ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №4

УДК: 537.876.46

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОХОЖДЕНИЯ ВОЛНЫ

ЧЕРЕЗ ПЛАНАРНЫЙ СЛОЙ КИРАЛЬНОГО МЕТАМАТЕРИАЛА,

РАСПОЛОЖЕННОГО В ПРЯМОУГОЛЬНОМ ВОЛНОВОДЕ

С УЧЕТОМ МАТЕРИАЛЬНОЙ ДИСПЕРСИИ

О.В. Осипов, Д.Н. Панин

Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики

443010, Самара, ул. Льва Толстого, 23

Статья поступила в редакцию 29 февраля 2024 г.

Аннотация. Целью работы является анализ дифракции основной волны прямоугольного волновода на планарном слое кирального метаматериала, расположенного в поперечной плоскости линии передачи. Математическая модель метаматериала учитывает его киральность и дисперсию материальных параметров (диэлектрическая проницаемость, параметр киральности). Для учета влияния электромагнитных свойств слоя кирального метаматериала на структуру поля основной волны прямоугольного волновода были использованы двухсторонние приближенные граничные условия для тонкого кирального слоя. В работе учтена кросс-поляризация поля, возникающая в линии передачи при наличии кирального слоя. Задача была сведена к решению системы линейных алгебраических уравнений относительно коэффициентов отражения и прохождения основной и кросс-поляризованной волн в исследуемой структуре. В результате численного анализа было показано, что на частоте отсечки основной волны в волноводе возбуждается также кросс-поляризованная волна. Показано, что при различном затухании возможны ситуации возникновения и снятия вырождения резонансных частот, при которых волны проходят в киральный слой и отражаются от него. Доказано, что отражение и прохождение основной волны при малых значениях затухания носит частотно селективный резонансный характер.

Ключевые слова: метаматериал, киральная среда, прямоугольный волновод, планарный слой, основная волна, дифракция, материальная дисперсия, параметр киральности, приближенные граничные условия.

Автор для переписки: Осипов Олег Владимирович, o.osipov@psuti.ru

Литература

1. Capolino F. Theory and phenomena of metamaterials. – CRC press, 2017.

2. Engheta N., Ziolkowski R. W. (ed.). Metamaterials: physics and engineering explorations. – John Wiley & Sons, 2006.

3. Iyer A. K., Alu A., Epstein A. Metamaterials and metasurfaces–Historical context, recent advances, and future directions // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2020. – Т. 68. – №. 3. – С. 1223-1231. https://doi.org/10.1109/TAP.2020.2969732

4. Zheludev N. I. A roadmap for metamaterials //Optics and Photonics News. – 2011. – Т. 22. – №. 3. – С. 30-35. https://doi.org/10.1364/OPN.22.3.000030

5. Suresh Kumar N. et al. A review on metamaterials for device applications //Crystals. – 2021. – Т. 11. – №. 5. – С. 518.s. Crystals 2021; 11; 518. https://doi.org/10.3390/cryst11050518

6. Вендик И. Б., Вендик О. Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот (Обзор) //Журнал технической физики. – 2013. – Т. 83. – №. 1. – С. 3-28. https://doi.org/10.1134/S1063784213010234

7. Стаценко Л. Г. и др. Применение метаматериалов в антенных устройствах цифровых систем связи //Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.1.2

8. Бузов А. Л. и др. Перспективы использования метаматериалов в антеннах нового поколения //Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2017. – Т. 20. – №. 3-1. – С. 15-20. https://journals.ssau.ru/index.php/pwp/article/download/7078/6937.pdf

9. Lindell I. et al. Electromagnetic waves in chiral and bi-isotropic media. – Artech House, 1994.

10. Lakhtakia A., Varadan V. K., Varadan V. V. Time-harmonic electromagnetic fields in chiral media. – Berlin : Springer, 1989. – Т. 335. – С. 5, 13-18.

11. Caloz C., Sihvola A. Electromagnetic chirality, part 1: the microscopic perspective [electromagnetic perspectives] //IEEE Antennas and Propagation Magazine. – 2020. – Т. 62. – №. 1. – С. 58-71. https://doi.org/10.1109/MAP.2019.2955698

12. Lakhtakia A., Varadan V. V., Varadan V. K. Field equations, Huygens’s principle, integral equations, and theorems for radiation and scattering of electromagnetic waves in isotropic chiral media //JOSA A. – 1988. – Т. 5. – №. 2. – С. 175-184.

