Дифракція електромагнітних хвиль на плоских двоперіодичних решітках з безперервних криволінійних стрічок - Автореферат

Робота присвячена дослідженню дифракції електромагнітних хвиль на плоских двоперіодичних решітках з безперервних криволінійних металевих стрічок, які можуть бути розташовані на екранованому та неекранованому шарі діелектрика. Двоперіодичні решітки з криволінійних металевих стрічок часто розглядалися як частотно-селективні поверхні, які найчастіше являють собою металеві екрани з отворами чи металеві пластинки тої чи іншої форми, розташовані періодично на діелектричному шарі. Двоперіодичні решітки з металевих стрічок, що мають складну форму та резонансні розміри, є одними з найбільш перспективних для застосування. Таким чином, аналітична розробка підходу для числового рішення задачі опису поля відбитого двоперіодичними решітками з безперервних криволінійних металевих стрічок, а також вивчення амплітудних, фазових та поляризаційних характеристик цих відбитих полів представляє собою актуальну задачу радіофізики. Розвинуто метод та побудовано алгоритм для обчислення дифракційних характеристик як поля, що відбилося, так і поля, що пройшло крізь двоперіодичну решітку з металевих стрічок на шарі діелектрику.У першому підрозділі розглядаються: розвиток методів аналізу періодичних решіток, принцип дії і основні ефекти, що виникають у таких структурах, сучасні тенденції та основні напрямки дослідження штучних середовищ, що мають періодичну побудову. У розділі 2 дисертаційної роботи було розвинуто метод розвязання задачі дифракції плоскої хвилі на періодичній за двома напрямками решітці з вузьких безперервних криволінійних металевих стрічок, що розташовані на діелектричному шарі. Така двоперіодична решітка представляє структуру, яка, з одного боку має усі властивості класичних решіток з прямих стрічок, а, з іншого боку, через складну форму стрічки у межах періодичної комірки, має специфічні резонанси відбиття та проходження. У розділі наведено результати дослідження частотних та поляризаційних властивостей решітки зі стрічок, які мають різні форми у межах періодичної комірки. У підрозділі 2.4 проводиться аналіз числових результатів залежності коефіцієнта відбиття від частоти для різних форм стрічок та порівняння з характеристиками, що були виміряні у лабораторних умовах.В наведеній дисертаційній роботі було розвинуто методи для отримання дифракційних характеристик поля, розсіяного на плоскій двоперіодичній решітці з металевих стрічок на екранованому та неекранованому шарі діелектрику, а також на плоскій двошаровій структурі, кожен шар якої є двоперіодичною решіткою з металевих стрічок. На базі цих методів було розроблено ефективні алгоритми для отримання дифракційних характеристик. На основі розроблених алгоритмів було побудовано комплекс програм для чисельного аналізу дифракційних характеристик. За допомогою компютерних програм було проаналізовано поведінку коефіцієнтів відбиття та проходження для решітки з безперервних металевих стрічок при різній формі стрічки у межах періодичної комірки. При використанні несиметричної (кіральної) форми стрічкових елементів досліджено ефекти перетворення падаючого лінійно поляризованого поля на відбите поле з еліптичною поляризацією, поворот головної осі еліпсу поляризації відносно напрямку лінійної поляризації поля, що падає.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В наведеній дисертаційній роботі було розвинуто методи для отримання дифракційних характеристик поля, розсіяного на плоскій двоперіодичній решітці з металевих стрічок на екранованому та неекранованому шарі діелектрику, а також на плоскій двошаровій структурі, кожен шар якої є двоперіодичною решіткою з металевих стрічок. На базі цих методів було розроблено ефективні алгоритми для отримання дифракційних характеристик.

На основі розроблених алгоритмів було побудовано комплекс програм для чисельного аналізу дифракційних характеристик. Побудовані програми дозволяють одержувати результати з прийнятним значенням відносної похибки при малих затратах машинного часу. Для перевірки точності запропонованого методу наведено порівняння числових даних при дослідженні найпростіших решіток з прямих стрічок. Для порівняння використовувалися результати, отримані за допомогою строгого чисельно-аналітичного методу - методу задачі Римана-Гільберта. Також проведено порівняння чисельних результатів з характеристиками структур з криволінійних стрічок, виміряних у експерименті. Порівняння показало перспективність використання запропонованих алгоритмів при аналізі та проектуванні дифракційних структур.

За допомогою компютерних програм було проаналізовано поведінку коефіцієнтів відбиття та проходження для решітки з безперервних металевих стрічок при різній формі стрічки у межах періодичної комірки. У результаті дослідження було отримано наступне: 1. Виявлені резонансні ефекти в однохвильовому частотному діапазоні. Проаналізована залежність частоти резонансів та їх добротності від форми стрічки в межах періодичної комірки, поляризації падаючої хвилі та значення діелектричної проникності.

2. При використанні несиметричної (кіральної) форми стрічкових елементів досліджено ефекти перетворення падаючого лінійно поляризованого поля на відбите поле з еліптичною поляризацією, поворот головної осі еліпсу поляризації відносно напрямку лінійної поляризації поля, що падає.

3. Спільно з дослідницькою групою з Саутгемптонського університету вивчено новий ефект, що міститься у асиметрії поляризаційного перетворення поля в залежності від напрямку падіння хвиль на плоско-кіральну решітку.

4. Подано рекомендації щодо використання алгоритмів, що ґрунтуються на операторному методі, в якому не враховуються просторові гармоніки, що не поширюються, та методі моментів, для оптимального за затратами машинного часу та точності отримання дифракційних характеристик двошарової структури.

5. При аналізі двошарової структури з криволінійних стрічок було показано, що резонансні ефекти на структурах, що вивчаються, викликані наступними причинами: -інтерференційними резонансами, внаслідок взаємодії між шарами;

-резонансами, обумовленими характерними властивостями кожного шару, що являє собою двоперіодичну решітку з безперервних металевих стрічок;

-а також резонансом в структурі з близько розташованими шарами, який є високо добротним та може бути віднесений до класу резонансів на запертих модах (раніше в двошарових структурах не згадувався).

6. При дослідженні структур з стрічок, що розташовані на екранованому шарі діелектрику, показано можливість реалізації властивостей високоімпедансної поверхні. Її частотні характеристики суттєво залежать від форми стрічок та параметрів діелектричної підкладки.

7. Досліджено ефект резонансного поглинання. Показано, що має місце резонансне поглинання на решітці з стрічок, розташованих на екранованому діелектричному шарі з втратами. Втрати значно перевищують рівень, що відповідає випадку шару діелектрика без решітки. Показано, що суттєвий вплив на рівень і частоту резонансного поглинання, крім значення діелектричної проникності, справляє форма стрічок решітки.

Подальший розвиток роботи передбачає використання розроблених методів для вивчення дифракції в багатохвильовому режимі, аналіз похилого та косого падіння хвилі на двоперіодичну структуру з безперервних металевих стрічок, дослідження нових варіантів форми стрічки в межах періодичної комірки.

Основні результати дисертації досить повно викладені у 6 статтях у фахових журналах: 1. Prosvirnin S.L., Tretyakov S.A., Mladyonov P.L. Electromagnetic wave diffraction by planar periodic gratings of wavy metal strips// Journal of Electromagnetic Waves and Applications. - 2002. - Vol. 16, № 3. - P. 421-435.

2. Младенов П.Л., Просвирнин С.Л. Дифракция волн на двухпериодической плоской решетке из непрерывных криволинейных металлических лент// Радиофизика и радиоастрономия. - 2002. - Том 7, № 3. - C. 265-272.

3. Младенов П.Л., Просвирнин С.Л. Микрополосковая двухпериодическая решетка из непрерывных криволинейных металлических лент как высокоимпедансная поверхность// Радиофизика и радиоастрономия. - 2003. - Т. 8, № 4. - C. 375-382.

4. Fedotov V.A., Mladyonov P.L., Prosvirnin S.L., Zheludev N.I. Planar electromagnetic metamaterial with a fish scale structure// Physical Review E. - 2005. - Vol. 72. - 056613. - 4 pages.

5. Fedotov V.A., Rogacheva A.V., Zheludev N.I., Mladyonov P.L., and Prosvirnin S.L. Mirror that does not change the phase of reflected waves// Appl. Phys. Lett. - 2006. - Vol. 88. - 091119. - 3 pages.

6. Fedotov V.A., Mladyonov P.L., Prosvirnin S.L., Rogacheva A.V., Chen Y., and Zheludev N.I. Asymmetric Propagation of Electromagnetic Waves through a Planar Chiral Structure// Phys. Rev. Lett. - 2006. - Vol. 97. - 167401. - 4 pages. та у 7 збірниках доповідей міжнародних конференцій: 7. Prosvirnin S.L., Tretyakov S.A., Mladyonov P.L. Electromagnetic wave diffraction by plane periodic grating of wavy metal strips// Proceedings of VI Intern. Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED-2001), Lviv, 18-20 Sept. 2001. - Lviv (Ukraine). - Inst. for Applied Problems of Mechanics and Mathematics of NASU. - P. 11-15.

8. Mladyonov P.L. Electromagnetic wave diffraction by a double-layer periodic grating of curvilinear metal strips// Proc. of 9-th Int. Conf. on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory “MMET*02”, Kiev, 10-13 Sept. 2002. - Vol. 2. - Kiev (Ukraine). - 2002. - P. 395-397.

9. Mladyonov P., Prosvirnin S., Tretyakov S., Zouhdi S. Planar arrays of wavy microstrip lines as thin resonant magnetic walls// Proceedings of the 2003 AP-S/URSI conference, Ohio. - Vol. 2. - Ohio (USA). - 2003. - P. 1103-1106.

10. Mladyonov P., Prosvirnin S., Zouhdi S. Regular gratings of planar strips as high impedance surfaces// Progress in Electromagnetic Research Symposium (Invited presentation), Pisa, 28-31 March 2004. - Pisa (Italy). - 2004. - P. 569.

11. Mladyonov P.L. Electromagnetic wave diffraction by the microstrip two-periodic grating of chiral metal strips// Conference Proceedings MMET-2004, Dniepropetrovsk, 14-17 Sept. 2004. - Vol.1. - Dniepropetrovsk (Ukraine). - 2004. - P. 513-515.

12. Mladyonov P. Electromagnetic wave diffraction by the microstrip two-periodic grating of curvilinear metal strips having chiral shape// 11-th Int. Student Seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena, St. Petersburg, 7-9 June 2004. - St. Petersburg (Russia). - 2004. - P. 24-26.

13. Mladyonov P.L., Prosvirnin S.L. Electromagnetic wave diffraction by planar doubly-periodic grating of wavy-shaped crossed metal strips// Conference Proceedings MMET-2006, Kharkiv, 26-29 June. 2006. - Kharkiv (Ukraine). - 2004. - P. 583-585.