THE USING OF MAXWELL GARNETT AND BRUGGMAN MODELS TO DESCRIBE HETEROGENEITY OF A CHIRAL METAMATERIAL BASED ON GAMMADIONS


Cite item

Full Text

Abstract

This paper assesses the various generalized mathematical models of microwave chiral metamaterials based on various forms of material equations. The article concludes that it is necessary to describe a chiral metamaterial as a heterogeneous media, taking into account the dependence of the effective dielectric permittivity on the container permittivity and permittivity of a volumes with chiral inclusions. In this work, mathematical models of a chiral metamaterial are constructed based on the Maxwell Garnett and Bruggeman formulas, taking into account the properties of heterogeneity. As the investigated chiral metamaterial we chose a metastructure based on fine-wire curved gammadions with different numbers of loops. For this structure, the resonance frequencies of chiral inclusions in the form of multi-loop fine-wire curvilinear gammadions were determined. As an example, we solved the problem of reflection (transmission) of a plane electromagnetic wave with linear polarization from a planar layer of a chiral metamaterial based on a uniform matrix of multi-loop fine-wire curvilinear gammadions. In this work, the influence of the number of gammadion loops on the reflecting and transmitting properties of the chiral metamaterial is determined. The article analyzes the issues of using the Maxwell Garnett and Bruggeman formulas to take into account the heterogeneity of the chiral metamaterial and their influence on the results of calculating the reflection and transmission coefficients of the wave. It is proved in this work that a planar layer of a chiral metamaterial based on multi-loop fine-wire curvilinear gammadions allows concentrating the incident electromagnetic field in the plane of the metastructure.

