CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

SADRŽAJ

U ovom radu su prikazani razvoj i karakteristike metamaterijala, posebno onih sa negativnim efektivnim parametrima koji imaju najveću potencijalnu primenu u bežičnim komunikacionim sistemima. Prikazani su i najznačajniji domaći rezultati koji su privukli pažnju međunarodne naučne javnosti.

1. UVOD

Metamaterijali su veštačke periodične strukture čije elektromagnetske osobine zavise od oblika i rasporeda periodičnih elemenata ubačenih u osnovni materijal, a ne od hemijskog sastava samog materijala. Dimenzije jediničnih ćelija od kojih se sastoje metamaterijali su znatno manje od talasne dužine, reda desetine talasne dužine, tako da se na metamaterijale može primeniti kvazistatička analiza i koncept efektivnog medijuma. Metamaterijali se mogu posmatrati kao homogene sredine sa efektivnim parametrima - efektivnom permitivnoćšću i efektivnom permeabilnošću. Pažljivim izborom oblika i geometrijske raspodele jediničnih ćelija, efektivni parametri se mogu učiniti proizvoljno velikim ili malim, ili čak negativnim. Zahvaljujući svojoj strukturi, metamaterijali poseduju elektromagnetske osobine kakve se ne mogu pronaći u prirodi.

Posebnu vrstu metamaterijala predstavljaju takozvani dvostruko-negativni ili left-handed (LH) metamaterijali (MTM), koji u određenom frekvencijskom opsegu pokazuju i negativnu permitivnost i negativnu permeabilnost. Prvu teorijsku analizu fundamentalnih osobina LH-MTM dao je ruski fizičar Victor Veselago još 1967. godine [1]. Veselago je predvideo jedinstvene elektromagnetske osobine LH medijuma i pokazao da je moguće prostiranje elektromagnetskih talasa u takvom medijumu, ali sa negativnom konstantom prostiranja. Energija bi se prostirala od izvora, ali bi talasni frontovi putovali u suprotnom smeru. Kao posledica ovoga, vektori električnog i magnetskog polja bi sa vektorom prostiranja talasa formirali trojku po pravilu leve ruke, tako da su ovi materijali i dobili naziv left-handed. Kod LH-MTM fazna i grupna brzina su istog pravca ali suprotnog smera, što uzrokuje da je indeks prelamanja negativan.

Fenomeni klasične fizike kao što su Doplerov efekat, Vavilov-Černikovljevo zračenje, Snelov efekat, fokusiranje sočiva i Gos-Henkelov efekat se „obrću“. Na Slici 1 je prikazan efekat promenjenog Snelovog zakona na primeru LH-sočiva.

Prva eksperimentalna potvrda Veselagovih teorijskih istraživanja desila se tek 30 godina kasnije, kada je Pendry projektovao prvi geometrijski uzorak koji pokazuje negativnu permitivnost na mikrotalasnim učestanostima [2]. Tri godine kasnije, isti autor predložio je i uzorak koji je nazvan prekinuti prstenasti rezonator (split-ring rezonator) SRR, koji daje negativnu permeabilnost [3]. Superpozicijom ova dva uzorka Shelby, Smith i Shultz su 2000. godine napravili prvi LH-materijal i izmerili negativan ideks prelamanja [4]. Na Slici 2. je prikazan izgled prvog LH-materijala.

Slika 1. Prelamanje kod LH-sočiva - direktna posledica promenjenog Snelovog zakona.

Slika 2. Prvi LH MTM koji se sastoji od paralelnih metalnih traka na jednoj strani supstrata i split-ring rezonatora na drugoj strani [4].

Nakon ovoga, veliki broj istraživača u svetu je počeo da proučava osobine i mogućnost primene LH MTM [5], [6].

Pošto se negativna permitivnost i permeabilnost kod ovih struktura javlja zahvaljujući rezonantnoj prirodi jediničnih ćelija, LH MTM ovog tipa se u literaturi nazivaju rezonantnim metamaterijalima.

