Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена исследованиям в области тектродинамики сложных материалов, преимущественно с искусствен-э изготовленными частицами, размещенными внутри или нО. поверх-зсти вмещающей диэлектрической среды. Речь идет о таких струк-урах, образованных частицами, которые можно в одних случаях тнести к классу сплошных сред, а в других случаях следует расс-атривать как решетки частиц. Общим для этих структур являет-я наличие у частиц сложной геометрии, благодаря которой отклик астицы определяется не только пространственно однородной частью оля, действующего на частицу, но и неоднородной (в масштабе часги-,ы) составляющей этого поля. Если при этом частица имеет достато-:но малые размеры по сравнению с длиной волны поля, то оказывает-я, что частица может обладать так называемой бианизотропией. Воз-гожность или невозможность отнесения структуры из бианизотропных [аетиц к классу бианизотропных (сплошных) сред следует из развитой і работе теории.
Частный случай бианизотропных сред хорошо известен в оптике как мральные, иначе оптически активные среды. Однако в диапазоне СВЧ и і миллиметровом диапазоне длин волн соответствующие явления стали іривлекать внимание исследователей только в конце 1980-х гг., ког-^а были предложены новые возможные применения искусственных изотропных киральных материалов в технике СВЧ. В 1990-е годы стали предметом активных (преимущественно теоретических) исследований и более сложные композиционные материалы из бианизотропных частиц, в первую очередь - омега-компотты. содержащие проводящие микровключения в форме греческой буквы П .
Искусственные структуры таких типов могут служить конструкционным материалом для создания различных новых устройств СВЧ диапазона: малоотражающих покрытий больших металлических тел, частотно-селективных поверхностей, преобразователей поляризации, фазовращателей и некоторых управляемых ферриговых устройств для
полноводных трактов.
Исследования в этом направлении потребовали применения новыз радиофизических и математических методов, как для исследованш свойств бианизотропных структур, так и для создания новых устроисті на основе последних. В данной работе свойства бианизотрошгой струк туры рассматриваются как свойства слагающих ее частиц. Поэтому ] рамках работы решается фундаментальный вопрос об отнесении струк туры из большого числа электрически изолированных друг от друг; частиц к одному из трех классов: 1) к случаю решетки частиц, ког да взаимодействие волны со структурой не может быть вообще рас смотрено как взаимодействие волны со средой с некими эффективным] параметрами, а рассматривается как дифракция, 2) к сплошной среде когда можно говорить о распространении волны в среде с некоторы ми локальными материальными параметрами, причем пространствен ная дисперсия или отсутствует или не является "сильной" (в тоз смысле, как это принято в данной работе), 3) к среде с "сильной пространственной дисперсией, когда взаимодействие волны со средо: не монет быть описано как локальное или даже "квазилокальное" (это термин раскрывается далее), и материальные параметры среды есл и вводят, то лишь как коэффициенты, связывающие пространственны преобразования Фурье векторов Е, D, В, Н.
Некоторые результаты работы выходят за пределы электрод* намики бианизотропных структур и могут быть применены при со: даний искусственных магнитодиэлектриков, а также искусственны молекулярных пленок.
До начала работы над диссертацией были известны отражают» и поглощающие свойства основных бианизотропных композитов, первую очередь, киральных (изотропных, одноосных оптически геометрически), омега-композитов (оптически одноосных, с napaj лельным расположением частиц) и т.д. Как правило речь шла о среда с произвольно выбранными значениями эффективных электродинам] ческих параметров. Исключением являлись случаи изотропных и oi тически или геометрически одноосных сред из канонических кирал: ных частиц и оптически одноосных сред из омега-частиц, для кот<
.їх были построены модели определения этих параметров через по-[ризуемости отдельных частиц. Данные модели основывались на >едположении Максвелла Гарнетта о том, что локальное и среднее ля в среде связаны соотношениям!* Лоренц-Лорентца (в электро-атическом и магнитостатическом варианте). Применимость такого ідхода не была исследована для тех или иных случаев среды. Не їло известно альтернативных моделей к модели Максвелла Гарнет-,. При этом аналитическая модель расчета поляризуемостей частиц :рез микроскопические параметры среды (геометрию частиц среды, : концентрацию и т.д.) была создана только для так называемой .ионической киральной частицы, аналитические модели других, би-[изотропных частиц не было известны.