Full Text

Введение Метаматериалы в настоящее время остают- ся объектом для исследования многих научных групп всего мира [1-3]. Это связано с тем, что с помощью создания искусственной структуры метаматериала возможно получение уникальных свойств взаимодействия электромагнитного поля с веществом. Любой метаматериал состоит из не- сущей среды (контейнера) и размещенных в нем периодически или квазипериодически компонент из другого материала естественного происхожде- ния. В этой связи уникальные электромагнитные свойства, достижимые при создании метама- териалов, могут быть обусловлены как про- странственной композицией компонентов, так и их локальной структурой. Практически любой метаматериал может быть представлен в виде контейнера из материала естественного проис- хождения А, в котором определенным образом распределены компоненты Б из другого матери- ала. Это обуславливает необходимость рассмо- трения метаматериала с макроскопической точки зрения как гетерогенной среды. Особым классом метаматериалов является ки- ральный метаматериал (КММ), в пространствен- ную структуру которого входят компоненты Б, об- ладающие свойством «зеркальной асимметрии» [4-6]. По сути, компонентами являются микро- структуры, которые могут существовать в двух формах - правой (R) и левой (L), которые соот- носятся друг относительно друга как зеркальные отражения в плоском зеркале. Такие метаматери- алы начали активно изучаться в конце XX века и получили название киральных сред, а зеркально асимметричные компоненты - киральных эле- ментов. Аналогом киральных сред СВЧ являются оптически активные среды, изучение которых на- чалось еще в XIX веке с работ Бозе, Пастера и др. В киральных средах, как и в любых метамате- риалах на основе упорядоченных структур ком- понентов, принципиальное значение и влияние на электромагнитные свойства оказывает про- странственная дисперсия. Основные электромаг- нитные свойства киральных метаматериалов - это кросс-поляризация, частотная и поляризаци- онная селективность и т. п. [5-11]. Новым этапом развития метаматериалов ста- ли упоминания возможности создания сред с отрицательным преломлением (существование которых предсказал Веселаго в 1968 году) [8-9]. Причем при создании подобных сред зачастую использовались компоненты именно с зеркально асимметричной пространственной конфигураци- ей (например, одиночные и двойные разомкну- тые кольца и др.). В данной статье пойдет речь об уточнении обобщенных моделей киральных метаматериа- лов, а именно об учете в них свойств гетероген- ности. Сразу отметим, что предлагаемые матема- тические модели могут быть применены именно к киральным (и биизотропным) средам при ус- ловии, что все зеркально асимметричные компо- ненты размещаются на одинаковых расстояниях и ориентация их геометрических осей является произвольной. Наиболее хорошо изученными видами киральных компонент являются одно- и многозаходные тонкопроволочные спирали, ра- зомкнутые тонкопроволочные кольца с выступа- ющими прямолинейными концами, тонкопрово- лочные и планарные гаммадионы и др. В научной литературе мало обсуждается во- прос о том, чем вызваны своеобразные свойства киральных метаматериалов: пространственным размещением компонентов Б в контейнере А или же пространственной конфигурацией используе- мых зеркально асимметричных компонент Б? Заметим, что в уравнениях состояния для ки- ральной среды [4] материальные параметры яв- ляются эффективными. Однако в них отсутствует учет зависимости от материальных параметров контейнера А и компонентов Б, то есть, по сути, учет гетерогенности. В предлагаемой работе будет построена мате- матическая модель КММ, в которой будут учтены основные физические и геометрические свойства кирального метаматериала - киральность, гете- рогенность и дисперсия. Гетерогенность. Упорядоченное размещение микроэлементов в контейнере. Для описания данного свойства в работе использовались модели Макс- велла-Гарнетта [12; 14; 15] и Бруггемана [13-15]. Киральность. Компоненты метаматериала обладают зеркально асимметричной конфигу- рацией. В работе использовались материальные уравнения в формализме Линделла - Сиволы [4]. Дисперсия. Зависимость материальных пара- метров метаматериала от частоты. Для описания дисперсии использовалась модель Кондона, из- вестная из квантовой теории оптически активных сред, а также уже применяемая для киральных сред СВЧ [16]. В работе построены две математические мо- дели КММ, учитывающие гетерогенность на ос- нове моделей Максвелла-Гарнетта и Бруггемана, а также проведено сравнение их использования при решения электродинамических задач. Математические модели кирального метаматериала Киральная среда представляет собой компози- Рисунок 1. Обобщенная структура кирального метаматериала то для