Разработка математической модели кирального метаматериала на основе цилиндрических спиральных элементов с учетом дисперсии и концентрации

Разработка математической модели кирального метаматериала на основе цилиндрических спиральных элементов с учетом дисперсии и концентрации

Автор: Бучнев И.Ю., Клюев Д.С., Мамошина Ю.С., Осипов О.В., Панин Д.Н.

Журнал: Физика волновых процессов и радиотехнические системы @journal-pwp

Статья в выпуске: 2 т.26, 2023 года.

Бесплатный доступ

Обоснование. Интерес к исследованию метаматериалов СВЧ-диапазона связан с возможностью их использования для достижения заранее требуемых частотно и поляризационно селективных свойств взаимодействия с электромагнитным излучением, которые невозможно получить для структур на основе гомогенных сред. Цель. В работе рассмотрено построение математической модели кирального метаматериала на основе периодической матрицы произвольно ориентированных проводящих тонкопроволочных цилиндрических спиральных элементов, расположенных в однородной изотропной среде-контейнере. В отличие от известных моделей, она учитывает явный вид зависимости эффективной диэлектрической проницаемости и относительного параметра киральности от концентрации спиральных микровключений. Методы. При построении математической модели учитывается гетерогенность кирального метаматериала посредством формулы Максвелла Гарнетта, позволяющей определять эффективную диэлектрическую проницаемость по значениям проницаемостей среды-контейнера и области, занятой проводящими зеркально асимметричными включениями. В модели учтена дисперсия диэлектрической проницаемости с использованием квадратичной формулы Лоренца, а также дисперсия параметра киральности на основании модели Кондона. Результаты. Для исследуемого кирального метаматериала получены аналитические частотно-зависимые выражения для эффективной диэлектрической проницаемости и параметра киральности, учитывающие концентрацию спиральных включений и их геометрические параметры. Получена формула связи безразмерной объемной концентрации включений от расстояния между соседними элементами. Для расчета резонансной частоты проводящих тонкопроволочных цилиндрических спиральных элементов был применен квазистатический поход. Заключение. Предложенная методика построения математической модели может быть применена для киральных метаматериалов на основе периодических матриц проводящих элементов произвольной зеркально асимметричной пространственной конфигурации.

Еще

Киральная среда, киральный метаматериал, метаматериал, спираль, пространственная дисперсия, модель максвелла гарнетта, модель кондона, модель лоренца, концентрация элементов, параметр киральности, эффективная диэлектрическая проницаемость

Короткий адрес: https://sciup.org/140300674

IDR: 140300674   |   DOI: 10.18469/1810-3189.2023.26.2.36-47

Список литературы Разработка математической модели кирального метаматериала на основе цилиндрических спиральных элементов с учетом дисперсии и концентрации