13. Silverman M. P. Reflection and refraction at the surface of a chiral medium: comparison of gyrotropic constitutive relations invariant or noninvariant under a duality transformation //JOSA A. – 1986. – Т. 3. – №. 6. – С. 830-837. https://doi.org/10.1364/JOSAA.3.000830

14. Третьяков С. А. Электродинамика сложных сред: киральные, биизотропные и некоторые бианизотропные материалы // Радиотехника и электроника. – 1994. – Т. 39. – №. 10. – С. 1457-1470.

15. Varadan V. K., Lakhtakia A., Varadan V. V. Propagation in a parallel-plate wave guide //Journal of Wave-material Interaction. – 1988. – Т. 3. – №. 3. – С. 267.

16. Zhao R., Koschny T., Soukoulis C. M. Chiral metamaterials: retrieval of the effective parameters with and without substrate // Optics express. – 2010. – Т. 18. – №. 14. – С. 14553-14567. https://doi.org/10.48550/arXiv.1008.5177

17. Sihvola A. H. Temporal dispersion in chiral composite materials: A theoretical study // Journal of electromagnetic waves and applications. – 1992. – Т. 6. – №. 7. – С. 1177-1196.

18. Semchenko I. V., Tretyakov S. A., Serdyukov A. N. Research on chiral and bianisotropic media in Byelorussia and Russia in the last ten years. – 1996. https://doi.org/10.2528/PIER94112800

19. Condon E. U. Theories of optical rotatory power //Reviews of modern physics. – 1937. – Т. 9. – №. 4. – С. 432. https://doi.org/10.3367/UFNr.0019.193803d.0380

20. Аралкин М. В., Дементьев А. Н., Осипов О. В. Математические модели киральных метаматериалов на основе многозаходных проводящих элементов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2020. – Т. 23. – №. 1. – С. 8-19. https://doi.org/10.18469/1810-3189.2020.23.1.8-19

21. Аралкин М. В., Дементьев А. Н., Осипов О. В. Исследование электромагнитных характеристик планарных киральных метаструктур на основе составных спиральных компонентов с учетом гетерогенной модели Бруггемана // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2020. – Т. 23. – №. 3. – С. 44-55. https://doi.org/10.18469/1810-3189.2020.23.3.44-55

22. Cory H., Rosenhouse I. Electromagnetic wave propagation along a chiral slab //IEE Proceedings H (Microwaves, Antennas and Propagation). – IET Digital Library, 1991. – Т. 138. – №. 1. – С. 51-54. https://doi.org/10.1049/ip-h-2.1991.0009

23. Oksanen M. I., Koivisto P., Tretyakov S. A. Vector circuit method applied for chiral slab waveguides //Journal of lightwave technology. – 1992. – Т. 10. – №. 2. – С. 150-155. https://doi.org/10.1049/ip-h-2.1991.0086

24. Eftimiu C., Pearson L. W. Guided electromagnetic waves in chiral media // Radio Science. – 1989. – Т. 24. – №. 03. – С. 351-359. https://doi.org/10.1029/RS024i003p00351

25. Pelet P., Engheta N. The theory of chirowaveguides. – 1990. https://doi.org/10.1109/8.43593

26. Pelet P., Engheta N. Modal analysis for rectangular chirowaveguides with metallic walls using the finite-difference method //Journal of electromagnetic waves and applications. – 1992. – Т. 6. – №. 7. – С. 1277-1285.

27. Kamenetskii E. O. On the technology of making chiral and bianisotropic waveguides for microwave propagation //Microwave and optical technology letters. – 1996. – Т. 11. – №. 2. – С. 103-107.

28. Guy S. et al. Full polarization control of optical planar waveguides with chiral material //ACS photonics. – 2017. – Т. 4. – №. 11. – С. 2916-2922. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b00975

29. Неганов В. А., Осипов О. В. Отражающие, волноведущие и излучающие структуры с киральными элементами. – 2006.

Для цитирования:

Осипов О.В., Панин Д.Н. Исследование отражения и прохождения волны через планарный слой кирального метаматериала, расположенного в прямоугольном волноводе с учетом материальной дисперсии. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.4.5