его физико-математического описания не- обходимо ввести эффективные диэлектрическую и магнитную проницаемости, которые зависят от соответствующих проницаемостей несущей сре- ды и объемов, занятых зеркально-асимметрич- ными компонентами: ционный метаматериал на основе несущей среды  c , s ;   c ,s . (1) (контейнера) и как минимум одного компонента, обладающего свойством зеркальной асимметрии. При построении математической модели КММ будем считать, что в несущем контейнере А раз- мещаются зеркальные компоненты одного типа Б, которые являются тождественными и хаотически ориентированными в контейнере. Обобщенная пространственная конфигурация кирального ме- таматериала приведена на рисунке 1. КММ представляет собой совокупность одно- родного диэлектрического контейнера (А) с отно- сительной диэлектрической проницаемостью c и относительной магнитной проницаемостью c , где равномерно размещаются и хаотически ориентируются зеркально асимметричные компо- Произвольный взаимный макроскопически однородный КММ может быть набором трех материальных параметров (1) - эффективными диэлектрической проницаемостью , магнитной проницаемостью  и параметром киральности . Вставка зависимостей (1) в материальные урав- нения для КММ позволяет учесть гетерогенность метаматериала в целом. В качестве соотношений (1) могут быть использованы формулы Максвел- ла-Гарнетта [12; 14; 15] и Бруггемана [13-15]. Впервые материальные уравнения для опти- чески активной среды записал американский фи- зик Эдвард Улер Кондон (Edward Uhler Condon) в предположении отсутствия у среды магнитных свойств ( 1): ненты Б. Расстояние между ближайшими со- седними киральными включениями обозначим через l; линейный размер области, занятой одним   D  E -   H ;  t   B  H     E ,  t (2) киральным компонентом, через d. КММ пред- ставляет собой совокупность однородного кон- тейнера, в котором размещена одно- или двух- мерная матрица из зеркально асимметричных компонентов Б с периодом l. где  - относительный параметр оптической активности. В 1986 г. М. Сильверман [10] обобщил и симметризировал уравнения (2) на случай ис- кусственной киральной среды:         D E H ; B H E , (3) Таким образом, зеркально асимметричные ми-   -  t      t кровключения представляют собой микроскопические электромагнитные частицы, соизмеримые с длиной волны СВЧ-поля, которые являются пегде  - относительный параметр киральности. В 1988 г. С. Бассири и др. [11] записали ма- териальные уравнения (3) для случая гармоничереизлучателями электромагнитного поля (ЭМП), падающего на КММ.  ской зависимости в виде E и  H ~ expit  для Вследствие того что киральный метаматери- ал представляет собой совокупность контейнера и зеркально асимметричных микровключений, комплексных амплитуд векторов поля:       D  E - iH; B  H  iE, (4) где    - относительный параметр киральности. В 1992 г. Линделл и Сивола применили наи- более часто используемую в настоящее время форму записи материальных уравнений для Подставляя в (5) соотношения (7), имеем 1  2 s - εc     2     КММ [4]:       D r   c 1 - s c s - εc E r   i H r , (8) D   E  i H , B   H  i E. (5) s  2c где  - относительный параметр киральности.                 В соотношениях (5) верхние знаки соответ- B r H r i E r . ствуют КММ на основе зеркально асимметрич- ных компонентов с правой закруткой (правых форм компонентов), а нижние знаки - КММ на основе зеркально асимметричных компонентов с левой закруткой (левых форм компонентов). В материальных уравнениях (5) диэлектриче- ская проницаемость  не учитывает простран- ственную структуру метаматериала, а также концентрацию включений. В связи с указанным Материальные уравнения (8) составляют ма- тематическую модель однородного кирального метаматериала с учетом свойства гетерогенности с использованием формулы Максвелла-Гарнетта. Учет гетерогенности КММ с использовани- ем модели Бруггемана. Для описания гетероген- ности метаматериала воспользуемся соотношением Бруггемана [13-15]:  -  - фактом материальные уравнения должны быть 1 -  c  s  0, (9) дополнены соотношениями для диэлектрической проницаемости метаматериала (эффективной ди- электрической проницаемости), учитывающей проницаемости контейнера, включений, а также их концентрацию. В настоящее время наиболее известными моделями диэлектрической прони- цаемости гетерогенной среды (метаматериала) являются модели Максвелла-Гарнетта и Бругге- мана. Учет гетерогенности КММ с использовани- ем модели Максвелла-Гарнетта. Для описания c  2 s  2 где  - относительная эффективная диэлектри- ческая проницаемость КММ; c - относительная диэлектрическая проницаемость контейнера А; s - относительная диэлектрическая проница- емость объемов, занятым киральными микро- включениями Б;  - объемная концентрация микровключений. Из