Введение к работе
Актуальность темы
Проблема симметрии-асимметрии играет важную роль в вопросах возник-ієния и развития вселенной и жизни на Земле. Частью этой общей проблемы ступает явление киральности как проявление асимметрии левого и правого греч. - "xipo" - рука, зеркально-асимметричный предмет). Данное явление ілюдается в различных областях человеческого знания, таких как биология, шли физика. В середине ХІХв. известный биолог Луи Пастер впервые объяс-і природу оптической активности кристаллов молекулярной асимметрией, да формы молекул право-и левовращагощихся изомеров должны относить-груг к другу как зеркальные отображения или как правый и левый винты. На іньїй момент оптические свойства гиротропных сред хорошо исследованы. Соответствующие явления в диапазонах СВЧ и КВЧ начали активно изу-ься лишь в 80-ые годы XX века. Особый интерес представляют исследова-[ электродинамических свойств искусственных композиционных материалов 1СТ0ТИЫХ диапазонах, где существенную роль играет пространственная дис->сия. К таким относятся и киральные среды, содержащие зеркально-асим-ричные элементы [Ш]. Обычно киральная среда является макроскопически ородной, образованной из микрообъектов одной и той же зеркальной разно-;ности, которые равномерно распределены и хаотически ориентированы в тропной (диэлектрической или магнитодиэлектрической) вмещающей среде ]. Отличие такой среды от обычной изотропной с математической точки зре-выражается в иной форме материальных уравнений: векторы электричес-и магнитной индукций связаны как с напряжённостью электрического, так агнитного полей.
Волновые процессы в клральных средах характеризуются распространени-двух волн с противоположными круговыми поляризациями и различными гоянными распространения. Вторым важным свойством киральной среды тется изменение поляризации падающего излучения. Яркое проявление ки-ьности - натичие деполяризованной составляющей в рассеянном от кираль-з объекта ноле.
За последние двадцать лет по рассматриваемой тематике было опубликова-іольшое число теоретических работ. Основной упор при исследовании элек-хинамических свойств игральных структур делается на изучение дифрак-элекгромагнитныхволн на таких рассеивателях. Этот интерес связан, прежде о, с возможностью создания на основе киральной среды малоотражающих эытий. Первыми работами в этом направлении, по видимому, являются за-i рассеяния электромагнитных волн на клральных круговом цилиндре [ЛЗ], эе f Л4] и сферическом слое [Л5], решённые классическим методом разделе-
ния перемснннхгВ^осяеднее-врсмя^лядіисл(цщош-Шшіения задач рассеяния используются методы поверхностных интегральных уравнений и дискретных источников, при помощи которых рассмотрены задачи электромагнитного рассеяния на двумерных и трёхмерных киральных телах [Л6, Л7].
Другим направлением в исследовании свойств киральных сред является изучение отражеиия электромагнитных волн от плоских киральных структур. Еще в 1988 году Lakhtakia A., Varadan VV. и Varadan V.K. [Л8] получили решение задачи рассеяния электромагнитной волны на плоской изотропной киральной среде. В этой же работе проводится обобщение известных теорем электродинамики на случай киральной среды (принципГюйгенса, формулы Френеля и др.).
Несмотря на интенсивно проводимые исследования по данной тематике имеется много «белых» пятен. В частности, в научной литературе нет однозначности в математической моделе киральной среды. Как результат, до сих пор открыт вопрос о том, какая форма записи материальных уравнений наиболее полно и адекватно описывает свойства киральности среды. Различные авторы в своих исследованиях используют разные формы записи материальных уравнений, что зачастую приводит к качественно несовпадающим результатам при решении одной и той же электродинамической задачи. В диссертационной работе задача отражения электромагнитной волны от киралъного слоя с односторонней металлизацией рассматривается именно с этой позиции.
Значительное развитие получила теорій волноведущих структур с кираль-ным заполнением. Начало исследованиям в этом направлении положила статья Lakhtakia A., "Varadan V.V. и Varadan V.K., посвященная расчёту собственных волн плоского однородно-заполненного киралъного волновода с металлическими стенками [Л9]. С тех пор подробно изучены собственные волны открытых и закрытых круглых однородно-заполнсішьгх волноводов. Анализ прямоугольных киральных волноводов требует применения численных математических методов. Заполнение волновода киральной средой приводит к новым свойствам собственных волн (например, бифуркации мод). В частности, киральность снимает вырождение, присутствующее при обычном диэлектрическом заполнении. Однако, до сих пор не исследованы закономерности распространения электромагнитных волн в слоистых киральных волноводах. В научной литературе отсутствуют упоминания об исследовании волноведущих структур с одновременным включением киралъного и ферритового слоев. Сочетание таких сред может привести к самым неожиданным новым физическим эффектам.
Настоящая диссертационная работа в известной мере затрагивает указанные направления, что даёт возможность сделать вывод об актуальности разработанной темы.
Цель работы заключается
в обосновании выбора формы записи материальных уравнений для описания свойств киральной среды;
в электродинамическом моделировании свойств отражающих и волноведущих структур с киралышми слоями.
5 Научная новизна работы
1. Задачи дифракции плоских электромагнитных волн Е- и Н-поляризаций
едены к решению унифицированных систем линейных алгебраических урав-
ниіі, не зависящих от вида материальных уравнений и не налагающих огра
нений на физические и геометрические параметры игральной среды.
2. Проведено комплексное исследование отражающих свойств односторон-
-металлизироваикого игрального слоя, что позволило:
провести сравнение отражающих свойств односторонне-металлизирован-го киралыюго слоя для различных материальных уравнений;
установить область применимости приближённых граничных условий, исывающихтонкий односторонне-металлизированный игральный слой [Л 10];
провести сравнение отражающих свойств односторонне-металлизирован-го киралыюго слоя и односторонне-метшшізированного диэлектрического эя с потерями.
-
Получены аналитические решения задач дифракции плоских электромаг-тных волн Е- и Н-поляризаций на идеально-проводящем стержне в круговой ра льной оболочке и проведено исследование дифрагированных полей в ближ-іі и дальней зонах излучения.
-
Впервые получены дисперсионные уравнения и выражения для полей собствен-х волн плоских двухслойных металлизированных волноведущих структур с ки-гыгыии слоями (киралыто-диэлекгрический и киралыю-ферритовый волновод).
-
Впервые проведён анализ спектров собственных волн плоских двухслой-х металлизированных кирлльно-дгалекгріріеского и кярально-ферритового
ІНОВ0ДОВ, ЧТО ПОЗВОЛИЛО".
изучить влияние физических параметров и геометрических размеров слона характер распространения собственных волн;
исследовать распределения полей собственных волн;
изучить природу возникновения распространяющихся собственных волн.
Обоснованность.!!достоверность результатов работы
Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе (ультатов подтверждается:
использованием математически обоснованных методов решения постав-гаых задач;
сравнением отдельных расчетов, выполненных в диссертационной работе, езультатами, полученными другими авторами при помощи других методов;
предельными переходами полученных результатов в известные соотноше-і для более простых структур (в частности, при замене киральной среды на шектрическую).
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключается в следующем:
r~Полугенньїе-янялитическис-реірсния-.чалачліифрлктіин пппстих чттрктрі>
магнитных волн на структурах с киральными слоями, а также результаты проведённых в диссертации исследований могут быть использованы при созданш и оптимизации малоотражающих покрытий в широком диапазоне частот электромагнитных волн для летательных объектов.
-
Нетривиальные дисперсионные характеристики собственных волн плоских двухслойных волноведущих структур с киральными слоями могут статі основой для создания новых функциональных устройств СВЧ и КВЧ диапазо нов, таких как фильтры, корректоры, электрически управляемые фазовращатс ли, преобразователи типов волн и т.д.
-
Весьма перспективным, на наш взгляд, является использование кираль ных включений (слоев) при реализации сверхбыстрых логических операций пс обработке пространственно-модулированных электромагнитных сигналов і диапазоне СВЧ.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Точные аналитические выражения для коэффициентов отражения основ ных и деполяризованных составляющих поля плоских электромагнитных волі Е- и Н-поляризаций от односторонне-металлизированного кирального слоя, не зависящие от формы записи материальных уравнений.
-
Результаты обоснования выбора формы записи материальных уравненш для описания свойств киральной среды.
-
Результаты электродинамического анализа отражающих свойств односто ронне-металлизированного кирального слоя.
-
Точные формулы для основного и деполяризованного дифрагируемы) полей при рассеянии плоских электромагнитных волн Е- и Н-поляризаций н; идеально-проводящем стержне в ферритовой и киральной оболочках.
-
Дисперсионные уравнения для плоских двухслойных металлизированны) киралъно-диэлекгрического и кирально-ферритового волноводов.
-
Результаты исследования собственных волн плоских двухслойных метал лизированных кирально-диэлектрического и кирально-ферритового волноводов
Апробация работы
Результаты диссертационной работы апробировались на IX Международ ной школе-семинаре «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ» (г. Самара 1997г.), VI Международной научно-технической конференции «Электродина мика и техника СВЧ и КВЧ» (г. Самара, 1999г.), I Международной научно-тех нической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Тсхни ка и технология связи» (г. Минск, 1999г.), а также на научно-технических кон ференциях профессорско-преподавательского и инженерно-техштческого состав; ПГАТИ(г. Самара, 1998-1999 гг.).
Результаты работы вошли в первый том монографии В. А. Неганова, С.Б
Раевского, Г.П. Ярового «Линейнаямакроскопическая электродинамика» (М.: Радио и связь, 20О0.-509с.), а также внедрены в учебный процесс Самарского государственного университета.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников из 79 наименований, и содержит 131 страницу текста, в том числе 46 рисунков.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 5 статей, 14 тезисов докладов на различных (в том числе и международных) научно-технических конференциях и симпозиумах.
