Описание научного проекта группы 2021–2022 гг.

Устройства электродинамики и микроволновой электроники, которые реализуются на основе линий передачи с распределенными параметрами – волноводных, коаксиальных, микрополосковых и др., а также в виде комбинированных и гибридных устройств с распределенными и сосредоточенными элементами, находят широкое применение в современных системах связи, радиолокации и радио-мониторинга. Среди них особо следует выделить устройства электродинамики, выполненные на основе периодических и нерегулярных замедляющих систем. Закономерность интереса к таким структурам объясняется тем, что их применение, благодаря резонансным явлениям в диэлектриках с большой диэлектрической проницаемостью и эффекту замедления электромагнитных волн, позволяет создавать новые микроволновые устройства с габаритными размерами, значительно меньшими рабочих длин волн, обладающие улучшенными электрическими характеристиками и низкой стоимостью.

Заметное улучшение параметров электродинамических устройств можно получить, используя в их конструкциях проводники в виде микрополосковых спиральных, меандровых, штыревых, лестничных и т.п. периодических замедляющих систем, а также керамические подложки и слои с высокими значениями диэлектрической и (или) магнитной проницаемости. Габаритные размеры таких устройств могут быть уменьшены практически прямо пропорционально величине коэффициента замедления без заметного ухудшения их добротности. Еще более значительного улучшения характеристик подобных устройств можно достичь при криогенных температурах с использованием явления высокотемпературной сверхпроводимости.

Другой важной тенденцией развития современных микроволновых устройств является расширение количества их функций при меньших массогабаритных показателях и стабильных электрических параметрах и характеристиках. Главным направлением этой тенденции является переход от традиционной двумерной компоновки элементов и конструкции печатной платы – к трехмерной. Применение многослойной технологии позволяет повысить функциональную плотность устройств в сочетании с низкой стоимостью, высокой надежностью и хорошей воспроизводимостью. На современном этапе проектирование микроволновых устройств осуществляется на базе фторопластовых или, более перспективных, керамических материалов, представляющих собой многослойные структуры, выполненные с использованием технологий высокотемпературного HTCC (High Temperature Co-fired Ceramics) или низкотемпературного LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) обжига, а также технологии объемной системной миниатюризации и соединений VSMI(Volumetric System Miniaturization and Interconnection Technology).

В последние годы рядом отечественных и зарубежных фирм проявлен интерес к исследованиям и разработкам микроволновых устройств и антенн на метаматериалах – искусственных периодических структурах с модифицированными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости, позволяющих обеспечивать управление законами распространения и дисперсии электромагнитных волн. Применение композитных высокоимпедансных поверхностей метаматериалов позволяет использовать их для создания новых малогабаритных устройств микроволнового диапазона различного функционального назначения.

В настоящее время исследованиями, разработками и изготовлением элементов, узлов и модулей устройств электродинамики и микроволновой электроники занимается большое количество зарубежных компаний и фирм, среди которых следует выделить DuРont, Kyocera, NEC, Hitachi, Fujitsu, Matsushita, IBM, NGK, Toshiba, Murata и др. Из наиболее интересных отечественных производителей необходимо отметить исследования и разработки, проводимые в ОАО «Российские космические системы» - ФГУП «РНИИ КП», СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи» (РНИИРС), СГТУ им. Ю.А.Гагарина, НПП «НИКА СВЧ» (г.Саратов), концерн «Созвездие» (г.Воронеж) и др.

Результаты планируемого исследования могут быть использованы в различных областях науки, техники и промышленного производства, в России и за рубежом. 

Цель и задачи данного исследования

Целью данного исследования является поиск оригинальных научно-технических и проектных решений в области радиофизики и электроники на основе на изучения электродинамических параметров и характеристик частотно-селективных резонаторных структур на метаматериалах и замедляющих системах для устройств терагерцевой электроники, интернета вещей (IoT, IIoT) и киберфизических систем.

В ходе выполнения проекта будут решены следующие основные научно-технические задачи:

• анализ известных физических особенностей, конструкций и технологий для частотно-селективных приборов и устройств микроволновой и терагерцевой электроники, интернета вещей (IoT, IIoT) и киберфизических систем на основе структур с метаматериалами и замедляющими  системами, их преимуществ, недостатков и тенденций дальнейшего развития;
• исследование возможностей создания комбинированных и гибридных устройств с габаритными размерами, значительно меньшими рабочих длин волн, обладающих улучшенными электрическими характеристиками и низкой стоимостью;
• аналитические расчеты и компьютерное моделирование для исследования параметров и характеристик современных мобильных и нательных антенных и ректенных систем на основе микрополосковых электродинамических структур на однослойных и многослойных печатных и гибких подложках;
• компьютерное моделирование волноводных систем (развязывающих и режекторных фильтров, оконечных нагрузок, рупорных излучателей) с магнитными стенками на основе структур с модифицированными грибовидными метаматериалами;
• компьютерное моделирование гибких нательных и носимых чувствительных элементов измерительных преобразователей на основе структур с модифицированными грибовидными метаматериалами;
• компьютерное моделирование интеллектуальных RFID-систем на основе антенных структур с различной поляризацией;
• экспериментальные исследования макетов разработанных микроволновых частотно-селективных устройств и сравнение полученных характеристик с результатами аналитических расчетов и компьютерного моделирования.