В работе рассмотрены вопросы создания технологии, позволяющей осуществлять концентрацию электромагнитной энергии падающего электромагнитного излучения на определенных частотах СВЧ диапазона с целью дальнейшего преобразования в постоянный электрический ток. Концентратор СВЧ энергии создается на основе кирального метаматериала, состоящего из диэлектрической подложки, на которой расположена матрица из проводящих элементов S-образной формы. В работе построена математическая модель указанного метаматериала, а также проведено решение задачи об отражении электромагнитной волны СВЧ от него. Доказано, что существуют дискретные частоты, на которых возможно преобразование падающей энергии электромагнитного поля в переизлучение в плоскости метаматериала, то есть ее концентрация. Сконцентрированную энергию электромагнитного поля в дальнейшем при помощи ректенн можно преобразовать в постоянный электрический ток.
Ключевые слова: киральность, метаматериал, СВЧ-излучение, электромагнитная волна, концентратор энергии, энергосберегающая технология.
Введение
В России к концу 2018 года число пользующихся смартфонами людей превысило 50 миллионов. Конечно же, появление мобильного устройства, сочетающего в себе возможности телефона и компьютера, не могло не изменить нашу жизнь и количество счастливых обладателей смартфонов увеличивается с каждым днем. Передача данных между смартфонами происходит за счет электромагнитного излучения. Стандартная сотовая связь это 1.8–1.9 ГГц. Для того чтобы передавать сигналы на данных частотах требуется много энергии, но не вся энергия несет в себе полезный сигнал при передаче информации, часть энергии, которая генерируется, не используется по назначению, и ее можно собирать и использовать.
В связи с этим, весьма актуальной является концентрация неиспользуемой энергии электромагнитных волн на определенной частоте СВЧ сигнала с целью дальнейшего её преобразование в другие виды энергии (например, в энергию постоянного электрического поля).
1. Технология концентрации СВЧ энергии с использованием метаматериалов
В настоящее время в электродинамике СВЧ активное внимание уделяется исследованию различных типов метаматериалов [1], которые представляют собой композиционные структуры из материалов естественного происхождения. В частности, из широкого класса метаматериалов можно выделить киральные структуры [2, 3], в которых в качестве элементов используются включения зеркально асимметричной формы. Киральные метаматериалы обладают рядом уникальных, с точки зрения их применения, электромагнитных свойств и могут использоваться при создании «невидимых», малоотражающих узкополосных покрытий и др.
Киральный метаматериал — это искусственно созданная материальная среда на основе компонентов двух типов, хотя бы один из которых обладает свойством зеркальной асимметрии. В большинстве случаев киральный метаматериал представляет собой совокупность однородного диэлектрического контейнера с относительной диэлектрической проницаемостью 
и относительной магнитной проницаемостью 
и матрицы упорядоченных зеркально асимметричных элементов. Данные элементы равномерно размещаются внутри или на поверхности диэлектрическом контейнера.
В данной работе предлагается использовать метаматериалы для концентрации электромагнитной энергии на определенной частоте СВЧ сигнала.
В работе рассмотрена разработка технологии создания метаматериала, который позволит собирать электромагнитную энергию падающего электромагнитного излучения на определенных частотах СВЧ диапазона с целью дальнейшего преобразования в постоянный электрический ток. Материал состоит из плоской подложки на основе гибкого или жесткого диэлектрика, на которой периодически размещены медные полосковые элементы S-образной формы. Такая структура представляет собой планарный метаматериал. Вид сверху на структуру показан на рис. 1.
На этапе моделирования данного метаматериала можно выбрать определенный диапазон (например, 1.8–1.9 ГГц), в котором материал будет осуществлять сбор электромагнитной энергии. На боковых поверхностях устройства размещаются металлические полоски, между которыми включаются полупроводниковые диоды. Сконцентрированная в метаматериале электромагнитная волна возбуждает на полосках переменный электрический ток. Диод превращает его в постоянный ток, который в дальнейшем можно использовать для подзарядки аккумуляторов. Данный материал предлагается использовать в электромобилях для альтернативного способа получения энергии. Для этого разрабатываемый метаматериал может устанавливаться на капот или крышу электромобиля. Устройство можно использовать в автомобилях на бензине или дизеле для подзарядки аккумулятора. Использование метаматериала для концентрации СВЧ-энергии является новой энергосберегающей технологией.
Рис. 1. Структура кирального математериала
2. Математическая модель и численные расчеты
В работе построена математическая модель указанного метаматериала, а также проведено решение задачи об отражении электромагнитной волны СВЧ от него.
Киральный метаматериал описывается следующими материальными уравнениями [2, 3]:
(1)
где 
— относительная эффективная диэлектрическая проницаемость метаматериала (как пространственной структуры, состоящей из контейнера и киральных элементов); 
—относительная магнитная проницаемость; 
— относительный параметр киральности метаматериала;
Для описания пространственной структуры кирального метаматериала (КММ) воспользуемся наиболее часто применимой к метаматериалам, моделью Максвелла-Гарнетта [4]:
(2)
где
— относительная диэлектрическая проницаемость области, занятой киральным элементом; 
— поверхностная концентрация S-элементов.
В предлагаемой работе в рамках математической модели КММ (1), (2) рассмотрена задача об определении коэффициентов отражения и прохождения при падении плоской электромагнитной волны на планарный слой кирального метаматериала на основе S-образных элементов. Задача решалась методом частичных областей и была сведена к решению системе линейных алгебраических уравнения относительно неизвестных коэффициентов отражения и прохождения.
На рис. 2 приведены частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения основной и кросс-поляризованной компонент поля для метаматериала на основе S-элементов на гибкой диэлектрической подложке. На графике сплошными линиями показаны модули коэффициентов отражения и прохождения основной компоненты поля, штриховыми линиями — модули коэффициентов отражения и прохождения кросс-поляризованной компоненты поля (КММ изменяет поляризацию падающей СВЧ волны).
Рис. 2. Частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения
Как видно из рис. 2, на частотах 1.2 ГГц и 4.4 ГГц наблюдается резонансная концентрация падающей электромагнитной энергии, так как суммарное значение модулей коэффициентов отражения и прохождения не превышает 0.5. Это значит, что 50 % падающей мощности может быть сконцентрировано в плоскости метаматериала.
Таким образом, исследования доказали, что существуют дискретные частоты, на которых возможно преобразование падающей энергии электромагнитного СВЧ поля в переизлучение в плоскости метаматериала, то есть ее концентрация. На этих частотах отражение и прохождение электромагнитной волны через киральный математериал значительно меньше переизлучения в боковых направлениях (в плоскости метаматериала).
Результаты работы могут найти широкое применение при создании частотно селективных концентраторов СВЧ энергии, поступающей из внешнего пространства. В дальнейшем собранная энергия может быть преобразована в постоянный электрический ток для использования в системах вспомогательного электропитания.
Литература:
- Capolino F. Theory and Phenomena of Metamaterials. CRC Press/Taylor & Francis, 2009. 992 p.
- Lindell I. V. Electromagnetic waves in chiral and bi-isotropic media / I. V. Lindell, A. H. Sihvola, S. A. Tretyakov, A. J. Viitanen. London: Artech House, 1994. 291 p.
- Неганов В. А., Осипов О. В. Отражающие, волноведущие и излучающие структуры с киральными элементами. М.: Радио и связь, 2006. 280 с.
- Garnett J. C. Maxwell. Colours in metal glassesand in metallic films // Phylos. Trans. R. Soc. London. Ser. A., 1904. V. 203. — P. 385–420.
