существенно меньшие потери,

особенно на высоких частотах.

(a) PCB-based antenna (б) PLA-based antenna (в) Metal antenna

Рисунок 14. (а—в) Фотографии изготовленных антенн: методом химического травления печатной платы БК-4; методом селективной металлизации электропроводящего пластика в окружении РЬЛ; методом селективной металлизации с удалением пластика. (г) Сравнение спектров излучательной эффективности изготовленных антенн: на печатной плате (жёлт.), с подслоем

электропроводящего пластика (зел.), цельнометаллической (фиол.). (д) Фотография экспериментальной установки для измерения антенн в безэховой

камере.

3.2. Аддитивные технологии для создания непланарных (объемных) антенн

На следующем этапе для расширения функциональности электромагнитных устройств были предложены к реализации непланарные геометрические конструкции антенн, которые могут быть относительно просто реализованы с помощью применения аддитивных технологий.

Процедура изготовления, показанная на Рисунок 15, состояла из двух шагов: (а, б) 3D-печать конструкции; (в, г) селективная металлизация

проводящих слоев. Антенны были реализованы на BD-принтере BCN3D Sigma R17 с двойным экструдером, обеспечивающим одновременную печать двух типов материалов: непроводящий пластик PLA (белый или фиолетовый цвета на Рисунок 15(а-г)) и проводящий пластик с графитом (черный цвет). В качестве геометрии подложки из непроводящего пластика была выбрана полусфера для демонстрации возможностей 3D-печати. Далее проводилась гальваническая металлизация проводящих слоев в растворе медного купороса. Для однородного нанесения металла в конструкцию добавлялись вспомогательные проводящие мосты (Рисунок 15(д)), удаляемые по окончании процесса. Общее время металлизации составляло порядка 24 часов, что обеспечивало толщину проводящего слоя 0,7 мм. Далее были экспериментально исследованы электромагнитные характеристики пластиков. С использованием высокотемпературного диэлектрического пробника Keysight 85070D, подключенного к векторному анализатору цепей, были извлечены комплексные значения диэлектрических проницаемостей пластиков из S-параметров в диапазоне 1-10 ГГц (Рисунок 15(е)). Видно, что непроводящий пластик обладает сравнительно низкой диэлектрической проницаемостью с малыми потерями, а пластик с графеном, наоборот, обладает сильной частотной дисперсией проницаемости и высокими потерями. На следующем шаге были изготовлены два типа антенн — спиральная антенна (Рисунок 15(в)) и антенна Яги-Уда (Рисунок 15(г)) — и исследованы их характеристики направленности.

Рисунок 15. (а—е) Фотографии ЗЭ-печатных антенн: (а, в) широкополосная спиральная антенна, (б, г) направленная антенна Яги-Уда, — до и после

металлизации. (д) Схематичное изображение процесса селективной металлизации. (е) Спектр диэлектрической проницаемости напечатанных образцов пластика: непроводящий РЬЛ изображён оранжевым цветом, проводящий — синим; сплошными линиями изображена действительная часть диэлектрической проницаемости, пунктирными — мнимая. (ж—к) Характеристики спиральной антенны: (ж) спектр коэффициента отражения (вставки иллюстрируют диаграмму направленности на избранных частотах в линейном масштабе), (з—к) диаграммы направленности на выбранных частотах (3,5 ГГц, 5,0 ГГц и 7,0 ГГц соответственно) в логарифмическом масштабе. Красные сплошные линии соответствуют результатам численного моделирования, синие маркеры - эксперименту. (л—н) Характеристики антенны Яги-Уда: (л) спектр коэффициента отражения (вставка иллюстрирует диаграмму направленности на основной частоте антенны), (м, н) сравнение

диаграмм направленности на главном резонансе Б11 для численного и экспериментального исследований. Красные сплошные линии соответствуют результатам численного моделирования, синие маркеры отвечают экспериментально снятым точкам.

Она была оптимизирована в программе для численного моделирования CST Microwave Studio для достижения широкополосной работы устройства. На полусферу радиуса 50 мм и толщиной 6 мм оборачивались две длинные (150 мм) металлические спирали толщиной 2 мм, расстояние между которыми также было 2 мм. На Рисунок 15(ж) представлено сравнение численных расчетов и результатов измерения Sn-параметра антенны, демонстрирующее широкополосное согласование по уровню -10 дБ, типичное для такого типа антенн, и диаграмм направленности (Рисунок 15(з—к)) для некоторых частотных точек из диапазона. Максимальное усиление антенны (8,28 дБи) наблюдается на частоте 6,5 ГГц. Результаты демонстрируют отличное согласие друг с другом и являются типичными для спиральных антенн.

На полусферу радиуса 44 мм и высоты 24 мм наносились элементы шириной 3.5 мм. На Рисунок 15(л) представлено сравнение численных расчетов и результатов измерения S11-параметра антенны и диаграммы направленности (Рисунок 15(м, н)) на резонансной частоте (6.5 ГГц), демонстрирующие хорошее согласие.

