Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
4.3. Принципы работы метаматериалов
4.3.1. Пояснение принципов работы метаматерилов начнем с наиболее простого варианта их исполнения – высокоимпедансных структур. Данные конструкции представляют собой резонансные LC-контуры, настроенные на определенную частоту [4.2–4.4, 4.21, 4.25]. Элементы данных контуров, как показано на рис. 4.6, образуются следующим образом: ёмкости создаются в зазорах между металлическими пластинами одного ряда или соседних рядов, а индуктивность образуется за счет вихреобразного затекания магнитного поля во внутреннюю полость.
Рис. 4.6. Представление ячейки Hi-Z в виде LC-контура
Высокоимпедансные поверхности применяются в качестве экранов для управления электромагнитным полем расположенных вблизи проволочных антенн. При классическом построении антенны с металлическим рефлектором в виде плоскости (PEC) излучатель размещается на удалении λ/4 (λ – рабочая длина волны) от металлического экрана, как показано на рис. 4.7,а. В этом случае падающая на экран электромагнитная волна от излучателя и отраженная от экрана в области, расположенной за излучателем, складываются в противофазе, и дифракционный максимум возникает только в направлении главного лепестка диаграммы направленности. При размещении излучателя на удалении менее λ/4, как показано на рис. 4.7, б, данные волны складываются не в противофазе, и возникает дифракционный лепесток, по уровню сопоставимый с главным лепестком диаграммы направленности антенны. Вблизи высокоимпденансной поверхности сдвиг фаз между падающей и отраженной волнами равен нулю. Вследствие этого при размещении излучателя на расстояниях намного меньше длины волны дифракционный лепесток не возникает, как показано на рис. 4.8. Данный эффект обусловлен тем, что между металлическим экраном-основой и излучателем формируется резонирующая полость, действующая как частично отражающая поверхность.
а б
Рис. 4.7. Размещение излучателя вблизи идеально проводящего электрический ток экрана: а – случай подавления дифракционного лепестка; б – случай формирования дифракционного лепестка
4.3.2. Рассмотренная в п. 4.3.1 конструкция высокоимпедансной поверхности относится к материалам типа DPS. В то же время возможны построения высокоимпедансных поверхностей и из метаматериалов смешанного типа. При этом резонансный контур (один или несколько), как предложено в работах [4.10–4.13], образуются из парных слоёв ММ типа SNG. При этом слои с отрицательным значением относительной диэлектрической проницаемости (ENG) аналогичны ёмкости, а слои с отрицательными значениями относительной магнитной проницаемости (MNG) – индуктивности. Кроме того, отличается и физический принцип работы структуры ММ смешанного типа. В ММ смешанного типа применяется эффект преобразования гармонической распространяющейся волны в передаваемую затухающую (эвансцентную) волну, которая не переносит энергию, а только обеспечивает колебательный процесс энергии в слое [4.27–4.30].
Рис. 4.8. Размещение излучателя вблизи Hi-Z
а б
Рис. 4.9. Примеры реализации метаматериала типа ENG: а – двумерная структура; б – трехмерная структура
Примеры реализации материалов типа ENG показаны на рис. 4.9, а типа MNG – на рис. 4.10. Наряду с приведенными при построении ММ с отрицательными значениями относительной магнитной проницаемости могут быть использованы конструкции, показанные на рис. 4.3.
а б
в
Рис. 4.10. Примеры реализации метаматериалов типа MNG: а – рулетный элемент; б – периодическая структура разомкнутых колец; в – фрактальная структура
Анализ данных рисунков показывает, что среды с отрицательным значением относительной диэлектрической проницаемости могут быть выполнены в виде параллельно расположенных металлических проводов. При этом двумерная конструкция показана на рис. 4.9,а, а трехмерная конструкция – на рис. 4.9, б. Примеры реализации сред с отрицательными значениями относительной магнитной проницаемости показаны на рис. 4.10. Анализ конструкций, приведенных на рис. 4.10, показывает, что ММ с отрицательным значением относительной магнитной проницаемости может быть выполнен в виде рулетного элемента (см. рис. 4.10, а), периодической структуры разомкнутых резонансных колец (см. рис. 4.10, б и 4.3) [4.2, 4.4, 4.6, 4.9] или фракталов (см. рис. 4.10, в) [4.21].