Применение метаматериалов при разработке волноводных СВЧ устройств

• Автор: Рыженко, Дмитрий Сергеевич
• Шифр специальности: 05.12.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 141 с. : ил.

Содержание

Введение

Глава 1. Анализ работ по применению

метаматериалов в радиоэлектронике

Глава 2. Материальные и волновые параметры

композитных сред в режиме переходного поля

Глава 3. Принципы построения искусственной среды с отрицательной диэлектрической проницаемостью

3.1. Диэлектрическая проницаемость композитной среды

на основе тонких проводников

3.2. Эквивалентная диэлектрическая проницаемость композитной среды на основе волноводных структур
3.3. Эквивалентная диэлектрическая проницаемость композитной среды на основе линий передачи с распределенными и сосредоточенными параметрами
Глава 4. Принципы построения композитной среды с
отрицательной магнитной проницаемостью
4.1. Магнитная проницаемость парамагнетиков
4.2. Отрицательная магнитная восприимчивость искусственных магнетиков
4.3. Отрицательная магнитная проницаемость композитного магнетика на основе периодических структур элементарных рамок
4.4. Отрицательная магнитная проницаемость композитного материала на основе периодических
структур щелевых кольцевых резонаторов

4.5. Особенности построения композитной среды с отрицательной магнитной проницаемостью на
оптических частотах
Глава 5. Теоретические и экспериментальные исследования
СВЧ устройств, содержащих метаматериалы
5.1. Пластина метаматериала в поле плоской электромагнитной волны
5.2. Коаксиальный волновод с пластиной
из метаматериала
5.3. Круглый волновод с пластиной из метаматериала
5.4. Прямоугольный волновод с пластиной
из метаматериала
5.5. Формирование синфазной апертуры с использованием метаматериалов
5.6. Копланарный волновод частично заполненный метаматериалом
5.7. Антенна бегущей волны на основе метаматериала
Выводы
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Разработка современных радиотехнических систем, используемых в технике радиосвязи, радиолокации, радиоастрономии, оборонных областях радиоэлектроники требует новых принципов в построении функциональных устройств и антенн, уменьшения их массогабаритных параметров одновременно с обеспечением широкополосное™, надежности и многофункциональности. Удовлетворение таким требованиям невозможно без реализации новых физических явлений, материалов и технологий. В последние годы разработчиков СВЧ устройств и антенн всё больше привлекают новые материалы и среды с необычными электродинамическими свойствами. Это так называемые метаматериалы, включая киральные и перколляционные среды, оптомагнетики, фотонные и электронные кристаллы [5,9-11]. Указанные материальные среды являются композитными, обладающими дисперсионными и анизотропными в электромагнитном смысле свойствами.
Основные электродинамические параметры: диэлектрическая
проницаемость е и магнитная проницаемость /и в таких средах могут принимать очень малые (включая ноль) или очень большие значения, а также в определенном частотном диапазоне быть отрицательными (иногда одновременно). Последнее свойство позволяет реализовать материальную среду с отрицательным показателем преломления. Знак показателя преломления среды непосредственно связан с тем, параллельны или антипараллельны фазовая и групповая скорости волн в этой среде. В первом случае говорят о положительной, а во второй - об отрицательной групповой скорости волны. При отрицательной групповой скорости требование ухода энергии от поверхности раздела сред равносильно требованию набегания фазы на эту поверхность. В этом случае преломленный луч расположен не как обычно, а по направлению, симметричному относительно нормали к обычному направлению [30,38]. Из этого факта следует возможность создавать необычные оптические устройства. Так, например, плоская

Максвелла для средних значений напряженностей полей, зарядов и токов [17,93]
rotE = -i(ojuaН, rotH = -icosaE + j, div(saE) = р, div(/uaH) = 0 (2.16)
Когда Re[>a(fiO]»0 и Re[/i„(ft>)j ~ о уравнения (16) упрощаются:
rotH = j, div(eaЕ) = 0, div(paH) = 0 (2.17)
Уравнения с дивергенциями в среде с нулевым показателем преломления удовлетворяются автоматически, если поля конечны. Вектор Е и Н изменяются по гармоническому закону с частотой со, а в пространстве удовлетворяют уравнениям Лапласа и Пуассона, т.е. волнового процесса нет, но поле остается динамическим во времени. Таким образом, в среде с нулевым показателем преломления электромагнитное поле является квазистатическим и удовлетворяет уравнениям (2.17).
Широко известен другой тип метаматериалов, имеющих малые положительные или малые отрицательные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей, называемые £ - близкие к нулю (ENZ) и ц -близкие к нулю (MNZ) материалы. В таких случаях напряженности полей удовлетворяют уравнениям Гельмгольца.
В частности, для ENZ материала из (2.16) получаем
AE + e(co)kl/uЕ = 0 (2.18)
При е(а>) > 0 решение этого уравнения имеет волновой характер, а при е(со) < 0 - волнового процесса нет, поле имеет квазистатический характер. В этом случае при е -»0 (или при с» -» сот, если воспользоваться представлением Друде для диэлектрической проницаемости) мы имеем точку поворота (или точку бифуркации) s(cd) - е(сопэ) (рис. 2.1) дифференциального уравнения (2.18). Поле в этом случае от волнового, например, в среде DPS переходит к квазистатическому в ENZ среде и его называют переходным. Как известно [2,93] эффективность излучения антенн малых электрических размеров может быть увеличена путем компенсации реактивной энергии