3.3. Применение генетических и роевых алгоритмов для создания антенн с

помощью аддитивных технологий

В заключение данной главы стоит отметить перспективную возможность применения генетических и роевых алгоритмов для оптимизации топологии антенны с последующим их изготовлением с помощью аддитивных технологий. Была поставлена задача получения антенны с высоким усилением и малыми размерами апертуры. Одним из возможных теоретических решений является использование конструктивной интерференции мультиполей для достижения сверхнаправленности. Данный подход был дополнен множественными резонансами, рассматривая фазированную решетку.

Отправной точкой оптимизации стала конфигурация четырех монополей над металлическим экраном. Преимуществами использования экрана являются как увеличение усиления антенны, так и разделение цепи питания и излучающих элементов. Далее применялись генетические алгоритмы оптимизации и алгоритмы роя частиц, конечным результатом которых стала геометрия антенны, изображенная на Рисунок 16.

На следующем шаге структура была изготовлена с помощью аддитивных технологий (Рисунок 16(а)). Для обеспечения точности изготовления в масштабе 10 мкм использовался 3D-фотополимерный принтер Anycubic Photon Mono X. Полученные элементы впоследствии покрывают электропроводящим лаком с графитовой пылью с размером зерен около 50 мкм. Далее структура помещалась в гальванический раствор (300 г медного купороса, 200 г серной кислоты, 0,1 г тиокарбамида и 0,1 г соли на 1 л раствора) на 1 час, в результате чего она была равномерно покрыта медью. Таким образом, геометрия антенны представляет собой четыре излучающих элемента, размещенных на круглой заземляющей пластине радиуса R = 100 мм. Для синфазного питания элементов решетки был использован делитель Уилкинсона (Рисунок 16(а), внизу).

Далее было проведено экспериментальное исследование характеристик разработанной антенны и проведено сравнение с численным моделированием, учитывающим все геометрические особенности устройства (Рисунок 16(б)). Измерение диаграммы направленности было проведено в безэховой камере. Антенна, подключенная к векторному анализатору цепей Keysight P9374A, устанавливалась на азимутально-поворотное устройство с разрешением 0,1°. К другому концу анализатора цепей присоединялась антенна Вивальди. На Рисунок 16(в) показано сравнение результатов численного расчета диаграмм направленности антенны и экспериментальных данных для частот согласования. Реализованный коэффициент усиления на частоте согласования 3,14 ГГц составляет 14,3 дБи при апертуре порядка 2*Х. Для сравнения, для идеального

параболического отражателя усиление равно 16 дБи, а у реальных стандартных параболических антенн КУ не превышает 13 дБи.

Рисунок 16. Общий вид изготовленной антенны: фотография в латеральной

перспективе и топология двойного делителя Уилкинсона. Вставка иллюстрирует характерный вид поверхности антенны под микроскопом в масштабе с оценкой шероховатости покрытия. (б) Диаграмма направленности изготовленной антенны на основной частоте в предсказании численного моделирования и диаграмма направленности, восстановленная из мультипольного разложения. (в) Измеренные диаграммы направленности на избранных частотах (2,52 ГГц и 3,14 ГГц).

Таким образом, структура демонстрирует высокую направленность и эффективность, сопоставимую с высококачественными параболическими рефлекторами, имея при этом значительно меньшую стоимость и вес. Теоретический анализ демонстрирует когерентный вклад множества резонансных мультиполей при формировании направленного излучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках выполнения работ по диссертационному исследованию получены новые важные фундаментальные и прикладные научные результаты в области радиофизики.

Основные результаты заключаются в следующем:

1. Предложены новые способы реализации субволновых рассеивателей на основе метаматериалов с отрицательными диэлектрической или магнитной проницаемостями. Разработана методика управления рассеянием в субволновых резонаторах на основе метаматериала с отрицательной магнитной проницаемостью за счет изменения частоты магнонного резонанса при помощи света.

2. Продемонстрировано асимметричное обратное рассеяние электромагнитных волн от частиц, обладающих взаимодействующими электрическим и магнитным дипольными резонансами, а также в метаповерхности на их основе. Показана возможность управления асимметрией рассеяния в метаповерхности на основе магнитоэлектрических частиц.

3. Экспериментально продемонстрировано возникновение микродоплеровских гармоник в спектре рассеяния вращающихся субволновых частиц, обладающих электрическими и магнитными дипольными моментами. При этом для магнитоэлектрических частиц наблюдается существенная асимметрия в рассеянии: в спектре прямого рассеяния присутствуют только четные микродоплеровские гармоники, а в спектре обратного — как четные, так и нечетные.

