Введение к работе
Актуальность темы
В последнее десятилетие отмечается возросший интерес к исследованию электромагнитных свойств искусственных изотропных киральных материалов, которые находят различные применения в радиофизике и электронике. Понятие киральности включает оптическую активность и круговой дихроизм, следствием которых является вращение плоскости поляризации распространяющихся в киральной среде электромагнитных волн.
В качестве образца, обладающего свойством электромагнитной киральности в СВЧ диапазопе, была предложена совокупность произвольно ориентированных идентичных спиралей, погруженных в диэлектрик с низкими потерями. Спирали могли быть металлическими или керамическими. К размеру спиралей предъявлялись определенные требования: они должны быть достаточно малыми.чтобы материал был однородным киральным композитом, но не настолько малыми, чтобы они стали "невидимыми'' для электромагнитной волны, распространяющейся в среде. Образцы киральных сред проявляют ряд интересных свойств. Несмотря на свою изотропность, киральная среда имеет две собственные моды круговой поляризации правого и левого направлений вращения, как в анизотропных средах. Отмечается, что искусственные киральные материалы в СВЧ диапазопе обладают активностью па много порядков выше, чем оптические кристаллы.
Появление киральной технологии открыло новые возможности применения этих сред на СВЧ. К настоящему времени опубликован ряд патентов. В частности, известно применение киральных материалов в качестве подложки в микрополосковых антеннах, в качестве нратшюрадиолокаци-онных покрытий.
По сравнению с диэлектриком киральность дает дополнительную степень свободы или дополнительную возможность влияния на волновые процессы, поэтому закономерен огромный интерес к исследованию подобных структур. Однако, в этих исследованиях отсутствуют работы, связанные с сочетанием киральных материалов и проволочных структур, а также возбуждение данных структур более сложными, например, фазированными источниками. Поэтому разработка методов решения подобных задач и выяснение новых физических явлений и закономерностей является важной и актуальной темой. Интерес к электродинамике ки-
ральных сред и исследованию каральних материалов не ослабевает. Фундаментальные радиофизические исследования волновых явлений в ки-ральных средах в настоящее время ведутся во многих странах, в том числе и в России (несколько коллективов в Москве и в Санкт-Петербурге). В Сибирском физико-техническом институте им. В. Д. Кузнецова исследования в этом направлении начаты в 1990г. доктором физ.-мат. наук В. В. Фисановым.
Целью работы является
-
разработка математического аппарата для шадитнческого решения задач о возбуждении структур, образованных линейными или спиральными проводниками, расположенными на киральном слое с экраном;
-
нахождение решений соответствующих граничных задач и создание на их основе эффективных алгоритмов расчета электродинамических характеристик исследуемых структур;
-
расчет электродинамических характеристик структур, анализ и физическая 'Интерпретация полученных результатов;
-
выявление новых и слабоизученных явлений и закономерностей в волновых процессах, происходяхцих при возбуждении указанных структур.
Научная новизна
Предложен к исследованию новый тип киральных структур с анизотропными свойствами, которые достигаются за счет размещения на поверхности изотропных киральных материалов решеток, образованных системами линейных или спиральных проводников.
Методы и подходы к математическому моделированию и решению новых граничных задач являются оригинальными и образуют методическую базу представленных в работе исследований. Новыми являются применения метода интегральных преобразований в граничных задачах о возбуждении плоских киральных слоев с расположенными на их поверхности системами линейных или спиральных проводников, что позволило впервые решить ряд модельных задач о возбуждении плоских проволочных структур на киральпой подложке, исследовать спектры возбуждаемых волн, провести расчеты характеристик поля излучения.
Проведенные исследования позволили сформулировать следующие положения, выносимые на защиту
-
Расположенная поверх киральной подложки система линейных проводников приводит, как и сама киральность, к преобразованию волы дискретного спектра в гибридные, обуславливает наличие среди волн дискретного спектра поверхностной волны с наибольшим замедлением и возможность однонаправленного переноса энергии этой волной, а так же служит причиной возникновения в слое быстрых волн; в поле излучения приводит к его отсутствию в плоскости структуры, появлению кроесполяризовашюй компоненты и сужению диаграмм излучения.
-
Несинфазность источника приводит к появлению л поле излучения кроесполяризовашюй компоненты и асимметрии диаграмм излучения; в дискретном спектре совместно с системой проводников приводит к асимметрии дисперсионных кривых волп, распространяющихся в обе стороны от источника.
-
Решение двумерной задачи о возбуждении системы спиральных проводников па киральной подложке может быть найдено из решения соответствующей двумерной задачи о возбуждении системы линейных проводников на такой же подложке посредством сформулированного правила перехода.
Практическая значимость работы
Подобные задачи представляют особый интерес в связи с разработкой различных устройств па СВЧ, включая антенны. Физическое понимание явлений, основанное на анализе полученных решений, позволит проводить расчеты конкретных антенн и устройств, использующих киральные материалы. Это предполагает и то, что киральные материалы потенциально могут заменить некоторые из используемых в СВЧ устройствах материалы и откроют новую главу в конструировании СВЧ приборов и устройств.
Достоверпость результатов обеспечивается использованием корректного математического аппарата иптегральпых преобразований для аналитического решения в строгой постановке граничных задач электроди-
намики. Найденные решения граничных задач в предельных случаях совпадают между собой, совпадают с известными решениями и результатами других авторов, совпадают с известными численными результатами.
Апробация работы
Основные результаты диссертации обсуждались на 5-ой Международной конференции "Математические методы в электромагнитной теории" (г. Харьков, Украина, 1994г.); на 15 Международном симпозиуме URSI но электромагнитной теории (г. Санкт-Петербург, Россия, 1995г.); на 6-ой Международной конференции "Математические методы в электромагнитной теории" (г. Львов, Украина, 1996г.); на 7-ой Международной конференции "Математические методы в электромагнитной теории" (г. Харьков, Украина, 1998г.); на ежегодных научных сессиях СФТИ (1995г., 1996г.).
Публикации и личный вклад автора.
По материалам диссертации оформлено 10 научных публикаций. Результаты диссертации, сформулированные в защищаемых положениях, отражают личный вклад автора в опубликованные работы. Конкретно, им осуществлялись выбор, оценка эффективности, разработка и реализация на ЭВМ алгоритмов для расчетов характеристик исследуемых структур; формулировка основных результатов. Совместно с руководителем работы была определена общая программа исследований и ее отдельные этапы, обсуждались результаты исследований.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 130 с. иллюстрируется 41 рисунком, список литературы содержит 138 наименований.
