ВВЕДЕНИЕ 5
1 Основы теории искусственных сред 7
1.1 Метод молекулярной оптики 7
1.2 Поляризуемость элементов искусственных сред 8
1.2.1 Электрическая поляризуемость металлического шара в переменном
электрическом поле 8
1.2.2 Магнитная поляризуемость металлического шара в переменном
магнитном поле 13
1.2.3 Поляризуемость ряда простейших элементов: диск, замкнутое
кольцо, прямолинейный отрезок провода, элемент типа «вибратор виток» и Q - элемент 15
2 Методы измерения поляризуемостей 20
2.1 Резонаторный метод 20
2.2 Волноводный метод измерения полного входного сопротивления 20
2.3 Электрический вибратор в волноводе 22
2.4 Магнитный вибратор в волноводе 25
2.5 Связь поляризуемостей отдельного элемента с поляризуемостью,
измеряемую с помощью измерительной линии 26
3 Результаты экспериментального исследования 28
3.1 Экспериментальная установка 28
3.2 Результаты измерений поляризуемости шаров 30
3.3 Результаты измерений поляризуемости дисков, колец, витков, «вибратор-витков» 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 57
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
В радиотехнике сверхвысоких частот наряду с обычными материалами находят применение искусственные среды, представляющие собой правильные решетки металлических или диэлектрических элементов и обладающие различными электромагнитными свойствами. Понятие искусственной среды включает в себя: искусственные диэлектрики, поглощающие материалы, киральные среды, а так же так называемые метаматериалы.
Искусственный диэлектрик - это искусственно построенная электрически неоднородная среда, которая представляет собой регулярную совокупность металлических или диэлектрических элементов в диэлектрической основе и которая ведет себя как диэлектрик с некоторыми эффективными значениями электрической и магнитной проницаемости. Эффективные параметры во многом зависят от свойств самих частиц.
Простейшая модель диэлектрика, представляет собой пространственную решетку, образованную металлическими стержнями, которая была исследована в 1920 году Н. Л. Капцовым [ 1 ] .
Интерес к искусственным диэлектрикам появился в конце сороковых годов в связи с возможностью их применения при конструировании линзовых антенн СВЧ - диапазона. В эти же годы начинается развитие теории искусственных сред. Вводится понятие эффективной диэлектрической проницаемости, при расчете которой было предложено использовать метод молекулярной оптики, оперирующий с понятием поляризуемости молекулы, роль которой в искусственных диэлектриках выполняют частицы различной формы (шары, эллипсоиды, диски, стержни и т.п.) [ 2 ] .
Исследованию искусственных диэлектриков посвящено целый ряд работ. Например, работа А.Л. Микаэляна [ 3 ] , где поляризуемости ряда частиц сведены в таблицу.
Начиная с восьмидесятых годов, большое внимание уделялось киральным средам [4], представляющих из себя упорядоченную структуру в виде пространственной решетки, либо хаотическую смесь киральных элементов в виде определенным образом изогнутых проводников. Вследствие изогнутости проводников электрический ток, наводимый в элементе переменным 3
электрическим полем, приводит к появлению наряду с электрическим дипольным моментом и магнитного момента. Аналогичное явление наблюдается, когда элемент находится в переменном магнитном поле - наряду с магнитным моментом появляется электрический момент.
Что касается поглощающих сред, то некоторые из них представляют собой отдельные типы искусственных диэлектриков состоящие из поглощающих элементов (микропроводы, частицы из проводящей пленки, ферриты). По принципу их действия различают: градиентные и интерференционные радиопоглощающие материалы. Градиентные материалы представляют собой малоотражающие диэлектрики, которые состоят из основы (стеклотекстолит, пенопласт и т.д.) и наполнителя (ферриты, порошок графита, угольная сажа и т.д.). Интерференционные покрытия состоят из чередующихся слоев диэлектрика (пластмасса, каучук и т.д.) и пленки электропроводящего материала.
В последние годы ведутся интенсивные исследования в области метаматериалов - сред с отрицательным показателем преломления, получающегося при одновременных отрицательных значениях эффективной диэлектрической и магнитной проницаемостей сред. Впервые на эти материалы обратили внимание еще в 1967 году В. Г. Веселаго [5]. Известен ряд методов реализации таких сред. Например, совмещенные решетки вибраторов и колец, решетки из двойных колец.
При конструировании искусственных сред необходимо знать поляризуемость частиц, составляющих эти среды. Рассчитать поляризуемость теоретически удается далеко не для всех частиц, поэтому большую роль начинают играть экспериментальные методы
Сравнительно простой метод измерения поляризуемости основан на применении объемных резонаторов [6]. Однако резонаторный метод применяется тогда, когда поляризуемость является чисто вещественной и положительной величиной. В случае метаматериалов, для обеспечения отрицательных значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей, отрицательными должны быть и поляризуемости отдельных частиц.
Целью настоящей работы является разработка и освоение метода измерения поляризуемости элементов искусственных сред с помощью волноводной измерительной линии.
В ходе работы было показано, что:
1) Как вещественная, так и мнимая части электрической и магнитной поляризуемостей могут быть измерены с помощью волноводной измерительной линии, как вблизи так и в области резонанса, в отличие от резонаторного метода.
2) При измерении поляризуемостей необходимо учитывать влияние зеркальных изображений элементов (частиц) в волноводе, так как используя их при обработки измерений, мы получаем более точные значения вещественной и мнимой составляющих электрической и магнитной поляризуемости.
3) Измерения электрической поляризуемоти элементов искусственных сред можно осуществлять двумя способами, а именно в двух расположениях в волноводе, только при расчете надо учитывать нужные коэффициенты.
4) Измеренные значения поляризуемостей отдельных элементов (кольцо d>3,5 см; спираль 1.25 витка, шайба D=5 см.) могут обеспечить одновременно отрицательные значения электрической и магнитной поляризуемостей, но величины этих значений недостаточно для осуществления отрицательных эфф и эфф