4. Экспериментально продемонстрирован фазовый переход между режимами метаматериала и фотонного кристалла в двумерной периодической структуре из диэлектрических цилиндров для двух сценариев: а) при

изменении величины отношения радиуса цилиндра к периоду решетки и б) при изменении диэлектрической проницаемости цилиндров. Показано, что фазовый переход происходит при изменении взаимного расположения запрещенных зон Ми и Брэгга, при этом фаза фотонного кристалла соответствует условию, когда самая низкая по частоте запрещенная зона является брэгговской, а фаза метаматериала — Ми.

5. Проведены экспериментальные исследования новых способов управления электромагнитными волнами в метаматериалах. В гиперболических метаматериалах продемонстрирован фотонный спиновый эффект Холла, а также показан топологический переход, связанный с преобразованием изочастотного контура — от эллипсоида к двуполостному гиперболоиду. В метаматериалах с топологическим порядком продемонстрированы топологические краевые и угловые состояния.

6. Экспериментально продемонстрирована концепция диэлектрических антенн с использованием Ми-резонансных частиц. Реализованы диэлектрическая антенна Яги-Уда и сверхнаправленная диэлектрическая антенна.

7. Предложен новый подход по созданию пассивных КГГО-меток на основе диэлектрических частиц. Показано, что использование керамики с высоким значением диэлектрической проницаемости и малыми потерями позволяет уменьшить размеры КГГО-меток, увеличить дальность их считывания, обеспечить всенаправленный режим работы, а также повысить их информационную безопасность.

8. Разработаны и экспериментально исследованы новые методики изготовления антенн и СВЧ-устройств с помощью аддитивных технологий. Для создания структур используется 3D-принтер с двойной экструзией с дальнейшей металлизацией одного из филаментов. Предложен метод удаления проводящего пластика (выжигание газовой струей) для достижения целостной металлической конструкции.

Продемонстрирована возможность изготовления непланарных антенных устройств, имеющих преимущества перед их планарными аналогами. Показано применение генетических и роевых алгоритмов для оптимизации топологии антенны с последующим изготовлением с помощью аддитивных технологий.

СПИСОК ОСНОВНЫХ НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ

АВТОРОМ

[1] Kosulnikov S., Filonov D., Boag A., Ginzburg P. Volumetric metamaterials versus impedance surfaces in scattering applications // Scientific Reports. Nature Research, - 2021. - Т. 11, - № 1. - С. 9571. DOI: 10.1038/s41598-021-88421-2.

[2] Dobrykh D., Mikhailovskaya A., Ginzburg P., Filonov D. 4D Optically Reconfigurable Volumetric Metamaterials // physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters. John Wiley & Sons, Ltd, - 2020. - Т. 14, - № 8. - С. 2000159. DOI: 10.1002/pssr.202000159.

[3] Filonov D., Shmidt A., Boag A., Ginzburg P. Artificial localized magnon resonances in subwavelength meta-particles // Applied Physics Letters. AIP Publishing LLC, - 2018. - Т. 113, - № 12. - С. 123505. DOI: 10.1063/1.5047445.

[4] Filonov D.S., Shalin A.S., Iorsh I., Belov P.A., Ginzburg P. Controlling electromagnetic scattering with wire metamaterial resonators // Journal of the Optical Society of America A. Optical Society of America, - 2016. - Т. 33, - № 10. - С. 1910. DOI: 10.1364/JOSAA.33.001910.

[5] Filonov D.S., Slobozhanyuk A.P., Belov P.A., Kivshar Y.S. Double-shell metamaterial coatings for plasmonic cloaking // physica status solidi (RRL) -Rapid Research Letters. - 2012. - Т. 6, - № 1. - С. 46-48. DOI: 10.1002/pssr.201105475.

[6] Yagupov I., Filonov D., Ageyskiy A., Kosulnikov S., Hasan M., Iorsh I. V., Belov P.A. Diamagnetism in wire medium metamaterials: Theory and experiment // Physical Review B. - 2015. - Т. 92, - № 4. - С. 041304. DOI: 10.1103/PhysRevB.92.041304.

[7] Kosulnikov S., Filonov D., Glybovski S., Belov P., Tretyakov S., Simovski C. Wire-Medium Hyperlens for Enhancing Radiation From Subwavelength Dipole Sources // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2015. - T. 63, -№ 11. - C. 4848-4856. DOI: 10.1109/TAP.2015.2479676.

[8] Kapitanova P. V., Maslovski S.I., Shadrivov I. V., Voroshilov P.M., Filonov D.S., Belov P.A., Kivshar Y.S. Controlling split-ring resonators with light // Applied Physics Letters. - 2011. - T. 99, - № 25. - C. 251914. DOI: 10.1063/1.3671617.

[9] Belov P.A., Slobozhanyuk A.P., Filonov D.S., Yagupov I. V., Kapitanova P. V., Simovski C.R., Lapine M., Kivshar Y.S. Broadband isotropic ^-near-zero metamaterials // Applied Physics Letters. - 2013. - T. 103, - № 21. DOI: 10.1063/1.4832056.

