Анализ результатов моделирования

Анализ полученных частотных зависимостей параметров конструкции

Исследование частотных характеристик волновода с нагрузкой из грибовидного метаматериала производилось с опорой на вышеупомянутую статью [14], где был проведен аналогичный эксперимент. Однако в источнике не были исследованы характеристики метаматериала как нагрузки, а именно: нет зависимостей коэффициента стоячей волны VSWR. Кроме того, не приведены все достаточные параметры конструкции. Точнее, не указывалось расстояние от конца волновода до пластины с метаматериалом. Исследование волновода, плотно прилегающего к нагрузке, нас не интересовало, так как не имело смысла в точности повторять описанный в статье эксперимент. В связи с этим по мимо прочих перед нами встала задача выявления наиболее подходящего значения расстояния.

Эксперимент № 1: Волновод с метаматериалом и без него

Чтобы проанализировать результаты численных экспериментов, требовалось выяснить, как влияет метаматериал на частотные характеристики волновода. Для этого сначала были получены исходные зависимости путем просчета конструкции без грибовидной искусственной периодической структуры (рис. 19). Далее на металлическую пластину был добавлен метаматериал, а сам волновод расположен на заданном расстоянии от нагрузки — 20 мм. Так как изучаемая структура является нагрузкой, то основная интересующая нас характеристика — коэффициент стоячей волны, который в режиме согласования должен принимать значения, близкие к 1, то есть находиться в пределах 1…1,2 (1,5). В данном эксперименте и во всех дальнейших будут приводиться графики двух параметров: VSWR (коэффициента стоячей волны по напряжению) и S₁₁ (коэффициента отражения во входной линии при согласовании выходной линии при прямом направлении передачи), который аналогичен ранее приведенному коэффициенту отражения Г_н.

По графику коэффициента стоячей волны (рис. 20) видно, что в целом конструкция не обеспечивает согласования во всей полосе частот, потому что минимальное значение VSWR, полученное при расчетах, составляет VSWR =2,3 на частоте F=13,75 ГГц в случае наличия метаматериала на металлической пластинке. Но даже такое значение слишком велико и говорит о существовании отраженной волны в волноводе, что не удовлетворяет поставленным задачам. Для сравнения: минимальное значение VSWR для волновода, обращенного к пустой стенке, составляет 3,427 на частоте F= 10 ГГц.

Рисунок 20 График зависимости коэффициента стоячей волны (VSWR) от частоты (F) для структуры без метаматериала (Without) и с расположенными на пластинке грибовидными элементами (Mushrooms).

На рис. 21 приведены зависимости коэффициента отражения S₁₁, из которых видно, что максимальное затухание на резонансных частотах 10 и 13,75 ГГц для конструкции без метаматериала и с ним составляет -5,238 и -8,09 дБ соответственно.

Рисунок 21 График зависимости коэффициента отражения (S11) от частоты (F) для структуры без метаматериала (Without) и с расположенными на пластинке грибовидными элементами (Mushrooms).

В итоге по результатам эксперимента 1 видно, что добавление грибовидного метаматериала в качестве нагрузки волновода изменяет частотные характеристики структуры, но полосы согласования получить не удается. Значит, нужно усовершенствовать конфигурацию устройства.