Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена радиофизическим исследованиям сложных искусственных материалов с пространственной дисперсией-, принадлежащих к классу биан-изотропных сред. К ним относятся киральные среды, содержащие зеркально-асимметричные элементы, невзаимныо киральные среды, бианизотропные композиты. Общим для всех этих сред является то, что в них существенны магнитоэлектрические взаимодействия разной природы.
Киральные среды хорошо известны в оптике как оптически активные среды. Однако в диапазоне СВЧ и в миллиметровом диапазоне длин волн соответствующие явления стали привлекать внимание исследователей только в последние годы, когда были предложены новые возможные применения искусственных изотропных киральных материалов в технике СВЧ. Совсем недавно стали предметом активных радиофизических исследований и более сложные композиционные материалы, относящиеся к классу Сианизотропных сред. В частности, были предложены так называемые омега композиты, содержащие проводящие микровключения в форме греческой буквы П.
Искусственные структуры. таких типов могут служить конструкционным материалом для создания различных новых устройств СВЧ диапазона: малоотражающих и частотно-селективных поверхностей, преобразователей поляризации, фазовращателей и некоторых управляемых ферритовых устройств.
Исследования в этом направлении потребовали применения
радиофизических методов как для поиска путей создания материалов с нужными свойствами (исследование рассеяния на отдельных киральных частицах, моделирование сложных композитов, поиск новых методов измерений параметров материалов на СВЧ), так и для создания и анализа новых компонентов СВЧ техники (исследование отражения и прохождения волн в слоистых киральных средах, решение волноводных задач).
До начала работы над диссертацией были известны отражающие и поглощающие свойства изотропных киральных композитов (с произвольно выбранными значениями эффективных электродинамических параметров). Ранее были проанализированы свойства волн в плоских и круглых волноводах, заполненных взаимной изотропной киральной средой. Методы измерения материальных параметров были разработаны только для изотропных киральных сред*при измерениях в свободном пространстве. Не было известно способов расчета электродинамических параметров киральных и бианизотропных композитов по размерам и концентрации включений. Последовательный анализ невзаимных биизотропиых сред и бианизотропных композитов отсутствовал.
Целями работы были ' исследование электродинамических свойств бйизотропных и бианизотропных сред на СВЧ, разработка физических моделей и способов расчета электродинамических параметров, выяснение возможностей применения новых сложных композиционных сред в технике СВЧ и возможностей реализации этих сред. Для этого необходимо было решить следующие основные научные задачи:
исследовать основные свойства электромагнитных волн в многослойных бйизотропных и бианизотропных структу-
pax, определить, какое влияние коэффициенты магнитоэлектрической связи оказывают на коэффициенты отражения и прохождения волн,
построить последовательную теорию волноводов с би-изотропным и бианизотропным заполнением,
найти способы измерения материальных параметров сложных сред в свободном пространстве, в волноводах и в резонаторах,
найти способы моделирования электродинамических параметров сложных композитов и предсказания их свойств по исходным размерам, форме и концентрации частиц
и рнд других. В результате этих исследований, в значительной части изложенных в диссертационной работе, сделан вклад в развитие нового научного направления, которое можно определить как электродинамика сложных композиционных сред.
Научная нсшизна работы заключается в основном в следующем.
-
Построена теория отражения и прохождения плоских электромагнитных волн в слоистых биизотропных и бианизо-тропных структурах, позволяющая находить коэффициенты отражения и прохождения произвольно поляризованных волн в аналитическом виде в терминах диадных волновых импедансов и постоянных распространения собственных волн.
-
Исследованы отражающие и поглощающие свойства слоев омега композитов, показана возможность создания новых малоотражающих покрытий.
-
Определены и исследованы собственные волны в одноосных бианизотропных средах, а также коэффициенты отражения от плоских слоев таких материалов.
-
Получены приближенные граничные условия второго порядка, описывающие электродинамические свойства тонких слоев киральных и бианизотропных сред.
о. Построена теория волноводов, заполненных биизотропны-ми средами. Исследованы свойства волн в волноводах, содержащих слои омега композитов.