[10] Fan B., Filonov D., Ginzburg P., Podolskiy V.A. Low-frequency nonlocal and hyperbolic modes in corrugated wire metamaterials // Optics Express. Optical Society of America, - 2018. - T. 26, - № 13. - C. 17541. DOI: 10.1364/oe.26.017541.

[11] Vendik I.B., Rusakov A., Kanjanasit K., Hong J., Filonov D. Ultrawideband (UWB) Planar Antenna with Single-, Dual-, and Triple-Band Notched Characteristic Based on Electric Ring Resonator // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2017. - T. 16. - C. 1597-1600. DOI: 10.1109/LAWP.2017.2652978.

[12] Filonov D., Kozlov V., Shmidt A., Steinberg B.Z., Ginzburg P. Resonant metasurface with tunable asymmetric reflection // Applied Physics Letters. AIP Publishing LLC, - 2018. - T. 113, - № 9. - C. 094103. DOI: 10.1063/1.5046948.

[13] Kozlov V., Filonov D., Shalin A.S., Steinberg B.Z., Ginzburg P. Asymmetric backscattering from the hybrid magneto-electric meta particle // Applied Physics Letters. AIP Publishing, - 2016. - T. 109, - № 20. - C. 203503. DOI:

10.1063/1.4967238.

[14] Rybin M. V., Kapitanova P. V., Filonov D.S., Slobozhanyuk A.P., Belov P.A., Kivshar Y.S., Limonov M.F. Fano resonances in antennas: General control over radiation patterns // Physical Review B. - 2013. - T. 88, - № 20. - C. 205106. DOI: 10.1103/PhysRevB.88.205106.

[15] Kozlov V., Filonov D., Yankelevich Y., Ginzburg P. Micro-Doppler frequency comb generation by rotating wire scatterers // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. Elsevier, - 2017. - T. 190. - C. 7-12. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2016.12.029.

[16] Filonov D., Steinberg B.Z., Ginzburg P. Asymmetric micro-Doppler frequency comb generation via magnetoelectric coupling // Physical Review B. - 2017. -T. 95, - № 23. - C. 235139. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.235139.

[17] Kozlov V., Kosulnikov S., Filonov D., Schmidt A., Ginzburg P. Coupled micro-Doppler signatures of closely located targets // Physical Review B. American Physical Society, - 2019. - T. 100, - № 21. - C. 214308. DOI: 10.1103/PhysRevB.100.214308.

[18] Scheuer J., Filonov D., Vosheva T., Ginzburg P. Extraordinary broadband impedance matching in highly dispersive media - the white light cavity approach // Optics Express. Optica Publishing Group, - 2022. - T. 30, - № 4. - C. 5192. DOI: 10.1364/OE.443214.

[19] Filonov D., Barhom H., Shmidt A., Sverdlov Y., Shacham-Diamand Y., Boag A., Ginzburg P. Flexible metalized tubes for electromagnetic waveguiding // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. Pergamon, - 2019. - T. 232. - C. 152-155. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2019.05.008.

[20] Filonov D., Kolen S., Shmidt A., Shacham-Diamand Y., Boag A., Ginzburg P. Volumetric 3D-Printed Antennas, Manufactured via Selective Polymer

Metallization // physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters. John Wiley & Sons, Ltd, - 2019. - T. 13, - № 6. - C. pssr.201800668. DOI: 10.1002/pssr.201800668.

[21] Sayanskiy A., Glybovski S., Akimov V.P., Filonov D., Belov P., Meshkovskiy I. Broadband 3-D Luneburg Lenses Based on Metamaterials of Radially Diverging Dielectric Rods // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2017. - T. 16. - C. 1520-1523. DOI: 10.1109/LAWP.2016.2647383.

[22] Burtsev V.D., Vosheva T.S., Bulatov N.O., Khudykin A.A., Ginzburg P., Filonov D.S. Compact High-Gain Volumetric Phased Array Antenna with Genetically Designed Interelement Resonances for 5G Applications // physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters. John Wiley & Sons, Ltd, - 2023. - T. 17, - № 9. - C. 2200497. DOI: 10.1002/pssr.202200497.

[23] Burtsev V.D., Vosheva T.S., Khudykin A.A., Ginzburg P., Filonov D.S. Simple low-cost 3D metal printing via plastic skeleton burning // Scientific Reports. Nature Publishing Group, - 2022. - T. 12, - № 1. - C. 7963. DOI: 10.1038/s41598-022-11430-2.

[24] Burtsev V.D., Vosheva T.S., Prokhorov S.Y., Khudykin A.A., Filonov D.S. Broadband antenna array realization with printed meta-elements and its multipoles spectra // Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications. - 2024. - T. 58. - C. 101215. DOI: 10.1016/j.photonics.2023.101215.