формулы (9) получаем соотношение для эффективной диэлектрической проницаемости КММ: пространственной структуры метаматериала воспользуемся моделью (формулой) Максвелла-Гар-  ,    2 1 - - 1 , (10) нетта [12; 14; 15]: где 1 2 4 2 2  - c   s - c , (6)  1 - 3 -  2 - 3      s c  ;   - c s . (11)   2c s  2c 1 2 где  - относительная эффективная диэлектрическая проницаемость КММ (как пространствен- ной структуры, состоящей из несущей среды А и компонентов Б); c - относительная диэлектри- 2 2 Подставляя (11) в (10), получаем для эффек- тивной диэлектрической проницаемости в моде- ли Бруггемана ческая проницаемость несущей среды А; s - относительная диэлектрическая проницаемость    s 1 - 3 - c  2 - 32 εcεs - области, занятой компонентом Б;  - объемная концентрация компонент Б. Из (6) получаются следующие соотношения 16 2 - . s 1 - 3 - c 2 - 3 4 (12) для эффективной диэлектрической проницаемости КММ: Формула (12) определяет (согласно модели Бруггемана) эффективную диэлектрическую про-  c 1  2x ; 1 -  x  s - c   2 . (7) ницаемость метаматериала через относительные диэлектрические проницаемости несущей среx s c Формулы (8) определяют (согласно модели Максвелла-Гарнетта) эффективную диэлектриды А и объемов, занятых микровключениями Б. Подставляя в (5) соотношения (12), получаем ческую проницаемость произвольного метаматериала через относительные диэлектрические        2 s 1 - 3 - c 2 - 3  c s - проницаемости несущей среды А и объемов, занятых компонентами Б. D r    16 2 (13) s 1 - 3 - c 2 - 3    2       0 -    E r 4  i H r ; s   s  2 2 . 0 -       B r    H r   i Er . Материальные уравнения (13) составляют ма- тематическую модель однородного кирального метаматериала с учетом свойства гетерогенности с использованием формулы Бруггемана. Подставляя (14) в уравнения (13), получаем математическую модель кирального метамате- риала, учитывающую свойства киральности, ге- терогенности (на основе формулы Бруггемана) и дисперсии: 2 Кроме учета свойства гетерогенности кираль-        i A0   ; D E H ного метаматериала, необходимо учесть и свойство дисперсии материальных параметров. Для 0 c 2 - 2  2 этого воспользуемся моделью Кондона.        i A0   ; B ñ H E Учет дисперсии. КММ принципиально обладает пространственной дисперсией, следователь- 0 c 2 - 2  2 но, его диэлектрическая проницаемость и пара-   s 1 - 3 - c 2 - 3  cs - (16) метр киральности зависят от частоты падающего  поля. В научной литературе приводятся следу- ющие частотные зависимости диэлектрической проницаемости и параметра киральности [16]: 16 2 - s 1 - 3 - c 2 - 3 ; 4 2 A2  2      0 .    c  2 2 ;   c  , 2 2  (14) 0 0 0 s 0 - 0 - s s 2 - ω2 где s - относительная диэлектрическая прони- цаемость области, занятой киральным компонен- том Б;  - объемная концентрация компонента в контейнере А;  - параметр киральности КММ; c - скорость электромагнитной волны в вакууме; A - параметр, имеющий размерность длины и связанный с расстоянием между элементами; 0 - параметр, имеющий размерность частоты и связанный с внутренними процессами в среде. Соотношения (14) являются эквивалентом мо- дели Кондона на СВЧ. При записи выражений (15)-(16) предполагалось, что диэлектрическая проницаемость кон- тейнера (несущей среды) является постоянной и не зависит от частоты. Использование математических моделей кирального метаматериала для решения задачи о падении плоской электромагнитной волны линейной поляризации на планарный слой КММ Рассмотрим задачу о падении плоской элек- тромагнитной волны линейной E- или H-по- Резонансная частота 0 определяется пространственной конфигурацией и линейными раз- мерами зеркальных микровключений. Для КММ на основе разных видов зеркальных компонент вычисление резонансных частот осуществляется различными методами. Поставляя формулу (14) в материальные уравнения (8), получаем математическую модель ки- рального метаматериала, учитывающую свойляризации на планарный слой из кирального метаматериала. Геометрия задачи представлена на рисунке 2. Плоская электромагнитная волна падает на планарный слой КММ под углом . Область 1 на рисунке 2 является диэлектриком с диэлектриче- ской и магнитной проницаемостями 1 и 1. Слой КММ (область 2) описывается материальными ства киральности, гетерогенности (на основе параметрами: 2 , 2 и 2 в рамках построенной формулы Максвелла-Гарнетта) и дисперсии: математической модели (9). Объемная концентрация зеркально асимметричных компонентов в A    2  0 слое КММ равна 2 . Толщина планарного слоя D  E  i c H ; 0 2 - 2  КММ h. Область 3 является диэлектриком с диэ-   A2   лектрической и магнитной проницаемостями 3 B   ñ H   i 0 E;  2 2  и 3 . При решении задачи также предполагает-    c 1  2x  ;  0 -    s  - c ; (15) ся, что на всех границах раздела отсутствуют по- верхностные заряды и токи. Также будем считать, что КММ является неc 1 -   x    2 x s c ограниченно протяженным вдоль оси Oz. При решении задачи будем учитывать явление кросс- Рисунок 2. Геометрия задач поляризации, возникающее при отражении (про- хождении) электромагнитной волны от слоя из кирального метаматериала, а именно при паде- нии волны с E-поляризацией будут возникать компоненты отраженного и прошедшего ЭМП с Таким образом, требуется определить матри- цы коэффициентов отражения и прохождения ос- новной и кросс-поляризованной компонент поля (10)-(12). Планарный слой КММ описывается следующими материальными уравнениями: H-поляризацией и обратно.  ( 2)     ( 2)     ( 2) D E i H ; Коэффициенты отражения плоской волны от 2 2    (20) слоя КММ определяются следующей матрицей: B( 2)   2 2 H( 2)  i  E( 2) ,  r r  где верхние и нижние знаки определяют правую Rˆ   hh he , (17) или левую форму зеркально асимметричных ком-  reh ree  понентов. Соотношения (20) записаны в гауссогде rhh - коэффициент отражения ЭМП с вой системе единиц. При решении использова- H-поляризацией при падении ЭМП с H-полялись математические модели (15)-(16) и метод ризацией; rhe - коэффициент отражения ЭМП частичных областей [18]. Общая структура решес H-поляризацией при падении ЭМП с E-поляния приведена в [17]. ризацией; ree - коэффициент отражения ЭМП На границах раздела выполняются граничные с E-поляризацией при падении ЭМП с E-поляусловия для тангенциальных составляющих векризацией; reh - коэффициент отражения ЭМП торов напряженностей электрического и магнитс E-поляризацией при падении ЭМП с H-поляризацией. По аналогии коэффициенты прохождения в области 3 могут быть упакованы в матрицу коного полей [14]:   E(1)  y  0  E( 2)  y  0;     H(1)  y  0  H(1)  y  0; эффициентов прохождения, где смысл индексов  ( 2)     -   (3)   -  (21) E y h E y h ; аналогичен (17):     t t  H  y  -h  H  y  -h. Tˆ   hh he . (18) ( 2) (3) В результате решение сводится к неоднород-  teh tee  ной системе линейных алгебраических уравне- Внутри слоя из кирального метаматериала будут распространяться волны с право (ПКП) ний следующего вида, например, для случая па- дения ЭМП H- и E-поляризации: и левокруговыми (ЛКП) поляризациями - две   преломленные из области 1 и 2, отраженные от  BH,E RH,E  AH,E . (22) T границы раздела с областью 3. Для их описания R  T ( -) ,T ( ) ,T ( -) ,T ( ) , r , r ,t ,t  ; можно ввести матрицу коэффициентов отражения-прохождения волн ПКП и ЛКП в области 2: E R R L L ee eh ee eh   cos T  - -  AE  1, 0, 0,  , 0, 0, 0, 0 ; Sˆ  TR T L . (19)  1      T  ( ) ( ) ( ) ( ) TR TL  R  T - ,T  ,T - ,T  , r , r ,t ,t  ; H R R L L hh he hh he Рисунок 3. Пространственная конфигурация микровключения и КММ  T Индуктивность и емкость N-заходного гамма- AH  0,1, -1 cos, 0, 0, 0, 0, 0 ; диона определяются следующим образом: 2   2  2 ; -1 N N  N  2 C  Ci ; L   Li   Li  , (23) R,L   1 - 11 sin  ; i 1 i 1  i 1      2 где L - индуктивность i-го S-элемента; C - ем- 2 2 2 i кость i-го S-элемента (i  1, N ); i N - общее число kR,L   k0  BR 2  2 ; S-элементов в гаммадионе. Емкость гаммадиона определяется следую-   1 1 ; k  k 11 ; щим образом: 1 1 0 C  Cý  Cìý , (24) k  k 33 ;   3 3 ; то есть в виде суперпозиции емкостей самого 3 0 3 R,L   kR,L h cosR,L ; 2 гаммадиона и межэлементной емкости. Собственная емкость гаммадиона определяет- 3  k3h cos3 ; s2   s2  2 02 ; 0 2 - 2 ся как Cý  c2 2NRd , (25)    A2 k002 . 0 2 2 - 2 Явный вид матриц BH,E не приводится в ста- тье. Из решения систем линейных алгебраичеh где h - толщина контейнера метаматериала. Межэлементная емкость определяется по фор- муле: ских уравнений (22) находятся элементы неиз- вестных матриц коэффициентов отражения и Cìý  c2 NRd , 2 A0 (26) прохождения основных и кросс-поляризованных где A0 - расстояние между центрами соседних компонент поля. Киральный метаматериал на основе гаммадионов. В итоге выражение для общей ем- кости N-заходного гаммадиона имеет вид: тонкопроволочных гаммадионов C  2Nc2  4 A  h  Rd  0 . (27) Рассмотрим построение частной математи- ческой модели КММ на основе матрицы мно- гозаходных гаммадионов. Пространственная конфигурация элемента и КММ на его основе  4 A0 h  Индуктивность N-заходного гаммадиона опре- деляется следующим соотношением: 2 2NR2 приведены на рисунке 3 (классический двухза- L  c2 . d (28) ходный гаммадион показан справа, четырехзаходный гаммадион - слева). Заходы (S-элементы) в структуре N-заходного гаммадиона отличаются друг от друга своими ге- Выражение с использованием формулы Том- сона для резонансной частоты N-заходного гам- мадиона получается из соотношений (27) и (28): ометрическими параметрами. Однако при созда- нии метаматериала на их основе все гаммадионы должны быть тождественными. Обозначим гео- 0  1 c2c2 NR 2 A0 h . H 4 A0  h (29) метрические параметры i-го S-элемента в струк- Численные результаты туре гаммадиона через Ri радиус; di ширина Для проведения численного анализа была выметаллической полоски; Hi - высота S-элемента. брана структура, представляющая собой матрицу - Рисунок 4. Частотные зависимости отраженной от планарного слоя КММ мощности (E-поляризация) при использовании моделей Максвелла-Гарнетта и Бруггемана при α2 = 0,1 - Рисунок 5. Частотные зависимости прошедшей через планарный слой КММ мощности (E-поляризация) при использовании моделей Максвелла-Гарнетта и Бруггемана при α2 = 0,1 - Рисунок 6. Частотные зависимости отраженной от планарного слоя КММ мощности (E-поляризация) при использовании моделей Максвелла-Гарнетта и Бруггемана при α2 = 0,15 - Рисунок 7. Частотные зависимости прошедшей через планарный слой КММ мощности (E-поляризация) при использовании моделей Максвелла-Гарнетта и Бруггемана при α2 = 0,15 из двухзаходных гаммадионов. Контейнер имел Также можно отметить, что использование c 2  1, 6. Толщина планарного слоя КММ равгетерогенных моделей Максвелла-Гарнетта и нялась 0,05 м. Гаммадион обладал следующими значениями геометрических параметров: Бруггемана приводит к различным значениям резонансных частот, возникновению эффекта R1  0, 01 м, N1  2, r1  0, 002 м, частотно селективной концентрации ЭМП в пла- нарном слое КММ. H1  0, 05 м, d1  0, 05 м. Падение ЭМВ на исследуемый планарный На рисунке 6 приведены частотные зависислой КММ было нормальным:  0 . Были для мости отраженной от планарного слоя КММ примера исследованы два случая, когда менялась концентрация киральных компонентов внутри контейнера, то есть α2 = 0,1; 0,15. Также в каче- стве частного случая была рассмотрена ситуация, соответствующая отсутствию учета гетерогенно- сти КММ. В результате были рассчитаны частотные за- висимости отраженной мощности основной коммощности (E-поляризация) при различных значениях концентрации киральных компонентов в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц при α2 = 0,15. На рисунке 7 приведены зависимости прошед- шей через планарный слой КММ мощности (E-поляризация) при различных значениях кон- центрации киральных компонентов в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц при α2 = 0,15. Из сравнения рисунков 6 и 7 можно сделать поненты 20 lg ree и прошедшей мощности основвывод, что вблизи частот 2,77 и 6.0 ГГц наблюной компоненты 20 lg tee для случая падения на даются минимумы прохождения и отражения оспланарный слой КММ волны с E-поляризацией поля. На рисунке 4 приведены частотные зависимо- сти отраженной от планарного слоя КММ мощ- ности (E-поляризация) при различных значениях концентрации киральных компонентов в диапа- зоне частот от 1 до 10 ГГц при α2 = 0,1. На рисунке 5 приведены зависимости прошедшей через планарный слой КММ мощности (E-поляризация) при различных значениях кон- центрации киральных компонентов в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц при α2 = 0,1. Из сравнения рисунков 4 и 5 можно сделать вывод о том, что вблизи частот 2,77 ГГц и 6,0 ГГц наблюдаются минимумы прохождения и отраже- ния основной (падающей, Е) компоненты поля. На этой частоте ЭМП концентрируется в планар- ном слое КММ. новной (падающей, Е) компоненты поля. На этой частоте ЭМП концентрируется в планарном слое КММ. С ростом частоты расхождение, полученное при расчете характеристик с использованием раз- личных гетерогенных моделей, а также без их ис- пользования, возрастает. Заключение В работе построены математические модели КММ на основе N-заходных тонкопроволочных произвольно ориентированных гаммадионов, учитывающие свойства киральности, гетероген- ности (с использованием формул Максвелла-Гар- нетта и Бруггемана) и дисперсии. В результате решениязадачиопаденииплоскойэлектромагнит- ной волны линейной поляризации на планарный слой КММ доказано, что КММ может обладать ярко выраженными частотно селективными свой- ствами. В результате численного анализа были об- наружены частотные режимы, в которых КММ выполняет функции преобразователя нормально падающего электромагнитного излучения в пере- излучение в области метаструктуры. Обнаружен- ный эффект может быть использован при раз- работке частотно селективных концентраторов (хабов) СВЧ-энергии, а также частотно селектив- ных сенсорных метаповерхностей. В работе до- казано, что использование гетерогенных моделей Максвелла-Гарнетта и Бруггемана приводит к различным значениям резонансных частот, воз- никновению эффекта частотно селективной кон- центрации ЭМП в планарном слое КММ. Показано, что с ростом частоты расхожде- ние, полученное при расчете характеристик с ис- пользованием различных гетерогенных моделей, а также без их использования, возрастает.
×

