ИССЛЕДОВАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ СРЕД СВЧ ДИАПАЗОНА

РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Основы теории искусственных сред 8
1.1 Метод молекулярной оптики 8
1.2 Поляризуемость элементов искусственных сред 9
1.2.1 Электрическая поляризуемость металлического шара в переменном
электрическом поле 9
1.2.2 Магнитная поляризуемость металлического шара в переменном
магнитном поле 13
1.2.3 Поляризуемость ряда простейших частиц 14
2 Методы измерения поляризуемости 18
2.1 Резонаторный метод 18
2.1.1 Теория возмущений для объемных резонаторов 19
2.1.2 Измерение магнитной поляризуемости с помощью резонатора с
колебанием типа Е010 21
2.1.3 Измерение магнитной поляризуемости с помощью резонатора с колебанием типа H011 23
2.2 Волноводный метод 26
2.2.1 Электрический вибратор в волноводе 28
2.2.2 Магнитный вибратор в волноводе 30
2.2.3 Связь поляризуемостей отдельного элемента с поляризуемостью,
измеряемую с помощью измерительной линии 31
3 Результаты экспериментального исследования 34
3.1 Экспериментальные установки 34
3.2 Результаты измерений поляризуемости элементов искусственных
сред 37
3.3 Метод сведения трехмерной решетки элементов к одномерной
периодической структуре 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 79
Приложение А Отчет о патентных исследованиях 80

Купить

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. В зависимости от свойств искусственные среды подразделяются на: 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, представляющая собой
пространственную решетку, образованную металлическими стержнями, 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 4
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 (частицы из микропроводов, ферриты). По принципу их действия различают: градиентные и интерференционные радиопоглощающие материалы. Градиентные материалы представляют собой слой, в котором эффективные параметры изменяются плавно. Интерференционные покрытия состоят из чередующихся однородных слоев магнитодиэлектрика (пластмасса, каучук с наполнением) или чередующихся пленок из 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. Для обеспечения отрицательных значений этих величин, отрицательными должны быть и поляризуемости отдельных частиц. 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 поляризуемости частиц, составляющих эти среды. Расчет поляризуемостей строгими методоми может быть осуществлен только для очень простых элементов - частиц, в общем - то не представляющих интерес при создании искусственных сред, например шаров. Расчеты поляризуемостей большинства элементов, представляющих интерес, осуществляются приближенными методами, поэтому большой интерес представляют экспериментальные методы.
Предлагаемая работа посвящена отработке методов измерения поляризуемостей. Рассматривается так же возможность расчета электрических и магнитных эффективных параметров при известных значениях поляризуемостей.
Исходя из вышеизложенного, целью магистерской диссертации является развитие методов измерения поляризуемостей элементов искусственных сред, размеры которых соизмеримы с длинной волны и методов расчета эффективных электрических и магнитных проницаемостей решеток, состоящих из таких элементов.
Для достижения указанной цели в работе ставились следующие задачи диссертационной работы:
1) Исследовать возможность измерения поляризуемостей элементов
искусственных сред с помощью известного резонаторного метода.
2) Исследовать возможность измерения поляризуемостей элементов
искусственных сред с помощью волноводной измерительной линии, ранее не использовавшийся для этой цели.
3) Рассчитать поляризуемости шаров в переменных электрическом и магнитном полях для того чтобы иметь элемент для проверки экспериментальных методов.
4) Изготовить различные элементы искусственных сред для проведения эксперимента.
5) Измерить электрическую и магнитную поляризуемости элементов с помощью резонаторов и измерительной линии.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1) Короткозамкнутый отрезок волновода квадратного сечения (a = b = 72мм) соединенный с помощь перехода со стандартной измерительной линией (Р1-7) позволяет измерить вещественные и мнимые составляющие как электрической, так и магнитной поляризуемостей.
2) Зная значения поляризуемостей отдельных элементов можно найти электродинамические параметры структуры (постоянную распространения и волновое сопротивление) путем перехода от поляризуемости элемента, находящегося в плоской решетки, к сопротивлению участка поверхности.
Достоверность полученных результатов: достоверность методов и точность измерительных формул подтверждается проверкой, а именно измерением поляризуемостей элементов, которые поддаются достаточно точному и строгому расчету, а затем сравнением результатов построенной теории и эксперимента. В первую очередь это металлические шары и металлические стержни.
Научная новизна заключается в следующем: для решения задачи по определению электрической и магнитной поляризуемостей получены измерительные формулы как для волноводного, так и для резонаторного методов учтя неоднородность полей в них и искажение поля при размещении элемента внутри. Также метод волноводной измерительной линии абсолютно нов и нигде и никогда не применялся.
Научная ценность и практическая применимость: разработаны
экспериментальные методы измерения поляризуемостей отдельных частиц для определения их различных электромагнитных свойств, что в дальнейшем может помочь при конструировании искусственных сред, представляющих интерес. Тем временем с помощью искусственных сред в радиотехнике СВЧ можно получить устройства для фокусировки СВЧ излучения, создания направленного излучения, создания поглощающих устройств (неотражающих покрытий).

Купить