[25] Baryshnikova K., Filonov D., Simovski C., Evlyukhin A., Kadochkin A., Nenasheva E., Ginzburg P., Shalin A.S. Giant magnetoelectric field separation via anapole-type states in high-index dielectric structures // Physical Review B. American Physical Society, - 2018. - T. 98, - № 16. - C. 165419. DOI: 10.1103/PhysRevB.98.165419.

[26] Shishkin I., Baranov D., Slobozhanyuk A., Filonov D., Lukashenko S., Samusev

A., Belov P. Microwave platform as a valuable tool for characterization of nanophotonic devices // Scientific Reports. - 2016. - T. 6, - № 1. - C. 35516. DOI: 10.1038/srep35516.

[27] Savelev R.S., Filonov D.S., Petrov M.I., Krasnok A.E., Belov P.A., Kivshar Y.S. Resonant transmission of light in chains of high-index dielectric particles // Physical Review B. - 2015. - T. 92, - № 15. - C. 155415. DOI: 10.1103/PhysRevB.92.155415.

[28] Hopkins B., Filonov D.S., Glybovski S.B., Miroshnichenko A.E. Hybridization and the origin of Fano resonances in symmetric nanoparticle trimers // Physical Review B. - 2015. - T. 92, - № 4. - C. 045433. DOI: 10.1103/PhysRevB.92.045433.

[29] Hopkins B., Filonov D.S., Miroshnichenko A.E., Monticone F., Alù A., Kivshar Y.S. Interplay of Magnetic Responses in All-Dielectric Oligomers To Realize Magnetic Fano Resonances // ACS Photonics. - 2015. - T. 2, - № 6. - C. 724729. DOI: 10.1021/acsphotonics.5b00082.

[30] Savelev R.S., Filonov D.S., Kapitanova P. V., Krasnok A.E., Miroshnichenko A.E., Belov P.A., Kivshar Y.S. Bending of electromagnetic waves in all-dielectric particle array waveguides // Applied Physics Letters. - 2014. - T. 105, - № 18. DOI: 10.1063/1.4901264.

[31] Krasnok A.E., Filonov D.S., Simovski C.R., Kivshar Y.S., Belov P.A. Experimental demonstration of superdirective dielectric antenna // Applied Physics Letters. - 2014. - T. 104, - № 13. - C. 133502. DOI: 10.1063/1.4869817.

[32] Filonov D.S., Slobozhanyuk A.P., Krasnok A.E., Belov P.A., Nenasheva E.A., Hopkins B., Miroshnichenko A.E., Kivshar Y.S. Near-field mapping of Fano resonances in all-dielectric oligomers // Applied Physics Letters. - 2014. - T. 104, - № 2. - C. 021104. DOI: 10.1063/1.4858969.

[33] Filonov D.S., Krasnok A.E., Slobozhanyuk A.P., Kapitanova P. V., Nenasheva E.A., Kivshar Y.S., Belov P.A. Experimental verification of the concept of all-dielectric nanoantennas // Applied Physics Letters. American Institute of PhysicsAIP, - 2012. - T. 100, - № 20. - C. 201113. DOI: 10.1063/1.4719209.

[34] Miroshnichenko A.E., Filonov D., Lukyanchuk B., Kivshar Y. Antiferromagnetic order in hybrid electromagnetic metamaterials // New Journal of Physics. - 2017. - T. 19, - № 8. - C. 083013. DOI: 10.1088/1367-2630/aa6a33.

[35] Olekhno N.A., Kretov E.I., Stepanenko A.A., Ivanova P.A., Yaroshenko V. V., Puhtina E.M., Filonov D.S., Cappello B., Matekovits L., Gorlach M.A. Topological edge states of interacting photon pairs emulated in a topolectrical circuit. // Nature communications. Nature Research, - 2020. - T. 11, - № 1. - C. 1436. DOI: 10.1038/s41467-020-14994-7.

[36] Li M., Zhirihin D., Gorlach M., Ni X., Filonov D., Slobozhanyuk A., Alu A., Khanikaev A.B. Higher-order topological states in photonic kagome crystals with long-range interactions // Nature Photonics. Nature Research, - 2020. - T. 14, -№ 2. - C. 89-94. DOI: 10.1038/s41566-019-0561-9.

[37] Slobozhanyuk A.P., Khanikaev A.B., Filonov D.S., Smirnova D.A., Miroshnichenko A.E., Kivshar Y.S. Experimental demonstration of topological effects in bianisotropic metamaterials // Scientific Reports. Nature Publishing Group, - 2016. - T. 6, - № 1. - C. 22270. DOI: 10.1038/srep22270.

[38] Shchelokova A. V., Filonov D.S., Kapitanova P. V., Belov P.A. Magnetic topological transition in transmission line metamaterials // Physical Review B -Condensed Matter and Materials Physics. - 2014. - T. 90, - № 11. - C. 1-5. DOI: 10.1103/PhysRevB.90.115155.

