Романов Н.А.   Номоев А.В.   Сызранцев В.В.   Хартаева Э.Ч.   Батуева Е.В.   Атутов Е.Б.  

Моделирование патч антенны на основе жидких кристаллов с допированными наночастицами

Reporter: Номоев А.В.

Потребности глобального рынка в сетях беспроводной передачи данных, быстрое развитие и внедрение стандартов 5G, а также технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) обуславливают переход от  тандартных антенн, таких как, Яги-Уда или диполей к фазированным антенным решеткам ФАР. Такие антенны состоят из массива антенн: щелевых, спиральных, диэлектрических стержневых, рупорных, и др. Для ФАР фаза каждого элемента адресно варьируется для формирования нужной диаграммы направленности. Существенным ограничителем массового внедрения ФАР являются стоимость системы управления фазой единичного элемента антенны, которая чаще всего выполняется на основе фазосдвигающих цепей или фазовращателей [1, 2]. Высокими характеристиками обладают устройства, в которых фаза сигнала регулируется полупроводниковыми элементами. Однако их возможности применения в диапазоне гигагерц ограничены либо недостижимыми свойствами материалов, либо очень высокими магнитными полями. Альтернативным способом управления фазой отдельных элементов является применение в ФАР материалов, диэлектрическая проницаемость которых зависит от внешнего поля [3, 4], в частности жидких кристаллов. Жидкие кристаллы имеют сильную анизотропию формы, что обуславливает отличие их диэлектрических свойств в разных пространственных направлениях. Под действием внешнего  лектрического или магнитного полей жидкие кристаллы могут принимать выбранную ориентацию, что по сравнению с механическим перемещение рабочей области антенны существенно увеличивает скорость работы фазированной антенной решетки. Фазированные антенные решетки могут быть синтезированы для любой области электромагнитного спектра, поскольку свойства жидких кристаллов хорошо изучены для разных частотных диапазонов: радиоволнового [5], терагерцового [6] и оптического [7]. И хотя в низкочастотном диапазоне устройства на основе ЖК могут уступать ФАР на основе полупроводников и сегнетоэлектриков, но в диапазоне ГГц и ТГц они могут их значительно превзойти. В первую очередь за счет низких величин управляющего поля, а во вторых, за счет увеличения анизотропии электромагнитных свойств в этом диапазоне. Например, при изменении частоты поля из ГГц в ТГц обычный коэффициент преломления изменяется с 1.6 до 1.5. Дополнительной возможностью для управления свойствами устройств на основе ЖК является возможность диспергирования в них магнитных наночастиц, что может увеличить значение как диэлектрической проницаемости, так и анизотропии. В работе [8], например, диспергация наночастиц Fe3O4 в нематические жидкие кристаллы привела к увеличению ε_⊥ с 4.85 до 11.3, а ε_(||) с 5.31 до 11.9 при росте массовой концентрации с 0 до 10%. Кроме этого, наличие магнитных наночастиц  может изменить частотные характеристики ЖК, а также корректировать исходное направление ЖК [9], если процесс полимеризации проводить в магнитном поле.

В данной работе проведено моделирование патч-антенны на основе жидких кристаллов в диапазоне ГГц и проверена вариация частотного диапазона антенны после диспергации ЖК наночастицами Fe3O4 и  композитными наночастицами. Наночастицы магнетита и композитные янус-подобные получены методом лазерной абляции. При испарении образца в потоке кислорода использовался мощный СО2 — лазер (Trumpf (Германия)) непрерывного действия с мощностью — 2 кВт, диаметром пучка — 0,2–0,3 мм. Для заданных параметров диэлектрической проницаемости нематических жидких кристаллов марки 5CB в частотном диапазоне ~ 1.5 ГГц было проведено численное моделирование излучения антенны и управления ее фазой. Для двух ориентаций жидких кристаллов были получены диаграммы направленности излучения антенны, частотные зависимости амплитуды и фазы сигналов, коэффициенты усиления сигналов. Также было проведено численное моделирование жидких кристаллов с добавлением магнитных частиц; для такого случая резонанс антенны сильно смещается в сторону длинных волн. Для заданных параметров диэлектрических и магнитных проницаемостей спектральное смещение резонанса происходит в широкой полосе частот, что позволяет построить эффективную фазированную антенную решетку.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №18-79-10143.

Литература

1. Malczewski, A., et al. "X-band RF MEMS phase shifters for phased array applications." IEEE Microwave and Guided

Wave Letters 9.12 (1999): 517-519.

2. Вендик, И. Б., et al. "Фазовращатель для отражательной антенной решетки." Электромагнитные волны и

электронные системы 11.12 (2006): 63-69.

3. Liu, L., and R. J. Langley. "Liquid crystal tunable microstrip patch antenna." Electronics Letters 44.20 (2008): 1179-1180.

4. Беляев, Б. А., et al. "Управляемый сверхвысокочастотный жидкокристаллический фазовращатель." Письма в

Журнал технической физики 34.11 (2008): 19-28.

5. Pandey, Kamal Kumar, et al. "UV response on dielectric properties of nano nematic liquid crystal." Results in physics 8

(2018): 1119-1123

6. Vieweg, Nico, et al. "Molecular properties of liquid crystals in the terahertz frequency range." Optics express 18.6 (2010):

6097-6107

7. Shen, Yuan, and Ingo Dierking. "Perspectives in liquid-crystal-aided nanotechnology and nanoscience." Applied

Sciences 9.12 (2019): 2512.

8. A. Maleki, M.H. Majles Ara & F. Saboohi (2017) Dielectric properties of nematic liquid crystal doped with Fe3O4 nanoparticles, Phase Transitions, 90:4, 371-379, DOI: 10.1080/01411594.2016.1201821


To reports list