Sredinom 2002. godine, tri grupe istraživača su istovremeno predložile novi nerezonantni pristup za projektovanje LH MTM, koji se zasniva na konceptu dualnih vodova (dual transmission line, dual TL) [7], [8], [9]. Ovaj pristup omogućava projektovanje struktura koje imaju istovremeno malo uneseno slabljenje i širok opseg učestanosti u kome se javljaju negativni efektivni parametri, za razliku od rezonantnih struktura koje su uskopojasne i sa većim slabljenjem.

Glavni cilj istraživanja u oblasti metamaterijala je dalja minijaturizacija i poboljšanje karakteristika jediničnih ćelija, konstrukcija izotropnog 3D-MTM kao i razvoj metamaterijala u optičkom domenu.

2. TEKUĆE STANJE ISTRAŽIVANJA U SVETU

Poslednjih godina oblast metamaterijala je doživela ogromnu ekspanziju u svetskim razmerama, što pokazuje i eksponencijalni rast broja radova objavljenih iz ove oblasti.

Evropska komisija je počela da finansira istraživanja u ovoj oblasti još u Okvirnom programu 5 (FP5) kroz projekte u okviru ICT programa(Information Communication Society). U okviru FP6, istraživanja u ovoj oblasti su finansirana kroz Mrežu izvrsnosti „Metamorphose“ (Network of Excelence, NoE) u okviru NPM programa (Nanotechnology and nanosciences, knowledge-based multifunctional materials and new production processes and devices) [10]

U okviru ICT radnog programa 2007-2008, istraživanja u oblasti metamaterijala su uvrštena u cilj ICT-2007.3.5. [11]. Očekuje se da će ovakva inicijativa u kratkom ili srednjem periodu probuditi interes industrije za širu primenu metamaterijala. Zaključeno je da istraživanja u ovoj oblasti mogu veoma mnogo da doprinesu bržem razvoju bežičnih i satelitskih komunikacionih sistema, radarskih sistema, mikroskopije, fotolitografije, optičkih memorija i imidžinga.

Međutim, metamaterijali su već ušli u industriju prema najnovijim istraživanjima u Toyota Central R&D Labs [12]. U Toyoti se razvijaju elektronski skenirane LH leaky-wave antene (LWA) za automobilske radare na milimetarskom opsegu (76GHz do 77GHz), kod kojih se skeniranje vrši bez varikap dioda i faznih pomerača.

2.1. Rezonantni pristup

Rezonantni pristup je zasnovan na korišćenju split-ring rezonatora (SRR) koji pokazuju negativnu permeabilnost u blizini rezonantne učestanosti, kada se pobude aksijalnim magnetskim poljem i komplementarnih split-ring rezonatora (CSRR), koji pokazuju negativnu permitivnost pri pobudi aksijalnim električnim poljem. Ovi rezonatori su prikazani na Slici 3.

Slika 3. Rezonatori sa negativnim efektivnim parametrima: (a) SRR sa m<0 , (b) CSRR sa e<0.

Zbog svojih malih dimenzija, ova dva elementa mogu da se tretiraju kao elementi sa kvazi-koncentrisanim parametrima. Iako pokazuju negativne efektivne parametre u veoma uskom opsegu, ovi rezonatori su privukli veliku pažnju, kako inženjera tako i fizičara, i korišćeni su u brojnim realizacijama mikrotlasnih kola.

Kada se SRR i CSRR spregnu sa klasičnim mikrostrip vodom ili koplanarnim talasovodom (CPW), dobijaju se filtri nepropusnici opsega, zato što je struktura jednostruko negativna (single negative, SNG). Da bi se pomoću ovih rezonatora realizovao LH vod koji ima karakteristiku filtra propusnika opsega, potrebno je pri sprezanju sa klasičnim vodovima dodati još jedan elemenat, koji u istom opsegu pokazuje negativnu permitivnost ili permeabilnost, zavisno da li se koristi SRR ili CSRR.

Na Slici 4. prikazan je LH vod je realizovan pomoću SRR koji se nalaze na jednoj strani podloge, dok je na drugoj strani CPW vod koji je periodično kratkospojen, tako da se ponaša kao medijum sa negativnom permitivniošću [13]. Izmerene karakteristike pokazuju da je dobijen filtar propusnik opsega na oko 6GHz, sa unesenim slabljenjem od 2dB i sa veoma strmom donjom ivicom propusnog opsega. Efektivni parametri ovog voda, mi esu realni i negativni u propusnom opsegu.