Ранее были проанализированы свойства сред, частицы которых іладают достаточно сложной геометрией, чтобы в их отклике учи-.шать действие линейно меняющейся части локального поля. Выло жазано, что среда из таких частиц обладает пространственной дис-:рсией первого порядка. Были выведены уравнения, связывающие ?жду собой четыре вектора макроскопического электромагнитного >ля в таких средах, которые рассматривались как электродинамичес-іе материальные уравнения таких сред. В этой теории содержались іясности, а уравнения противоречили известным материальным урав-:ниям Ф.И. Федорова, полученным для таких же сред. Уравнения Фе-ірова не были, однако, обоснованы с точки зрения микроскопических юйств среды (т.е. свойств частиц), а были получены из неких мак-юкопических принципов. Не были известны материальные урав-ния для сред с пространственной дисперсией второго порядка, кроме ^которых частных случаев, когда такие уравнения вводились сугубо (ристически.
Были известны методы, позволяющие на основании сложных расче->в, определить направления распространения волны, для которых >стигается тот или иной уровень кирального эффекта (оптической ак-івпости и дихроизма), а также поглощения линейно поляризованных їли. Не было известно способа качественного определения харак-фных направлений распространения в биаяизотропной среде общего
вида с точки зрения максимума или минимума кирального эффекта и эффекта вырождения поляризации в бианизотропной среде, когда собственные волны бианизотропной среды оказываются, как это имеет место в одноосной омега-среде, линейно поляризованными. Не существовало классификации бианизотрошшх сред по виду магнитоэлектрического взаимодействия, что затрудняло взаимное понимание авторов работ в этой области.
Были известны отдельные результаты численных и экспериментальных исследований решеток из бианизотропных частиц. Не были известны аналитические модели таких решеток, присущие им общие закономерности, касающиеся их отражательных свойств и электромагнитного взаимодействия частиц, составляющих эти решетки. Не было известно в каких случаев решетка всего в несколько слоев частин может быть рассмотрена как сплошная среда и какова ногрешностъ такого рассмотрения в зависимости от количества слоев и плотности упаковки частиц. Не было известно формул, позволяющих в явном виде строго рассчитывать диэлектрическую проницаемость пространственно ограниченной среды, образованной решетками частиц с высшими мультипольними доляризз'емостями, для случая прямоугольной и косоугольной ячейки решетки.
Были известны условия отсутствия отражения от слоя одноосное омега-среды в свободном пространстве и на металлической плоскости, которые связывали материальные параметры такой среды между собой. Не существовало аналитической модели радиопоглощающегс покрытия из такой среды, и, в частности, не была исследована возможность достижения этих условий на практике (с физически реализуе мыми частицами). Не существовало концепции радиопоглощающегс покрытия на основе однослойной решетки бианизотропных частиц, чте позволило бы свести к минимуму толщину и массу покрытия.
Целями работы были вывод материальных уравнений сред со слабої пространственной дисперсией, исследование особенностей магни тоэлектрического взаимодействия в таких средах, разработка і обоснование физических моделей и способов расчета радиофизически: параметров как отдельных бианизотропных частиц, так и бианизотроп
ых сред, а также биализотропных решеток, выяснение возможностей рименения и реализации биаяизотропных структур для создания ра-допоглощающих покрытий нового типа. Для этого необходимо было іешить следующие основные научные задачи:
исследовать отклик элементарного объема среды со слабой пространственной дисперсией на макроскопическое (среднее) поле, исходя из известного отклика отдельных частиц среды на локальное поле,
исследовать связь между структурой электродинамических материальных параметров таких сред и особенностями магнитоэлектрического взаимодействия в них при определенных направлениях распространения волн, произвести классификацию магнитоэлектрических взаимодействий,
t исследовать соотношения между локальным и средним полем в средах, пространственная дисперсия которых может быть обусловлена 1) геометрией частиц и 2) запаздыванием поля на дистанции между частицами,
получить формулы для расчета в явном виде диэлектрической проницаемости пространственно ограниченных композиционных сред со сложной внутренней геометрией,
построить новые аналитические модели бианизотропных частиц,
построить аналитические модели взаимодействия электромагнитных волн с бианизотропными решетками
и ряд других. В результате этих исследований, в значительной части изложенных в диссертационной работе, заложены основы нового научного направления, которое можно определить как .микроскопически* электродинамика бианизотропных структур, или даже микроскопическая электродинамика структур, состоящих из электрически малых частиц сложной формы.
Научная новизна работы заключается в основном в следующем.
-
Результат Ф.И. Федорова, приводящий для сред со слабой пространственной дисперсией к бианизотропным материальным уравнениям, обобщен на случай сред с потерями, при этом получены новые уравнения, связывающие между собой материальпые параметры среды с пространственной дисперсией первого порядка.