About the authors

M. V Aralkin

Military Academy of the Strategic Missile Forces named after Peter the Great of the Ministry of Defense of the Russian Federation

Email: aralkin_mv@inbox.ru
Balashikha, Russian Federation

A. N Dementyev

MIREA - Russian Technological University

Email: dementev_2001@mail.ru
Moscow, Russian Federation

O. V Osipov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: o.osipov@psuti.ru
Samara, Russian Federation

References

  1. Capolino F. Theory and Phenomena of Metamaterials. London: CRC Press - Taylor & Francis Group, 2009. 992 p
  2. Engheta N., Ziolkowski R.W. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. Hoboken: Wiley, 2006. 414 p
  3. Iyer A.K., Alù A., Epstein A. Metamaterials and metasurfaces - Historical context, recent advances, and future directions //IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2020. Vol. 68, no. 3. P. 1223-1231. DOI: https://doi.org/10.1109/TAP.2020.2969732
  4. Electromagnetic Waves in Chiral and Bi-Isotropic Media / I.V. Lindell [et al.]. London: Artech House, 1994. 291 p
  5. Lakhtakia A., Varadan V.K., Varadan V.V. Time- Harmonic Electromagnetic Fields in Chiral Media. Lecture Notes in Physics. Berlin: Springer- Verlag, 1989. 121 p
  6. Caloz C., Sihvola A. Electromagnetic chirality. Part 1: The microscopic perspective [electromagnetic perspectives] //IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2020. Vol. 62, no. 1. P. 58-71. DOI: https://doi.org/10.1109/MAP.2019.2955698
  7. Controlling THz and far-IR waves with chiral and bianisotropic metamaterials / G. Kenanakis [et al.] // EPJ Appl. Metamaterials. 2015. Vol. 2. P. 15-1-12. DOI: https://doi.org/10.1051/epjam/2015019
  8. Veselago V.G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ // Soviet Phys. Uspekhi. 1968. Vol. 10, no. 4. P. 509-514
  9. Shelby R.A. Experimental verification of a negative index of refraction // Science. 2001. Vol. 292, no. 5514. P. 77-79
  10. Silverman M.P. Reflection and refraction at the surface of a chiral medium: comparison of gyrotropic constitutive relations invariant or noninvariant under a duality transformation // J. Opt. Soc. Am. 1986. Vol. 3, no. 6. P. 830-837
  11. Bassiri S., Papas C.H., Engheta N. Electromagnetic wave propagation through a dielectric-chiral interface and through a chiral slab // J. Opt. Soc. Am. 1988. Vol. 5, no. 9. P. 1450-1459
  12. Maxwell G.J.C. Colours in metal glassesand in metallic films // Phylos. Trans. R. Soc. London. Ser. A. 1904. Vol. 203. P. 385-420
  13. Bruggeman D.A.G. Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von eterogenen Substanzen, I. Dielektrizitatskonstanten und Leitfahigkeiten der Mischkorper aus sotropen Substanzen // Ann. Phys. 1935. Lpz. 24. P. 636-679
  14. Сушко М.Я., Криськив С.К. Метод компактных групп в теории диэлектрической проницаемости гетерогенных систем // Журнал технической физики. 2009. Т. 79, № 3. С. 97-101
  15. Юрасов А.Н., Яшин М.М. Теория эффективной среды как инструмент анализа оптических свойств нанокомпозитов // Российский технологический журнал. 2018. Т. 6, № 2 (22). С. 56-66
  16. Semchenko I.V., Tretyakov S.A., Serdyukov A.N. Research on chiral and bianisotropic media in Byelorussia and Russia in the last ten years // Progress in Electromagnetics Research. 1996. Vol. 12. P. 335-370
  17. Неганов В.А., Осипов О.В. Отражающие, волноведущие и излучающие структуры с киральными элементами. М.: Радио и связь, 2006. 280 с
  18. Harrington R.F. Time-Harmonic Electromagnetic Fields. New York: McGraw-Hill, 1961. 496 p

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2020 Aralkin M.V., Dementyev A.N., Osipov O.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies