Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 – «Телекомунікації та радіотехніка» – кафедра радіотехніки та інформаційної безпеки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2021.
Метаматеріали є об’єктом досліджень широкого кола науковців, оскільки вони відкривають ряд можливих застосувань завдяки своїм неприроднім властивостям у широкому діапазоні частот від радіохвильового до оптичного та вище. Ряд існуючих радіотехнічних пристроїв можуть бути вдосконалені чи повністю замінені шляхом впровадження метаструктур та метаатомів за рахунок того, що їх розміри набагато менші, ніж довжина хвилі, на якій функціонує пристрій. Тому, метою дисертаційної роботи є розширення функціональних можливостей вузлів засобів зв’язку на основі кільцевих резонаторів для фільтрування, модуляції/демодуляції гармонічних та детерміновано хаотичних сигналів для їх передавання через структури із паралельних провідників у широкому суб-ГГц та ГГц діапазонах частот.
Для досягнення мети було поставлено ряд задач, що включають розроблення та дослідження способів та методів модуляції та демодуляції аналогових і цифрових сигналів, а також дослідження передавання гармонічних сигналів через структури із паралельних провідників, рішення яких включають використання μ- та ε-негативних метаструктур, що представляють собою штучностворені матеріали, властивості яких не зустрічаються в природніх матеріалів та характеризуються від’ємними значеннями діелектричної та магнітної проникностей.
У процесі досліджень показано методику як правильно визначати робочий діапазон частот кільцевих резонаторів навантажених варакторним діодом через S-параметри та як вибирати значення частоти носійного коливання. Носійне коливання подається до РКР через додаткову магнітну рамкову антену, що взаємодіють через сильне близьке магнітне поле. Коливання, що виникають в контурі РКР під впливом зовнішньої змінної напруги (тобто неперервно змінного інформаційного сигналу) на варакторному діоді, є амплітудно-модульованими на заданій частоті носійного сигналу. Таким чином, шляхом подачі на магнітну рамкову антену ВЧ сигналів у широкому діапазоні частот можна визначити діапазон частот, де магнітна взаємодія є найбільшою. У процесі досліджень такий діапазоні становив Δf = fmin…fmax = 0,95…1,11 ГГц для зміні значення напруги, що прикладається до варакторного діоду ΔU = Umin…Umax = ₋4,0…3,0 В.
Реалізацію пристрою маніпуляції цифрових сигналів здійснено на основі модифікації лінії передавання ВЧ сигналів кільцевим резонатором. Кільцевий резонатор розміщений у зоні сильної близько-польової взаємодії із лінією передавання та у випадку передавання через неї сигналу, значення частоти якого співпадає зі значенням частоти резонансу РКР, вхідний ВЧ сигнал фільтрується та не може бути детектований на виході пристрою. На частотах відмінних від частоти резонансу РКР сигнали можуть передаватись через лінії передавання, оскільки значення амплітудно-частотної характеристики близькі до 0 дБ. Амплітудно-частотна характеристика сигналу є подібною до відповідної характеристики режекторного фільтру.
У роботі запропоновано та досліджено пристрій із загальними розмірами 30 на 22 мм. У процесі компютерного моделювання показано можливість перемикання між різними значеннями ємностей. За допомогою розподілів значень градієнту магнітного поля продемонстровано взаємодію між лінією передавання та РКР на частоті резонансу – 635 МГц та на частоті відмінній від резонансу – 800 МГц. Видно, що на частоті резонансу збуджуються коливання РКР та здійснюється фільтрування сигналу, що передається від передавального порту через лінію звязку (на приймальному порті відсутній сигнал, тобто здійснюється передавання біту «0»), та навпаки.
На основі експериментальних досліджень було показано два принципи реалізації on/off-перемикання: шляхом перемикання двох ємностей за допомогою біполярного транзистора та оптичним шляхом за допомогою перемикання значення ємності варакторного діоду.
У роботі запропоновано використовувати таку структуру для передавання декількох сигналів одночасно по паралельних помірках СПП, при чому сигнали, що передаються, можуть займати широку смугу частот. Дослідження показали можливість реалізації такого пристрою у діапазонах суб-ГГц (від 0,45 до 0,8 ГГц) та ГГц (від 1 до 2 ГГц) частот.
У дисертаційній роботі приведено та досліджено принципи модуляції аналогових та цифрових сигналів, а також запропоновано та досліджено структуру, що уможливлює передавання декількох таких сигналів одночасно по паралельних комірках СПП у широкому діапазоні частот.
Ключові слова
Метаматеріали, розрізний кільцевий резонатор (РКР), структура із паралельних провідників (СПП), амплітудна модуляція, цифрова маніпуляція, фільтрація, аналогові та цифрові сигнали, широкий діапазон частот.