[39] Kapitanova P. V., Ginzburg P., Rodriguez-Fortuno F.J., Filonov D.S., Voroshilov P.M., Belov P.A., Poddubny A.N., Kivshar Y.S., Wurtz G.A., Zayats

A. V. Photonic spin Hall effect in hyperbolic metamaterials for polarization-controlled routing of subwavelength modes // Nature Communications. - 2014.

- T. 5, - № 1. - C. 3226. DOI: 10.1038/ncomms4226.

[40] Filonov D.S., Kretov E.I., Kurdjumov S.A., Ivanov V.A., Ginzburg P. Broadband resonant calibration-free complex permittivity retrieval of liquid solutions // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. Elsevier Ltd, -2019. - T. 235. - C. 127-131. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2019.06.020.

[41] Rybin M. V., Filonov D.S., Samusev K.B., Belov P.A., Kivshar Y.S., Limonov M.F. Phase diagram for the transition from photonic crystals to dielectric metamaterials // Nature Communications. Nature Publishing Group, - 2015. - T. 6, - № 1. - C. 10102. DOI: 10.1038/ncomms10102.

[42] Rybin M. V., Filonov D.S., Belov P.A., Kivshar Y.S., Limonov M.F. Switching from Visibility to Invisibility via Fano Resonances: Theory and Experiment // Scientific Reports. - 2015. - T. 5, - № 1. - C. 8774. DOI: 10.1038/srep08774.

[43] Filonov D., Kramer Y., Kozlov V., Malomed B.A., Ginzburg P. Resonant metaatoms with nonlinearities on demand // Applied Physics Letters. - 2016. - T. 109,

- № 11. - C. 111904. DOI: 10.1063/1.4962838.

[44] Slobozhanyuk A.P., Kapitanova P. V., Filonov D.S., Powell D.A., Shadrivov I. V., Lapine M., Belov P.A., McPhedran R.C., Kivshar Y.S. Nonlinear interaction of meta-atoms through optical coupling // Applied Physics Letters. - 2014. - T. 104, - № 1. - C. 014104. DOI: 10.1063/1.4861388.

[45] Rybin M. V., Samusev K.B., Kapitanova P. V., Filonov D.S., Belov P.A., Kivshar Y.S., Limonov M.F. Switchable invisibility of dielectric resonators // Physical Review B. - 2017. - T. 95, - № 16. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.165119.

[46] Yusupov I., Dobrykh D., Terekhina P., Filonov D., Ginzburg P., Rybin M. V.,

Slobozhanyuk A. Quasi-BIC high-index resonators for liquid characterization and analysis // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc., -2023. - T. 123, - № 24. DOI: 10.1063/5.0170786.

[47] Markovich H., Filonov D., Shishkin I., Ginzburg P. Bifocal Fresnel Lens Based on the Polarization-Sensitive Metasurface // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2018. - T. 66, - № 5. - C. 2650-2654. DOI: 10.1109/TAP.2018.2811717.

[48] Chshelokova A. V., Kapitanova P. V., Poddubny A.N., Filonov D.S., Slobozhanyuk A.P., Kivshar Y.S., Belov P.A. Hyperbolic transmission-line metamaterials // Journal of Applied Physics. American Institute of PhysicsAIP,

- 2012. - T. 112, - № 7. - C. 073116. DOI: 10.1063/1.4758287.

[49] Mikhailovskaya A., Shakirova D., Krasikov S., Yusupov I., Dobrykh D., Slobozhanyuk A., Bogdanov A., Filonov D., Ginzburg P. Anapole-enabled RFID security against far-field attacks // Nanophotonics. De Gruyter Open Ltd, - 2021.

- T. 10, - № 17. - C. 4409-4418. DOI: 10.1515/nanoph-2021-0394.

[50] Dobrykh D., Filonov D., Slobozhanyuk A., Ginzburg P. Hardware RFID Security for Preventing Far-Field Attacks // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), - 2022. -T. 70, - № 3. - C. 2199-2204. DOI: 10.1109/TAP.2021.3118846.

[51] Mikhailovskaya A., Yusupov I., Dobrykh D., Krasikov S., Shakirova D., Bogdanov A., Filonov D., Ginzburg P. Omnidirectional miniature RFID tag // Applied Physics Letters. AIP Publishing LLC AIP Publishing, - 2021. - T. 119,

- № 3. - C. 033503. DOI: 10.1063/5.0054740.

[52] Dobrykh D., Yusupov I., Krasikov S., Mikhailovskaya A., Shakirova D., Bogdanov A.A., Slobozhanyuk A., Filonov D., Ginzburg P. Long-Range Miniaturized Ceramic RFID Tags // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2021. - T.

69, - № 6. - C. 3125-3131. DOI: 10.1109/TAP.2020.3037663.

[53] Dobrykh D., Shakirova D., Krasikov S., Mikhailovskaya A., Yusupov I., Slobozhanyuk A., Ladutenko K., Filonov D., Bogdanov A., Ginzburg P. Multipole engineering for enhanced backscattering modulation // Physical Review B. - 2020. - T. 102, - № 19. - C. 195129. DOI: 10.1103/PhysRevB.102.195129.

[54] Dobrykh D., Yusupov I., Ginzburg P., Slobozhanyuk A., Filonov D. Self-aligning roly-poly RFID tag // Scientific Reports. Nature Publishing Group, -2022. - T. 12, - № 1. - C. 2140. DOI: 10.1038/s41598-022-06061-6.

[55] Yusupov I., Dobrykh D., Filonov D., Slobozhanyuk A., Ginzburg P. Miniature Long-Range Ceramic On-Metal RFID Tag // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2022. - T.

70, - № 11. - C. 10226-10232. DOI: 10.1109/TAP.2022.3195551.

[56] Dobrykh D., Solomon I., Barhum H., Kolchanov D.S., Messer O., Sokol M., Drucker A., Socher E., Slobozhanyuk A., Filonov D., Ginzburg P. Caramel UHF RFID Sensors for Pest Monitoring // IEEE Journal of Radio Frequency Identification. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., - 2023. - T. 7. - C. 601-608. DOI: 10.1109/JRFID.2023.3334431.

[57] Dobrykh D., Maksimenko A., Yusupov I., Filonov D., Slobozhanyuk A., Ginzburg P. Resonance cascading in a ceramic tag for long-range omnidirectional radio-frequency identification communication // Physical Review Applied. American Physical Society, - 2023. - T. 20, - № 6. - C. 064022. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.064022.

[58] Yusupov I., Filonov D., Bogdanov A., Ginzburg P., Rybin M. V., Slobozhanyuk A. Chipless wireless temperature sensor based on quasi-BIC resonance // Applied Physics Letters. AIP Publishing LLCAIP Publishing, - 2021. - T. 119, - № 19. - C. 193504. DOI: 10.1063/5.0064480.

СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ

[1] Nikulin A. V., Kosmynin A.N., Burtsev V.D., Prokhorov S.Y., Vosheva T.S., Filonov D.S. Towards phased array antenna operating in Ku-band for satellite communications // Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications. Elsevier B.V., - 2024. - Т. 58. - С. 101216. DOI: 10.1016/j.photonics.2023.101216.

[2] Vovchuk D., Khobzei M., Filonov D., Ginzburg P. Naked eye direction of arrival estimation with a Fresnel lens // Scientific Reports. Nature Research, - 2022. -Т. 12, - № 1. - С. 2479. DOI: 10.1038/s41598-022-06480-5.

[3] S. V.T., O. B.N., D. B.V., A. K.A., S. F.D. Controlling asymmetric reflection of metasurfaces with loss // St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics. - 2022. - Т. 60, - № 3.3. - С. 350-353. DOI: 10.18721/JPM.153.369.

[4] Dobrykh D., Yusupov I., Slobozhanyuk A., Filonov D., Ginzburg P. Compact long-range ceramic RFID tag for on-metal and non-metal applications // 2022 IEEE 12th International Conference on RFID Technology and Applications, RFID-TA 2022. IEEE, - 2022. - С. 94-97. DOI: 10.1109/RFID-TA54958.2022.9923978.

[5] Dmitriev A., Rozenblit A., Porvatov V., Molodtsova A., Puhtina E., Burmistrov O., Filonov D., Souslov A., Olekhno N. Statistical Correlations in Active Matter Based on Robotic Swarms // 2021 International Conference Engineering and Telecommunication (En&T). IEEE, - 2021. - С. 1-3. DOI: 10.1109/EnT50460.2021.9681775.

[6] Zhirihin D., Li M., Gorlach M., Ni X., Filonov D., Slobozhanyuk A., Alu A., Khanikaev A.B. Demonstration of higher-order topological States in photonic

kagome lattice with next-nearest-neighbour coupling // AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics Inc., - 2020. - T. 2300. - C. 020139. DOI: 10.1063/5.0032066.

[7] Dobrykh D., Yusupov I., Krasikov S., Mikhailovskaya A., Shakirova D., Bogdanov A., Slobozhanyuk A., Filonov D. Compact ceramic resonators for RFID applications // AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics Inc., - 2020. - T. 2300. - C. 020023. DOI: 10.1063/5.0031922.

[8] Mikhailovskaya A., Dobrykh D., Slobozhanyuk A., Filonov D., Ginzburg P. Optically switchable scanning antenna // 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems, COMCAS 2019. IEEE, - 2019. - C. 1-4. DOI: 10.1109/COMCAS44984.2019.8958040.