Slika 4. LH vod sa SRR: izgled štampanog kola (crno je metalizacija sa gornje strane, a sivo sa donje strane podloge) i odziv sa propusnim opsegom [13].

Na Slici 5. prikazana je jedna realizacija LH voda koji se sastoji od mikrostrip voda sa nizom procepa koji imaju negativnu permeabilnost i koji se nalaze sa gornje strane podloge, dok se niz CSRR nalazi na donjem, uzemljenom sloju ispod mikrostrip voda. CSRR pokazuju negativnu permitivnost.

Slika5. LH vod sa CSRR: izgled štampanog kola (tamno sivo je metalizacija sa gornje strane, a svetlo sivo sa donje strane podloge) i ekvivalentna šema jedinične ćelije [14].

Na ekvivalentnoj šemi su crvenim označeni elementi koji određuju RH opseg, dominantni na višim učestanostima, a plavim elementi koji određuju LH opseg, dominantni na nižim učestanostima.

2.2. Pristup pomoću dualnih vodova

Teorija vodova (Transmission line theory, TL) je veoma razvijen alat za analizu konvencionalnih RH vodova. Osnovni princip na kome počiva primena TL pristupa u projektovanju metamaterijala jeste da za LH vod važi dualna ekvivalentna šema u odnosu na RH vod. U dualnom konceptu kondenzatori su vezani redno, dok su induktivnosti vezane paralelno. LH vodovi su inherentno propusnici visokih učestanosti, dok su RH vodovi propusnici niskih učestanosti.

Na Slici 6. su prikazane ekvivalentne šeme beskonačno kratkih sekcija vodova bez gubitaka: (a) konvencionalnog RH voda koji je prikazan kao kombinacija redne podužne induktivnosti i paralelne podužne kapacitivnosti , i (b) homogenog LH voda koji je kombinacija redne kapacitivnosti , i paralelne induktivnosti koje su pomnožene jediničnom dužinom. Vidi se da su ove ekvivalentne šeme međusobno dualne. Kako u praksi nije moguće realizovati čistu LH strukturu zbog neizbežne RH parazitne kapacitivnosti i induktivnosti, na Slici 6. (c) prikazana je ekvivalentna šema kompozitnog RH/LH voda (composite right/left-handed), koja u zavisnosti od učestanosti pokazuje i LH i RH osobine.

Na Slici 7. su prikazani disperzioni dijagrami vodova sa Slike 6. na kojima se vidi da su disperzione karakteristike LH i CRLH voda nelinearne, za razliku od RH voda.

Slika 6. Ekvivalentna šema: (a) konvencionalnog RH voda, (b) homogenog LH voda, (c) homogenog CRLH voda.

Slika 7. Disperzioni dijagrami: (a) konvencionalni RH vod, (b) LH vod i (c) CRLH vod. Disperziona karakteristika u LH opsegu je prikazana crveno.

Disperziona karakteristika CRLH voda je prikazana za nebalansirani slučaj kada između LH i RH opsega postoji nepropusni opseg. Međutim, od posebnog značaja za primenu CRLH MTM je balansirani slučaj, kod koga postoji kontinualan prelaz između LH i RH opsega. Balansirani slučaj se javlja kada je ispunjen sledeći uslov:

(1)

U tom slučaju se ekvivalentna šema CRLH voda sa Slike 6.(c) uprošćava i izgleda kao na Slici 8, na kojoj je prikazan i odgovarajući disperzioni dijagram.

Slika 8. Ekvivalentna šema CRLH MTM za balansirani slučaj.

Primena balansiranih CRLH MTM je posebno značajna kod skenirajućih antena koje omogućavaju kontinualno skeniranje u opsegu od ± 90⁰ uključujući i q=0⁰ kada je snop normalan na ravan antene (broadside zračenje).

Iako se razvoj LH metamaterijala jedno vreme odvijao u dva potpuno nezavisna pravca: korišćenjem rezonantnih jediničnih ćelija, kao što su split-ring rezonatori i komplementarni split-ring rezonatori i korišćenjem dualnih vodova, danas se smatra da je rezonantni pristup samo specijalni slučaj koji se može izvesti iz koncepta dualnih vodova. To potvrđuju i najnovije realizacije veoma širokopojasnih filtara korišćenjem periodične strukture koja se sastoji od uskopojasnih CSRR, koji su na pogodan način spregnuti sa mikrostrip vodom, tako da se dobije balansni slučaj prema relaciji (1). Balansirana jedinična ćelija i njen odziv su prikazani na Slici 9. [15].

Slika 9. (a) Balansirana jedinična ćelija koja se sastoji od CSRR (belo) i mikrostrip voda sa interdigitalnim kondenzatorom (crno), (b) Širokopojasni odziv [15].

2.3. Pristup pomoću generalizovanog dualnog voda

opseg. Tako struktura koja je inicijalno imala četiri propusna opsega prelazi u strukturu sa dva opsega. Ovakve strukture mogu da imaju primenu u bežičnim multiband sistemima, a takođe je značajna osobina da se propusni opsezi mogu kontrolisati.

Slika 10. Ekvivalentna šema generalizovanog LH voda sa dva LH i dva RH propusna opsega.

Predložena topologija se može i fizički realizovati bilo sa koncentrisanim parametrima bilo sa distribuiranim elementima, bilo kao njihova kombinacija, kao što je pokazano na Slici 11.

Slika 11. Izgled jedinične ćelije generalizovanog LH voda koja ima četiri propusna opsega [16].

Slika 12. Odziv generalizovanog LH voda. LH i RH opsezi se smenjuju naizmenično [16].

3. OSOBINE I PRIMENA METAMATERTIJALA

Metamaterijali predstavljaju novu paradigmu u savremenoj nauci. Zahvaljujući svojim jedinstvenim karakteristikama, omogućavaju novi pristup u projektovanju RF sistema za bežične komunikacije nove generacije. Budući da razvoj super kompaktnih, jeftinih i multifunkcionalnih RF sklopova koji mogu da rade na različitim frekvencijskim opsezima, predstavlja uslov konkurentnosti i daljeg razvoja bežičnih komunikacija, potrebna je nova tehnologija i nov pristup u njihovom projektovanju.

Razvoj jeftinog, laganog i multifunkcionalnog, odnosno „pametnog“ hardvera koji bi se koristio za različite servise, nije ostvarljiv bez primenenovih tehnologija, prvenstveno metamaterijala.

Pasivne komponente, naročito filtri, predstavljaju usko grlo u minijaturizaciji i poboljšanju karakteristika bežičnih sistema. Oni značajno ograničavaju performansesistema,jer se velika selektivnost na klasičan način ostvaruje povećanjem broja rezonatora, što povećava dimenzije i uneseno slabljenje. Filtri visoke selektivnosti se mogu realizovati u superprovodničkoj tehnologiji, sa rezonatorima koji imaju veliki Q-faktor, ali takva kola su skupa i glomazna. Treba takođe imati u vidu da se kod klasičnog dizajna propusni opsezi ponavljaju na harmonijskim učestanostima, dok tipični bežični multiband sistemi rade na neharmonijskim učestanostima.

Primena metamaterijala, posebno LH-metamaterijala, nameće se kao veoma dobro rešenje iz više razloga:

·metamaterijali se realizuju korišćenjem jeftinih tehnologija (štampana kola, LTCC),

·LH-metamaterijali imaju inherentno nelinearnu faznu karakteristiku koja se može proizvoljno projektovati, tako da realizovana kola mogu da rade na dva ili više proizvoljnih opsega,

·moguća je realizacija sklopova koji imaju bolje karakteristike od klasičnih,

·omogućava realizaciju super-kompaktnih uređaja zahvaljujući minijaturnim konstitutivnim elementima,

·nove performanse bazirane na kontrolabilnoj disperzionoj karakteristici kao što su ZOR rezonatori (zeroth-order resonator), čija učestanost ne zavisi od dimenzija, mreže za napajanje sa nultim faznim pomerajem na učestanostima koje su različite od nule, itd.

·rekonfigurabilne komponente zasnovane na promenljivim konstitutivnim elementima.

Princip rada dual-band kola baziranih na metamaterijalima prikazan je na Slici 13. [17]. Amplitudski odziv klasičnog filtra propusnika opsega, pokazuje da filtar pored opsega za koji je projektovan, f₀, ima odzive na neparnim harmonicima te učestanosti, na primer na 3f₀. Sa druge strane, filtar realizovan pomoću CRLH voda ima odzive na proizvoljnim učestanostima, koje zavise od projektovanog nagiba fazne karakteristike, koja je prikazana na Slici 13(. b). Kod metamaterijala nagib fazne karakteristike može proizvoljno da se menja (dispersion engineering) pogodnim izborom induktivnosti i kapacitivnosti koje se dodaju na klasičan vod.

Slika 13. (a) Amplitudski odziv konvencionalnog filtra propusnika opsega, (b) Fazni odziv RH voda i CRLH voda, (c) Amplitudski odziv dual-band filtra realizovanog pomoću CRLH voda [17].

4. STANJE ISTRAŽIVANJA U NAŠOJ ZEMLJI

Istraživanja metamaterijala u našoj zemlji i njihova primena u bežičnim sistemima, intenzivno se razvijaju u poslednjih pet godina na Institutu IMTEL, Beograd, i na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu. Ova istraživanja artikulisana su kroz brojne međunarodne i domaće projekte: učešće u Mreži izvrsnosti „Metamorphose“ u okviru FP6, COST akciju RFCSET – “RF/Microwave Communication Subsystems for Emerging Wireless Technologies,“ EUREKA projekat METATEC-„Metamaterial-Based Technology for Broadband Wireless Communications and RF Identification“, inovacionom projektu „Nova generacija milimetarskih linkova na bazi nanostrukturisanih materijala“ i projektu tehnološkog razvoja „Dual-band i tri-band mikrotalasna kola i antene bazirani na metamaterijalima za komunikacione sisteme nove generacije“. U toku je i prijava jednog FP7 projekta koji bi okupio vodeće istraživače u oblasti metamaterijala sa tri kontinenta MultiWaveS - „Multiband Electronically Reconfigurable Microwave Devices and Antennas for a New Generation of Wireless Systems”, kao i dva EUREKA projekta: MetaScan - „Printed Scanning Antennas Based on Metamaterials for Automotive Radars and Heart Sensing Applications” i METASENSE - „Miniature Metamaterial-Based Sensing Devices for Agricultural, Environmental and Geological Applications.”

4.1 Rezonantni pristup

Istraživanja sprovedena u našoj zemlji su fokusirana na minijaturizaciju i poboljšanje performansi rezonantnih jediničnih ćelija metamaterijala i dala su dve grupe originalnih rešenja: jedna grupa je zasnovana na korišćenju višestrukih geometrija, a druga, na primeni fraktalnih krivih.

Na Slici 14. (a) i (b) prikazane su višestruke jedinične ćelije [18]. Osnovna ideja kod ovakvog pristupa je da se umesto dva koncentrična prstena koristi njih više. Na ovaj način višestruko se povećava induktivnost jedinične ćelije, što rezultuje značajnim sniženjem rezonantne učestanosti. Dalje, pokazano je da se umesto geometrije prekinutog prstena može koristiti i spirala sa promenljivim brojem navojaka. Sve jedinične ćelije postavljene su ispod mikrostrip voda koji je periodično opterećen kapacitivnim procepima, Slika 14. (c). Na ovaj način ostvareno je LH ponašanje voda i dobijena karakteristika propusnika opsega.

Pokazano je da primena višestrukih geometrija rezultuje smanjenjem rezonantne učestanosti strukture, proširenjem nepropusnog opsega između dva susedna harmonika i smanjenjem sprege sa mikrostrip vodom. Primena spiralnih rezonatora omogućava smanjenje dimenzija jedinične ćelije od čak 66%, ali po cenu povećanih unesenih gubitaka. Primena fraktalnih krivih omogućava projektovanje split-ring rezonatora maksimalne električne dužine na konačnoj površini podloge.

Slika 14. (a) Višestruki split-ring rezonator, (b) Višestruki spiralni rezonator, (c) Izgled LH voda.

Na Slici 15. prikazan je SRR sa geometrijom kvadratnog fraktala Sijerpinskog (SS SRR), čije su dimenzije svega λg/20xλg/20, gde je λg vođena talasna dužina na datoj podlozi. SS SRR se odlikuje 35% manjom rezonantnom učestanošću od SRR istih spoljašnjih dimenzija, ostvaruje povećanu selektivnost sa obe strane propusnog opsega i potiskivanje drugog harmonika od preko 22dB, čime se ostvaruje veoma širok i dubok nepropusni opseg.

Slika 15. (a) Fraktalni split-ring rezonator, (b) Donja strana mikrostrip LH voda.

a sivo sa donje strane podloge)

Višestruki fraktalni prstenasti rezonatori, zasnovani na kvadratnom fraktalu Sijerpinskog II i III reda, Slika 16, pokazuju drugačije ponašanje od višestrukih prstenastih i spiralnih rezonatora, zahvaljujući svom specifičnom obliku, [19].

Povećanje broja prstenova u ovom slučaju ne dovodi do povećanja induktivnosti već do značajnog povećanja kapacitivnosti jedinične ćelije. Ovo je posledica specifičnog oblika fraktalnog prstena i suprotnog smera proticanja struje u određenim segmentima prstena.

4.2 Pristup preko vodova

Projektovanje metamaterijala preko dualnih vodova podrazumeva korišćenje geometrije koja će potencirati rednu kapacitivnost i paralelnu induktivnost. Međutim, postojanje redne kapacitivnosti najčešće dovodi do relativno velikog unesenog slabljenja ovakvih struktura, što ih čini nepovoljnim za filtarske primene.

Ovaj problem je kod nas rešen pomoću uzemljenih spiralnih rezonatora, koji imaju jako veliki Q-faktor, između 100 i 150. Ovi rezonatori su omogućili ogroman napredak u realizaciji uskopojasnih mikrostrip filtara. Nikada do sada nije bilo moguće u mikrostripu realizovati filtre tako malih dimenzija, uskog propusnog opsega od 1.5% do 4%, tako malog unesenog slabljenja, 2-3dB, i sa tako strmim ivicama propusnog opsega.

Slika 17. Jedinična ćelija ForeS (crvene tačke predstavljaju diode)

Modifikacije jedinične ćelije ForeS omogućavaju projektovanje velikog broja različitih filtara propusnika opsega, [21]. Na Slici 18. prikazan je izuzetno kompaktan filtar trećeg reda koji se odlikuje visokom selektivnošću i malim unesenim slabljenjem. Ukupne dimenzije filtra (uokvireno crvenim) su λg/4xλg/15, gde je λg vođena talasna dužina na datoj podlozi. Kod klasičnih filtara dužina samo jednog rezonatora je λg/2.

Slika 18. (a) Filtar trećeg reda na bazi ForeS, (b) Odziv filtra (simulirano-narandžasto, mereno-crno).

Uzemljena S-spirala [22] je super-kompaktan rezonator čije su dimenzije λg/59xλg/27, a uneseno slabljenje 2,2dB. Uneseno slabljenje može da se smanji i do 1,2dB, ukoliko se poveća širina spiralnog navojka, ali se onda i rezonantna učestanost povećava. Na Slici 19. je prikazan filtar drugog reda koji je projektovan sa ovim rezonatorima. Filtar ima dimenzije λg/12xλg/13 i uneseno slabljenje 2,2dB na 1,6GHz.

Slika 19. Filtar drugog reda sa uzemljenim S-spiralama.

Na Slici 20. prikazani su odzivi filtara II i III reda koji su realizovani sa različitim uzemljenim spiralama: Single spirala, ForeS i S-spirala sa ukupnim dimenzijama od λg/20xλg/47, λg/4xλg/15 i λg/7xλg/14, respektivno. Uneseno slabljenje kreće se između 2dB i 3,5dB, dok je strmina sa obe strane propusnog opsega veoma velika u svim slučajevima [23]. Sa Slike 20 se vidi da svi filtri imaju parazitni odziv približno na trećem harmoniku, ali im je nivo potisnut najmanje 20dB. Jedino je kod filtra drugog reda sa Single spiralom, nivo parazitnog odziva –10dB.

Slika 20. Odzivi filtara projektovanih sa tri vrste spiralnih rezonatora. Filtri trećeg reda su sa ForeS i S-spiralama, dok je filtar drugog reda sa Single spiralom.

4.3 Multi-band kola

Istovremeni rad u više proizvoljnih propusnih opsega (koji nisu međusobni harmonici), postao je od suštinskog značaja za savremene bežične komunikacione sisteme. Primena metamaterijala omogućava projektovanje multi-band komponenti sa performansama koje su superiorne u odnosu na do sada poznate.

Na Slici 21. prikazani su izgled i odziv jedinične ćelije metamaterijala koja se odlikuje sa tri propusna opsega (prva dva LH, a treći RH prirode), [24]. Sva tri opsega se mogu međusobno nezavisno kontrolisati, pogodnim izborom određenih geometrijskih parametara jedinične ćelije. Uticaj određenih veličina na karakteristike odziva takođe je ilustrovan na slici.

Slika 21. Tri-band jedinična ćelija metamaterijala i način kontrolisanja njenog odziva.

Slika 22. (a) Izgled filtra, (b) Odziv filtra.

Kao primer mogućnosti primene predložene jedinične ćelije, na Slici 22. prikazan je širokopojasni filtar propusnik učestanosti pogodan za rad u IEEE 801.11a i HyperLanII sistemima. Filtar se odlikuje veoma malim unesenim slabljenjem od 1dB i širinom propusnog opsega od 40% na 5,2GHz.

5. ZAKLJUČAK

Metamaterijali predstavljaju novu paradigmu u savremenoj nauci. Zahvaljujući svojim jedinstvenim osobinama, uspeli su da u veoma kratkom vremenu revolucionišu dosadašnji pristup u projektovanju RF kola, otvarajući put novim multifunkcionalnim i rekonfigurabilnim bežičnim sistemima. Istovremeno su napravljeni krupni pomaci u optičkim metamaterijalima koji mogu još značajnije da promene svet.

Literatura

[1] V. Veselago: “The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of µ and ε”, Soviet Physics Uspekhi, Vol. 92, No. 3, pp. 517-526, 1967.

[ 2] J. B. Pendry, A. J. Hoden, W. J. Stewart and I. Youngs: “Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures”, Physical Review Letters, Vol. 76, No. 25, pp. 4773-4776, 17 June 1996.

[3] J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins and W. J. Stewart: “Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena”, IEEE Transactions on microwave theory and technique, Vol. 47, No. 11, pp. 2075-2084, November 1999.

[4] R. A. Shelby, D. R. Smith, S. Schultz: “Experimental verification of a negative index of refraction”, Science, Vol. 292, pp. 77-79, 2001.

[5] R. Marqués, J. Martel, F. Mesa, and F. Medina, “Left handed media simulation and transmission of EM waves in sub-wavelength SRR-loaded metallic waveguides”, Phys. Rev. Lett., Vol 89, pp. 183901-03, 2002.

[6] F. Martín, F. Falcone, J. Bonache, R. Marqués, and M. Sorolla, “Miniaturized coplanar waveguide stop band filters based on multiple tuned split ring resonators”, IEEE Microwave Wireless Comp. Letters, Vol. 13, pp. 511-513, December 2003.

[7] G.V. Eleftheriades, O. Siddiqui, and A.K. Iyer, “Transmission line models for negative refractive index media and associated implementations without excess resonators”, IEEE Microwave Wireless Compon. Lett., Vol. 13, pp. 51–53, Feb. 2003.

[8] C. Caloz and T. Itoh, “Application of the transmission line theory of left-handed (LH) materials to the realization of a microstrip LH transmission line”, Proc. IEEE-AP-S USNC/URSI National Radio Science Meeting 2002, vol. 2, pp. 412–415, 2002.

[9] A. A. Oliner, “A periodic-structure negative-refractive-index medium without resonant elements”, URSI Dig. IEEE-AP-S USNC/URSI National Radio Science Meeting 2002, p. 41, 2002.

[10] European Commission, Information Society and Media Directorate-General, Emerging Technologies and Infrastructures, Future and Emerging Technologies, Terms of reference: Exploiting Negative Refraction in ICT”, 23.01.2007.

[11] European Commission, Information Society and Media Directorate-General, Components and Systems, Photonics, “Conclusion of the public consultation on Controlling Electromagnetic Propagation with MetaMaterials”, July 2006.

[12] K. Sato, “Metamaterials and Automotive Applications”, Special Issue, R&D Review of Toyta CRDL, Vol. 41, No. 4. pp. 1-8, Jan. 2007.

[13] J. Bonache, F. Martín, F. Falcone, J. Garcia-Garcia, I. Gil, T.Latopegi, M.A.G. Laso, R. Marques, F. Medina, M. Sivolla, “Super compact split ring resonators CPW band pass filter”, IEEE MTT Int. Microwave Sympsium 2004, pp.1483-1485.

[14] F. Falcone, T.Latopegi, M.A.G. Laso, R. Marques, J. D Buena, J. Bonache, M. Beruete, R. Marqués, F. Martín, and M. Sorolla, “Babinet Principle Applied to the Design of Metasurfaces and Metamaterials”, Physical Review Letter, Vol. 93, N0. 19, Nov. 2004. pp. 197401-197404.

[15] M. Gil, J. Bonache, J. Selga, J. Garcia-Garcia, F. Martín, “Broadband Resonant-Type Metamaterial Transmission Lines”, IEEE Microwave Wireless Comp. Letters, Vol. 17, No.2, pp. 97-99, February 2007.

[16] G.V. Eleftheriades, “A Generalized Negative-Refractive Index Transmission-Line (NRI-TL) Metamaterial for Dual-Band and Quad-Band Applications”, IEEE Microwave Wireless Compon. Lett., Vol. 17, No. 6, pp. 415-417, June 2003.

[17] C. H. Tseng and T. Itoh, “Dual-Band Bandpass and Bandstop Filters Using Composite Right/Left-Handed Metamaterial Transmission Lines”, International Microwave Symposium, San Francisco, IMS 2006, pp. 931-934.

[18] V. Crnojević-Bengin, V. Radonić, B. Jokanović, “Left-Handed Microstrip Lines with Multiple Complementary Split-Ring and Spiral resonators”, Microwave and Optical Technology Letters, John Willey, vol. 49 no. 6, juni 2007, pp 1391-1395

[19] V. Crnojević-Bengin, V. Radonić, B. Jokanović, „Fractal Geometries of Complementary Split-Ring Resonators”, IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, Vol. 56, No. 10, pp. 2312-2321, October 2008.

[20] B. Jokanović, V. Crnojević-Bengin, “Novel left-handed transmission lines based on grounded spirals”, Microwave and Optical Technology Letters, John Willey, Vol. 49, No. 10, pp. 2561-2567, October 2007.

[21] B. Jokanovic, V. Crnojevic-Bengin, O. Boric-Lubecke, “Miniature High Selectivity Filters Using Grounded Spiral Resonators”, Electronics Letters, Vol. 44, No. 17, 14th August 2008.

[22] B. Jokanovic, V. Crnojevic-Bengin: “Super-Compact Left-Handed Resonator for Filter Applications” European Microwave Week, Munich 2007, Munich, Germany, 8-12 October, 2007

[23] B. Jokanovic, V. Crnojevic-Bengin, O. Boric-Lubecke, “Miniature Lowloss Metamaterial Resonators Based on Grounded Spirals and Their Application in Filter Design”, Springer NATO Science series books

[24] V. Radonić, V. Crnojević-Bengin, B. Jokanović, “Novel Left-Handed Unit Cell for Multi-Band Filtering Applications,“ EuMC 2008, Amsterdam, October 2008.