-
Предложен метод описания магнитоэлектрического взаимодействия в произвольных взаимных бианизотропных средах путем замещения любых бианизотропных частиц двумя типами виртуальных частиц, причем произведена полная классификация бианизотропных сред.
-
Получено обоснование и установлены пределы применимости модели усреднения мультипольной поляризции частиц среды по Максвеллу Гарнетту с учетом эффекта близости границы среды.
-
Разработана и обоснована новая модель усреднения мультипольної поляризации частиц для сред с пространственной дисперсией первого порядка.
-
Разработаны и обоснованы новые аналитические модели некоторых бианизотропных частиц для СВЧ-приложений.
-
Создана теория отражения и прохождения волн через регулярные бесконечные бианизотропные решетки, включая теорию электромагнитного взаимодействия их элементов.
-
Разработана и обоснована аналитическая модель бианизотропногс поглощающего покрытия на основе одноосной омега среды.
-
Разработана и обоснована аналитическая модель бианизотропногс поглощающего покрытия на основе однослойной решетки.
Практическая ценность работы состоит в разработке и теоретической обосновании методов расчета радиофизических параметров новых композиционных структур, как на основе искусственных частиц для СВЧ-приложений, так и молекулярных структур (пленок) через известные параметры отдельной частицы, причем радиофизические параметрь
[скусствснных частиц для композитов СВЧ могут быть рассчитаны герез заданные геометрические и другие заведомо известные параметры частиц. В работе произведены расчеты конкретных новых ус-:ройств СВЧ на основе сложных композиционных материалов, а имен-ю двух типов малоотражающих покрытий. Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на
Международных КОНфереШХИЯХ 3-н Международная конф еренция по киральным, би-[зотропным и бианюотрошнлм средам СЫгаШ, Перите, Франция, 17-23 мал 1994 г., 4-я Леждународиая конференция по киральным, биизотропным и бианизотропным средам Ієнсильвания, США, 5-9 нюня 1995 г., 5-я Международная конференция по киральным, би-ізотропним и бианизотропным средам Н 1(171 ISOlTOplCS 95, С-Петербург - Москва (теплоход Александр Суворов"), 22-31 июля 1996 г., 6-я Международная конференция по киральным, би-ізотрошіїлм и биэнизотропным средам t>lU4%SOtTOp\CS\il, Глазго, Великобритания, 3-6 июня І997 г., 7-я Международная конференция по киральным, биизотропкьш и б«анизотропным средам BifflllSOtVQplCSyo, Брауншвейг, Германия, 1-8 июня 1998 г., Ежегодная Международная конференция по фундаментальным вопросам электродинамики PvogVCSS І7Х ElectrOJUUQTlCtic Research, Цордрик, Нидерланды, 10-14 толя, 1994 г., Ежегодная Международная конференція по передовым достижениям прикладной электродинамики International Conference т Electromagnetics in Advanced Applications, Турин, Италия, u-u сентября,
1997 г., 15-й Международный симпозиум по электромагнитной теории URSI International
Symposium on Electromagnetic Theory, с-ііеіербург, 15-17 мая 1995 г., Ежегодный Международный симпозиум но антеннам и распространению электромагнитных ноли IEEE
International Symposium on Antennas and Propagation, Сиэтл, США, G-9 июня
1994 г., Ежегодная Международная конференция по теоретической радиотехнике и радиофизике
USNC/URSI Radio Science Meetings, Ньюпорт-Бич, сіна, 20-22 июля Ш5 г., 28-я Международная конференция по теории и технике антенн International Conference on Antenna Theory and Technics, Москва. 24-26 сентября 1998 г. 25-й Международный симпозиум по теоретической радиотехнике и радиофизике General Assembly Of URSI, Торонто,
Канада, И-21 августа 1999 г.,, а также на многочисленных научных семинарах, в том числе за рубежом.
Публикации. Научные положения и основные результаты опубликованы в наз'чных статьях [1-35] (15 статей в рецензируемых журналах, 7 статей в тематических сборниках с редакторским рецензированием, 13 статей в материалах конференций). Статьи по теме диссертации, в нас-
гоящее время принятые в печать, но еще не опубликованные, в список не вошли. Всего автору принадлежат свыше 50 открытых научных публикаций по различным вопросам электродинамики (электродинамика плазмы, теория интенсивных световых пучков, вопросы дифракции), не считая тезисов докладов, из них вышедших журнальных статей -21.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложений к главам 2, 3 и 6. Вес главы относительно независимы и снабжены отдельными списками литературы, помещенными в коимС г.і?.та Лиссертация содержит 315 страниц, 57 рисунков.
Похожие диссертации на Электродинамическая теория объемных и двумерных пространственных структур из бианизотропных частиц