[9] Filonov D., Kolen S., Shmidt A., Shacham-Diamand Y., Boag A., Ginzburg P. Selective Metallization of Graphene-based Polymers for Volumetric 3D-printed Antennas // 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems, COMCAS 2019. IEEE, - 2019. - C. 1-5. DOI: 10.1109/COMCAS44984.2019.8958413.

[10] Zhirihin D., Li M., Filonov D., Ni X., Slobozhanyuk A., Alu A., Khanikaev A.B.B. Experimental observation of high-order topological corner states in 2D photonic Kagome lattice // 2019 13th International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena, Metamaterials 2019. IEEE, - 2019. - C. X492-X494. DOI: 10.1109/MetaMaterials.2019.8900937.

[11] Rybin M. V., Filonov D.S., Samusev K.B., Belov P.A., Kivshar Y.S., Limonov M.F. Fano resonance can make a homogeneous cylinder invisible: theoretical proposal and experimental demonstration // Photonic Crystal Materials and Devices XII / ed. Gerace D. et al. SPIE, - 2016. - T. 9885. - C. 988515. DOI: 10.1117/12.2224441.

[12] Rybin M. V., Filonov D.S., Samusev K.B., Belov P.A., Kivshar Y.S., Limonov

M.F. Transition from photonic crystals to dielectric metamaterials: A phase diagram and the order parameter // Photonic Crystal Materials and Devices XII / ed. Gerace D. et al. SPIE, - 2016. - T. 9885. - C. 98850R. DOI: 10.1117/12.2223721.

[13] Belov P.A., Krasnok A.E., Filonov D.S., Simovski C.R., Kivshar Y.S. Superdirective all-dielectric nanoantennas: Theory and experiment // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Institute of Physics Publishing, - 2014. - T. 67, - № 1. - C. 012008. DOI: 10.1088/1757-899X/67/1/012008.

[14] Slobozhanyuk A.P., Melchakova I. V., Kozachenko A. V., Filonov D.S., Simovski C.R., Belov P.A. An endoscope based on extremely anisotropic metamaterials for applications in magnetic resonance imaging // Journal of Communications Technology and Electronics. Maik Nauka-Interperiodica Publishing, - 2014. - T. 59, - № 6. - C. 562-570. DOI: 10.1134/S1064226914040111.

СПИСОК ПАТЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ АВТОРОМ

1. Dmitri Filonov, Vitali Kozlov, Amir Boag, Pavel Ginzburg, "Method and system for controlling radiation scattering", US 10963766B2, 2017

2. Филонов Д.С. Устройство приёмопередающее и способ его изготовления. Бурцев В.Д., Вошева Т.С., Филонов Д.С. // Изобретение №2770237 от 03.09.2021

3. Филонов Д.С. Радиочастотная метка для идентификации бутылочной продукции. Слобожанюк А.П., Хуршкайнен А.А., Юсупов И.М., Филонов Д.С. // Полезная модель №207014 от 16.10.2020

4. Филонов Д.С. Радиочастотная отражающая поверхность с оптическим управлением лучом для систем телекоммуникации. Бурцев В.Д., Вошева Т.С., Никулин А. В., Филонов Д.С., Худыкин А.А. // Полезная модель №215939 от 08.11.2022

5. Филонов Д.С. Трёхмерная фазированная антенная решётка и способ ее изготовления с применением аддитивных технологий. Бурцев В. Д., Филонов Д. С., Вошева Т. С., Худыкин А. А. // Изобретение №2806407 от 26.07.2022

6. Филонов Д.С. Сверхнаправленная керамическая антенна. Филонов Д.С., Краснок А.Е., Белов П.А. // Полезная модель №161583 от 24.12.2014

7. Филонов Д.С. Защищённый отражатель и способ его изготовления из композита меди и углерода для систем СВЧ диапазона. Бурцев В.Д., Вошева Т.С., Никулин А. В., Филонов Д.С., Худыкин А.А. // Изобретение № 2800487 от 11.11.2022

8. Филонов Д.С. Керамическая метка для радиочастотной идентификации (RFID). Гинзбург П.Б, Филонов Д.С, Михайловская А.А., Добрых Д.А., Юсупов И.М, Слобожанюк А.П., Богданов А.А., Красиков С.Д. // Полезная модель №202633 от 07.10.2020

9. Филонов Д.С. Отражающая поверхность с акустическим управлением отраженной волной для систем телекоммуникаций. Бурцев В.Д., Вошева Т.С.,

Никулин А. В., Филонов Д.С., Худыкин А.А. // Изобретение №2800192 от 24.11.2022

10. Филонов Д.С. Способ и устройство контроля электродинамических характеристик в СВЧ-диапазоне. Бурцев В.Д., Вошева Т.С., Качаун В.С., Прохоров С.Ю., Седов А.П., Филонов Д.С., Худыкин А.А., // Изобретение № 2817527 от 16.04.2024