Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
4.2. Классификация метаматериалов
4.2.1. Переход технологий на новый уровень характеризовался с начала 2000-х годов разработкой и производством искусственных материалов – метаматериалов (ММ) [4.1–4.25]. Среды с обратными волнами, предсказанные в начале XX века, наблюдаемые до 2000-х годов только в волноводах и анизотропных средах и экспериментально доказанные Смитом и его коллегами в 2000 году в искусственных материалах, базируются на новых физических принципах и вследствие этого обладают аномальными свойствами.
Метаматериалы могут быть созданы с различными электрическими свойствами [4.2–4.24]. Их классификация в зависимости от значений относительной диэлектрической и относительной магнитной проницаемостей показана на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Классификация метаматериалов
Анализ данного рисунка показывает, что названия ММ определяют значения относительных проницаемостей материала:
– DNG – double negative (оба значения проницаемостей отрицательные);
– DPS – double positive (оба значения проницаемостей положительные, волновое сопротивление среды W намного превышает волновое сопротивление свободного пространства W0. Отсюда второе название – высокоимпедансные поверхности – Hi-Z – high impedance surfaces);
– SNG – single negative (отрицательно одно значение из проницаемостей: если отрицательна относительная диэлектрическая проницаемость, то примняется название ENG, если относительная магнитная проницаемость, то MNG). Данные материалы называются также метаматериалами смешанного типа;
– DZR – double zero (обе проницаемости практически равны нулю, что приводит к тому, что коэффициент отражения от данных материалов близок к нулю).
4.2.2. Электрические свойства метаматериалов могут либо изменяться в зависимости от частоты [4.2–4.9, 4.17–4.20, 4.25–4.27], т.е. образуют диспергирующие среды, либо сохранять свои значения в относительно широкой полосе частот [4.7]. В первом случае ММ образуют частотно-селективные структуры (ЧСС), как показано на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Частотная зависимость метаматериалов диспергирующего типа: 1 –
; 2 – 
; 3 – 
; 4 – 
Основной особенностью построения метаматериалов является искусственно созданная периодическая структура. В зависимости от того, по какому числу направлений наблюдается периодичность, различают 1D, 2D и 3D-структуры. Физическая реализация ЧСС может быть различной. Так, они могут быть реализованы в виде диэлектрических материалов с заполнениями в виде разомкнутых резонансных проволочных колец (SRR). Форма колец может быть деформирована из круглой в квадратную. Примеры конструкций приведены на рис. 4.3,а,б. Для физической реализации метаматериалов, сохраняющих свои электрические свойства в широкой полосе частот, кольца выполняются не разомкнутыми, а замкнутыми [4.7]. Кроме того, располагаться кольца в структуре материала могут случайным образом. Два варианта реализации такой конструкции из работы [4.7] приведены на рис. 4.4.
а б
Рис. 4.3. Примеры физической реализации частотно-селективных структур: а – с заполнением из разомкнутых колец; б – с заполнением из разомкнутых квадратов
Высокоимпедансные поверхности Hi-Z, также называемые поверхностями Зивенпипера, давшего теоретическое описание физических процессов в них, представляют собой 3D гофрированные структуры. Их аномальные свойства проявляются при резонансе рабочей частоты электромагнитной волны и конструктивной частоты структуры [4.2, 4.3, 4.5].
Наиболее простым вариантом построения высокоимпедансной поверхности являются грибообразные электромагнитные структуры. Пример выполнения такой структуры показан на рис. 4.5.
а б
Рис. 4.4. Примеры реализации метаматериалов с постоянными электрическими характеристиками [4.7]: а – с периодической структурой; б – с хаотическим расположением элементов
Рис. 4.5. Конструкция экрана грибообразной структуры: 1 – основа-экран; 2 – металлические стержни-ножки; 3 – материал заполнения; 4 – пластинчатые металлические элементы
Данная конструкция включает металлическую основу-экран 1, на который на ножках в виде металлических стержней 2 радиуса r (при грибообразной структуре) или выступов (при выступообразной структуре) установлены с шагом D пластинчатые металлические элементы, имеющие квадратную или шестиугольную форму. Зазор между шляпками составляет g << λ (λ – рабочая длина волны). Промежуток между экраном-основой и пластинчатыми элементами высотой t2. заполнен диэлектрическим материалом с относительной диэлектрической проницаемостью εr, выполняющим функции уплотнения конструкции, а также регулирующим структуру электромагнитного поля.
В зависимости от относительных размеров ячеек (по сравнению с длиной волны в свободном пространстве λ0), образующих 2D периодическую структуру, поверхности подразделяются на два типа [4.2–4.7]. Так, при размерах ячейки порядка λ0/20...λ0/10 структуры называются электромагнитными структурами с частотной отсечкой (EBG), а при меньших размерах (порядка λ0/40...λ0/20) – частотно-селективными (ЧСС, FSS). Указанные типы структур функционируют на основе различных физических принципов. Так, структуры с отсечкой EBG используют эффект рассеивателя Брэгга, а работа ЧСС связана с особенностями распространения электромагнитной волны в многослойной анизотропной среде с отрицательными относительными проницаемостями в нормальном направлении. Соответственно ЧСС функционируют в более низком частотном диапазоне чем частота первого резонанса структуры Брэгга [4.3].