Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена радиофизическим исследованиям электродинамических свойств плоских слоев искусственных взаимных и невзаимных композиционных материалов, обладающих пространственной дисперсией и принадлежащих классу искусственных бианизо-тропных сред. Взаимные бианизотропные среды получаются включением в диэлектрики металлических или керамических частиц различной формы (в частности, частицы могут иметь форму заглавной греческой буквы омега и форму спирали), которые обеспечивают магнитоэлектрические взаимодействия. Невзаимные магнитоэлектрические композиты создаются на основе ферритовых материалов и металлических включений. Элементом таких композиционных материалов может служить намагниченный ферритовый образец с расположенной на поверхности металлической полоской. Здесь сочетаются природная анизотропия намагниченного феррита и магнитоэлектрическое взаимодействие благодаря металлической полоске. Каждый элемент такой среды по сути есть резонатор на магнитостатических волнах, промышленная технология изготовления которых давно известна и широко применяется.
Выбор темы диссертации обусловлен новизной таких материалов и возможными интересными применениями в области СВЧ. Особо хочется отметить возможность создания неотражающего покрытия на основе бианизотроп-ного омега материала. Поэтому, стало актуально исследовать именно тонкие слои композиционных материалов. В диссертационной работе исследуются электродинамические свойства тонких слоев как взаимных, так и невзаимных бианизотропных сред. Невзаимные бианизотропные среды встречаются в природе (некоторые антиферромагнетики), но магнитоэлектрические эффекты в них слабы и проявляются на низких частотах. Исследование электродинамических свойств искусственных невзаимных композиционных материалов на основе включений намагниченного феррита и металлических полосок особенно актуально, так как в литературе высказываются сомнения относительно принципиальной возможности создания определенного подкласса невзаимных бианизотропных сред.
Как известно, подобно некоторым кристаллам, обладающим свойством оптической активности в оптическом диапазоне длин волн, таким же свойст-
вом обладают и искусственные киральные материалы в диапазоне СВЧ. Для исследований свойств последних применяются радиофизические методы, так как размеры частиц выбираются такими, чтобы они резонансно взаимодействовали с колебаниями определенной частоты СВЧ диапазона. Искусственные киральные материалы, используемые в микроволновой технике, представляют собой микроструктуры с маленькими проволочными спиралями, которые обеспечивают взаимодействие между параллельными высокочастотными электрическим и магнитным полями. Киральные структуры эффективнее взаимодействуют с волнами круговой поляризации, так как левая и правая круговые поляризации являются собственными поляризациями в неограниченной изотропной киральной среде. Другой геометрической конфигурацией частиц, которые могут обеспечить сильное взаимодействие линейно-поляризованной распространяющейся волны с материалом, является форма частиц в виде заглавной греческой буквы П. В регулярной микроструктуре с Л-частицами существует взаимодействие между электрическим и магнитным полями, расположенными в ортогональных плоскостях. Как игральный материал, так и омега композит могут быть описаны материальными соотношениями, где электрическая и магнитная индукции связаны с двумя полями — электрическим и магнитным.
До начала работы над диссертацией были известны граничные условия импедансного типа для тонких диэлектрических слоев; электродинамические свойства осноосных объемных омега структур, в частности постоянные распространения, малоотражающие свойства при определенных значениях материальных параметров; приближенные граничные условия для определенной структуры бианизотропного материала; электродинамические свойства ферромагнитных материалов и их приложения. В диссертации впервые проводилось детальное сравнение обобщенных импедансных граничных условий для тонких диэлектрических слоев с целью получения более точных результатов при решении определенных задач, получены приближенные граничные условия для слоя одноосного бианизотропного композита, являющего тонким по сравнению с длиной волны, и аналитические соотношения для коэффициентов отражения и прохождения для наклонно падающих плоских волн. Впервые получены соотношения для постоянных распространения в полосковой линии на бианизотропно-ферритовой подложке. Новыми результатами диссертации
можно считать последовательный анализ невзаимных бианизотропных материалов на основе магнитостатических резонаторов и результаты экспериментальных исследований слоев бианизотропных омега материалов, расположенных как в волноводе, так и в свободном пространстве.
Целью диссертационной работы было исследование электродинамических свойств и распространения электромагнитных волн в плоских слоях взаимных и певзаимных бианизотропных композитах и экспериментальное подтверждение предсказанных ранее результатов о взаимодействии СВЧ волны и бианизотропного материала. -
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
нахождение импедансных граничных условий для тонких слоев двух разновидностей бианизотропной среды;
аналитическое решение задачи о коэффициенте отражения от слоев, расположенных в воздухе и на плоской металлической поверхности и о коэффициенте прохождения волн основной и неосновной поляризаций для тонких слоев среды в свободном пространстве;
определение постоянных распространения волн вдоль полосковой линии на феррито-бианизотропной подложке;
получение соотношений для постоянных распространения плоских волн в невзаимной бианизотропной среде;
нахождение аналитических соотношений для коэффициентов отражения и прохождения для тонких невзаимных слоев, расположенных в свободном пространстве и на электрических и магнитных стенках;
разработка методики определения параметра невзаимности и других материальных параметров на основе результатов решения задач для коэффициентов отражения и прохождения плоских волн.
экспериментальное исследование образцов бианизотропной среды, расположенных в волноводном тракте и в свободном пространстве.
Научная новизна работы заключается в основном в следующем: 1. При помощи метода усреднения касательных к поверхности слоя компонент электромагнитного поля решена задача нахождения приближенных граничных условий импедансного типа с пространственными производными второго порядка для плоских тонких слоев бианизотропной среды, находящихся в свободном пространстве и на металлической поверхности, с разными
модификациями магнитоэлектрической связи.
-
Получены аналитические соотношения и графические результаты для коэффициентов отражения и прохождения через тонкий слой для случаев одноосной и киральной омега бианизотропных сред.
-
Найдены постоянные распространения собственных волн, распространяющихся вдоль полосковой линии на феррито- бианизотропной подложке.
-
Найдены постоянные распространения и исследованы поляризации собственных волн в невзаимной бианизотропной среде.
-
Получены приближенные граничные условия для тонкого слоя невзаимной бианизотропной среды, созданной на основе резонаторов на магнито-статических волнах.
-
Задача отражения и прохождения для композита, упомянутого в пункте 5, решена в строгой и приближенной постановках.
-
Разработана методика измерения материальных параметров невзаимной бианизотропной среды.
-
Получены экспериментальные результаты при исследовании образца бианизотропного омега композита, расположенного в волноводе, в свободном пространстве и на металлической плоскости. Также получены экспериментальные результаты для плоского плаиарного омега слоя.
Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть непосредственно использованы при расчете новых устройств СВЧ на основе сложных композиционных материалов.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на:
- студенческой научно-технической конференции СПбГТУ (С.-Петербург,
Россия, 1995 г.),
- IEEE AP-S International Symposium and URS1 North American Radio
Science Meeting (Montreal, Canada, 1997).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в семи научных публикациях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, введения и заключения и списка литературы. Объем диссертации — 127 страниц, включая 119 страниц основного текста и 45 рисунок.