G. Предложена методика экспериментального определения параметра невзаимности биизотропиых сред по результатам измерения коэффициентов отражения от плоского слоя материала.
-
Разработаны волноводные и резонаторные методы определения материальных параметров биизотропиых сред.
-
Предложена антенная модель отдельных киральных и омега частиц, которая в сочетании с обобщенным методом Максвелла Гарнетта позволяет находить эквивалентные материальные параметры искусственных киральных и бианизотропных сред.
Практическая ценность работы состоит в разработке методов расчета полей в новых сложных композиционных средах и методов расчета параметров таких сред по геометрическим размерам включений. Это может позволить решать задачи синтеза таких структур по заданным электродинамическим характеристикам. Результаты работы могут быть непосредственно использованы при расчете новых устройств СВЧ на основе
сложных композиционных материалов. Особенно следует "~-метить возможные применения для создания малоотражаюишх покрытий.
Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на конференциях
1989 International Symposium on Electromagnetic Theory
1989 and 1992 European Microwave Conferences
Всесоюзный симпозиум "Полны и дифракция", 1990
1990 and 1992 IEEE International Symposia on Antennas and Propagation and URSI Radio Science Meetings
XXIII and XXIV General Assemblies of URSI (International Radio Science Union), 1990, 1993
Progress in Electromagnetic Research Symposia, 1991, 1994
Международный семинар "Лечь дифракции'', 1993
International workshop "Bi-isotropics'93"
International workshop "Bi-anisotropies'93"
Mediterranien Electrotechnical Conference, 1994
International workshop "Chiral'94"
International symposium "Euroelcctromagnetics", 1994
(см. публикации тезисов докладов в [24]--[44]).
Публикации. Научные положения и основные результаты опубликованы в монографии [1], обзорной статье [2] и f научных статьях [3]- -[23].
Структура и о5т,ем работы. Работа, состоит из введения, шести глан, заключения и приложения. Все главы относительно независимы и снабжены отдельными списками литературы, помещенными в конце глав. Диссертация содержит 215 страниц, 3G рисунков.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Предложенный метод векторных цепей позволяет рассчитывать коэффициенты отражения и прохождения для многослойных биизотропиых сред при произвольном угле падения произвольно поляризованных плоских волн.
-
При выполнении определенных соотношений между материальными параметрами омега композитов коэффициент отражения от металлических объектов, покрытых слоем омега композита, может быть существенно уменьшен.
-
Полученные приближенные граничные условия второго порядка для биизотропиых и бианизотропных слоев применимы для плоских слоев, толщины которых малы по сравнению с длинами волн в слоях, распространяющихся по нормали к границам слоя.
-
Фазовая скорость волн в структурах с омега композитами может быть больше скорости спета и регулируется
_ в широких пределах при изменении коэффициента заполнения.
5. Параметр невзаимности биизотропиых сред можно экспе
риментально определить по результатам измерений коэф
фициентов отражения от плоского слоя вещества при нор
мальном падении плоской электромагнитной волны.
6, Материальные параметры биизогропных сред можно опр'
делить полноводными и резонаторными методами гто
результатам измерения возмущений волноводов и резона
торов с вырожденными колебаниями разных типов.
7. Предложенная антенная модель отдельных частиц із соче
тании с обобщенным методом Максвелла. Гарпетта позво
ляет находить материальные параметры искусственных ки-
ральных сред для частот ниже и вблизи первого резонанса
структуры при умеренных концентрациях частиц.
Выполнение диссертационной работы было бы невозможным без участия моих коллег из разных организаций С. Бо-лиоли, А. Виитанена, П. Койвисто, М. Оксапена, Ф. Мприотта, К.Р. Симовского, А. Сихпола, А.А. Сочавы, Д.Я. Халиулли-на, Т.Г. Хариной, А.С. Черепанова. Особую благодарность я должен высказать по отношению ко всем моим учителям, и особенно к М.И. Конторовичу, И. Линделлу, В.В. Рогозину и В.А. Розову, с которыми я непосредственно работал.