THEORETICAL STUDY OF THE INFLUENCE OF THE GEOMETRIC PARAMETERS OF HELICAL CHIRAL RESONATORS ON THE EFFECTIVE ELECTROMAGNETIC PARAMETERS OF A MICROSTRIP ANTENNA SUBSTRATE

Authors

A.U. Kasimova Institute of Machine Science, Automation and Geomechanics of the National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic, Bishkek, Kyrgyzstan

Keywords:

microstrip antenna, chiral substrate, helical chiral resonator, metamaterials, effective permittivity, effective permeability, chirality coefficient, resonant frequency, Lorentz model, right- and left-circularly polarized waves

Abstract

This paper presents an analytical study of the influence of the geometric parameters of helical chiral resonators on the effective electromagnetic and dispersion characteristics of a microstrip antenna substrate. A helical resonator representing a microscopic oscillatory circuit is considered as the chiral inclusion. The influence of the turn radius, winding pitch, and number of turns on the inductance, interturn capacitance, and natural resonant frequency of the resonator is analyzed sequentially. Based on the obtained relationships, the effective permittivity, permeability, and chirality coefficient of the artificial medium are calculated using the Lorentz electron dispersion model. The frequency dependences of the effective electromagnetic parameters are investigated for various geometric configurations of helical resonators. Using the calculated effective parameters, the wave propagation characteristics in the chiral medium are analyzed. The refractive indices, propagation constants, phase velocities, and birefringence effect are calculated for the eigenmodes (LCP and RCP waves).

It is shown that changing the geometric parameters of the helical resonator shifts its natural resonant frequency and consequently changes the effective parameters of the chiral medium, which affects the propagation of electromagnetic waves in the substrate. The results can be used in designing chiral substrates for microstrip antennas with specified electrodynamic characteristics.

References

1. Касимова А.У. Интеграция киральных структур и метаматериалов в микрополосковых антеннах: обзор современных решений и перспектив // Проблемы автоматики и управления. 2025. № 2(53). С. 88-99.

2. Фисанов, В. В. О материальных параметрах и инвариантах изотропной киральной среды / В. В. Фисанов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2011. - № 2 (24), ч. 1. - С. 193–196.

3. Шевченко В.В. Киральные электромагнитные объекты и среды // Соровский образовательный журнал. - 1998. - № 2. - с. 109-114.

4. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты // Первая миля. 2010. № 3-4. С. 44-60.

5. Авдюшин А.С., Власов М.Ю., Пастернак Ю.Г. Применение метаматериалов в антенной технике // Вестник ВГТУ. 2013. Т. 9. Вып. 3-1. C. 132-135.

6. Electromagnetic Waves in Chiral and Bi-Isotropic Media / I. V. Lindell, A. H. Sihvola, S. A. Tretyakov, A. J. Viitanen. - Boston : Artech House, 1994. - 332 p.

7. Tretyakov, S. A. Analytical Modeling in Applied Electromagnetics / S. A. Tretyakov. - Boston : Artech House, 2003. - 282 p.

8. Электрофизика и электродинамика метаматериалов / А.Н. Лагарьков [и др.] // ТВТ. 2010. № 48:6. С. 1031-1048.

9. Анализ микрополосковой антенны на киральной подложке с учетом пространственной дисперсии / Д.С. Клюев [и др.] // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. № 11. С. 67-72.

10. Клюев Дмитрий Сергеевич, Нещерет Анатолий Михайлович, Сингулярное интегральное уравнение для расчета микрополоскового вибратора, расположенного на киральной подложке // Евразийский Союз Ученых. 2015. №5-7 (14).

11. Kim K., Varadan V.V. Millimeter wave dualband microstrip antennas with metamaterial substrates using the LTCC process // Proceedings of Metamaterials. 2007. Rome. P. 22-24.