  • Capolino F. Theory and Phenomena of Metamaterials. Boca Raton: Taylor & Francis – CRC Press, 2009. 992 p.
  • Engheta N., Ziolkowski R.W. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. Hoboken: Wiley, 2006. 414 p.
  • 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
  • A review on metamaterials for device applications / S.N. Kumar [et al.] // Crystals. 2021. Vol. 11, no. 5. P. 518. DOI: https://doi.org/10.3390/cryst11050518
  • Zheludev N.I. A Roadmap for metamaterials // Opt. Photonics News. 2011. Vol. 22, no. 3. P. 30–35. DOI: https://doi.org/10.1364/OPN.22.3.000030
  • Metamaterial analog of electromagnetically induced transparency / N. Papasimakis [et al.] // Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 101. P. 253903.
  • Zheludev N.I. The road ahead for metamaterials // Science. 2010. Vol. 328, no. 5978. P. 582–583. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1186756
  • Вендик И.Б., Вендик О.Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот (Обзор) // Журнал технической физики. 2013. Т. 83, № 1. C. 3‒28. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/41403
  • Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity / D.R. Smith [et al.] // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84, no. 18. P. 4184–4187. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.4184
  • Shelby R.A., Smith D.R., Schultz S. Experimental verification of a negative index of refraction // Science. 2001. Vol. 292, no. 5514. P. 77–79. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1058847
  • Pendry J. A chiral route to negative refraction // Science. 2004. Vol. 306, no. 5700. P. 1353–1355. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1104467
  • Veselago V.G. The Electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ // Soviet Physics Uspekhi. 1968. Vol. 10, no. 4. P. 509–512. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1968v010n04ABEH003699
  • Слюсар В.И. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // Электроника: НТБ. 2009. № 7. С. 10‒19. URL: https://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_287_909.pdf
  • Pozar D.M. Microstrip antennas and arrays on chiral substrates // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1992. Vol. 40, no. 10. P. 1260‒1263. DOI: https://doi.org/10.1109/8.182462
  • Импедансные характеристики двухэлементной антенной решетки с киральной подложкой / А.Л. Бузов [и др.] // Письма в ЖТФ. 2018. Т. 44, № 23. С. 37‒45. URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/7078
  • Перспективы использования метаматериалов в антеннах нового поколения / А.Л. Бузов [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2017. Т. 20, № 3. С. 15‒20. URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/7078
  • Investigation of circularly polarized patch antenna with chiral metamaterial / Y. Liu [et al.] // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2013. Vol. 12. P. 1359–1362. DOI: https://doi.org/10.1109/LAWP.2013.2286191
  • Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies / D. Schurig [et al.] // Science. 2006. Vol. 314, no. 5801. P. 977–980. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1133628
  • Tunable electromagnetically induced transparency from a superconducting terahertz metamaterial / C. Zhang [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 110, no. 24. P. 241105. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4985618
  • Wide band fractal-based perfect energy absorber and power harvester / M. Bağmancı [et al.] // International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering. 2019. Vol. 29, no. 7. P. e21597. DOI: https://doi.org/10.1002/mmce.21597
  • Осипов О.В., Юрасов В.И., Почепцов А.О. Киральный метаматериал для частотно-селективной концентрации энергии сверхвысокочастотного излучения // Инфокоммуникационные технологии. 2014. Т. 12, № 4. С. 76‒82.
  • Electromagnetic Waves in Chiral and Bi-Isotropic Media / I.V. Lindell [et al.]. London: Artech House, 1994. 291 p.
  • 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.
  • 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
  • Третьяков С.А. Электродинамика сложных сред: киральные, би-изотропные и некоторые бианизотропные материалы // Радиотехника и электроника. 1994. Т. 39, № 10. С. 1457‒1470.
  • Киральные электродинамические объекты / Б.З. Каценеленбаум [и др.] // Успехи физических наук. 1997. Т. 167, № 11. С. 1201‒1212. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.0167.199711c.1201
  • Sochava A.A., Simovski C.R., Tretyakov S.A. Chiral effects and eigenwaves in bi-anisotropic omega structures // Advances in Complex Electromagnetic Materials. Dordrecht: Springer, 1997. P. 85–102.
  • Resonant features of planar Faraday metamaterial with high structural symmetry / S.Y. Polevoy [et al.] // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2013. Vol. 61, no. 3. P. 030501. DOI: https://doi.org/10.1051/epjap/2013120320
  • Tretyakov S.A., Mariotte F. Maxwell Garnett modeling of uniaxial chiral composites with bianisotropic inclusions // Journal of electromagnetic waves and applications. 1995. Vol. 9, no. 7-8. P. 1011–1025. DOI: https://doi.org/10.1163/156939395X00695
  • Осипов О.В., Плотников А.М., Салимова Н.Р. Использование эффекта азимутального рассеяния электромагнитных волн метаструктурой на основе элементов Телледжена в прикладных задачах электродинамики // Инфокоммуникационные технологии. 2012. Т. 10, № 1. С. 8‒15.
  • Просвирнин С.Л. Преобразование поляризации при отражении волн микрополосковой решеткой из элементов сложной формы // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44, № 6. С. 681–686.
  • Васильева Т.Ц., Просвирнин С.Л. Дифракция электромагнитных волн на плоской решетке из киральных полосковых элементов сложной формы // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 1998. Т. 1, № 4. С. 5–9.
  • Prosvirnin S.L. Analysis of electromagnetic wave scattering by plane periodical array of chiral strip elements // Proceedings of 7th International Conference on Complex Media «Bianisotropic ’98». 1998. P. 185–188.
  • Zhao R.L., Zhang J., Soukoulis C.M. Conjugated gammadion chiral metamaterial with uniaxial optical activity and negative refractive index // Phys. Rev. B. 2011. Vol. 83, no. 3. P. 035105. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.035105
  • 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.
  • Prudêncio F.R., Silveirinha M.G. Optical isolation of circularly polarized light with a spontaneous magnetoelectric effect // Phys. Rev. A. 2016. Vol. 93, no. 4. P. 043846. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.93.043846
  • Sihvola A.H. Temporal dispersion in chiral composite materials: A theoretical study // Journal of electromagnetic waves and applications. 1992. Vol. 6, no. 7. P. 1177–1196. DOI: https://doi.org/10.1163/156939392X01705
  • Lakhtakia A., Varadan V.K., Varadan V.V. On the Maxwell Garnett model of chiral composites // Journal of Materials Research. 1992. Vol. 8, no. 4. P. 917–922. DOI: https://doi.org/10.1557/JMR.1993.0917
  • Аралкин М.В., Дементьев А.Н., Осипов О.В. Математические модели киральных метаматериалов на основе многозаходных проводящих элементов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2020. Т. 23, № 1. С. 8‒19. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2020.23.1.8-19
  • Аралкин М.В., Дементьев А.Н., Осипов О.В. Исследование электромагнитных характеристик планарных киральных метаструктур на основе составных спиральных компонентов с учетом гетерогенной модели Бруггемана // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2020. Т. 23, № 3. С. 44‒55. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2020.23.3.44-55
  • 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. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/9645
  • Garnett J.C. Maxwell. Colours in metal glasses and in metallic films // Phylos. Trans. R. Soc. London. Ser. A. 1904. Vol. 203. P. 385‒420.
  • Bruggeman D.A.G. Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von eterogenen Substanzen, I. Dielektrizitatskonstanten und Leitfahigkeiten der Mischkorper aus isotropen Substanzen // Ann. Phys. 1935. Vol. 416, no. 7. P. 636‒664. DOI: https://doi.org/10.1002/andp.19354160705
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp