Электромагнитные кристаллы с отрицательным показателем преломления

Аннотация

Метаматериалы с отрицательным показателем преломления содержат, как правило, два типа элементов: длинные проводники (проволоки) и индуктивно-щелевые резонаторы (разрезные миниатюрные кольца). Система кольцевых резонаторов обуславливает задержку распространяющегося в метаматериале электромагнитного излучения. Это связано со сдвигом фазы на высокочастотном крыле амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) резонаторов. В образцах метаматериала исследованных нами вместо кольцевых резонаторов использовались полуволновые вибраторы. Измерения проводились в свободном пространстве с применением рупорных антенн в частотном диапазоне 8 - 12 ГГц. В работе экспериментально показано, что применяемая в образце метаматериала вибраторная решетка имеет широкую запрещенную полосу (9,3 - 11,0 ГГц), лежащую ниже резонансной частоты отдельных вибраторов (11,0 ГГц). Следовательно, в исследовавшихся образцах на низкочастотном крыле запрещенной полосы для вибраторов выполняется условие l/λ< 0,5, где l - длина вибратора, λ - длина волны сканирующего излучения. Из теории вибраторных антенных решеток, характеристики которых исследованы и подробно описаны в многочисленных монографиях, известно, что в этом случае на вибраторах наблюдается параллельный резонанс. Фазовый сдвиг будет такой же, как у кольцевых резонаторов на высокочастотном крыле АЧХ. И на этих частотах задержка сигнала приведет к эффективному отрицательному значению магнитной проницаемости. Измерения угловой зависимости спектра пропускания призмы из метаматериала с вибраторами показали, что наблюдается отрицательное преломление части спектра на частотах 9,2 - 9,5 ГГц, что соответствует низкочастотному крылу АЧХ вибраторной решетки. Для исследовавшегося метаматериала эффективное значение показателя преломления n = - 1,37±0,06.

• вибраторы
• vibrator
• метаматериалы
• электромагнитные кристаллы
• отрицательное преломление

Abstract (in English)

Metamaterials with a negative refractive index contain, generally, two types of elements: long conductors (wires) and inductive-capacitive resonators (miniature split rings). The system of ring resonators causes a delay of propagation of electromagnetic waves in the metamaterial. This is due to the phase shift in the high frequency region of the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the resonators. We used half-wave vibrators in our metamaterial samples instead of ring resonators. The measurements were carried out in a free-space using standard horn antennas in the frequency range 8 - 12 GHz. It has been shown experimentally that the vibrator array used in the metamaterial sample has a wide bandgap (9,3 - 11,0 GHz) located below the resonance frequency of individual vibrators (11,0 GHz). Consequently, for the investigated samples in the low-frequency region of the forbidden band for vibrators, the condition l/λ <0.5, where l is the length of the vibrator, and λ is the wavelength of the electromagnetic radiation, is valid. From the theory of vibrator antenna arrays, which characteristics had been studied and described in detail in numerous monographs, it is known that in this case a parallel resonance is observed. The phase shift will be the same as for ring resonators in the high-frequency region of the AFC, and at these frequencies, the signal delay will lead to the negative value of the effective magnetic permeability. Angular dependence measurements of the electromagnetic waves transmission through the prism of the metamaterial with vibrators showed that negative refraction is observed at frequencies of 9,2 - 9,5 GHz, which corresponds to the low-frequency region of the frequency response of the vibrator array. Effective value of the refractive index for the studied metamaterial was n = - 1,37±0,06.

Для цитирования

Литература

1. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ // УФН. - 1967. - Т. 92. - Вып. 3. - С. 517-526
2. Харди, Уайтхед. Резонатор типа разрезанного кольца для исследования магнитного резонанса в диапазоне 200…2000 МГц // Приборы научных исследований - 1981. - №2. - С 64-68.
3. D.R. Smith et.al. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev. Lett. - 2000. - Vol. 84. - No. 18. - P. 4184-4187.
4. J.B. Pendry, A.J. Holden, D.J. Robbins, W.J. Stewart Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 1999. - Vol. 47. - No. 11. - P. 2075-2084.
5. G. Dolling, C. Enkrich, M. Wegener, J. Zhou, C.M. Soukoulis, S. Linden Cut-wire pairs and plat pairs as magnetic atoms for optical metamaterials //Opt. Lett. - 2005. - Vol. 30. - No. 23. - P. 3198-3200.
6. О.Д. Вольпян, А.И. Кузьмичев Отрицательное преломление волн. Введение в физику и технологию электромагнитных материалов / Под ред. Г.М. Зверева. - К.-М.:Аверс, 2012. - 360 с.
7. Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарев Устройства СВЧ и антенны / Под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 2-е, доп. и перераб. - М,: Радиотехника, 2006. - 376 с.
8. Г.С. Горелик Колебания и волны / Под ред. С. М. Рытова - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 656 с.
9. P.A. Belov, S.A. Tretyakov, A.J., Viitanen. J. Dispersion and reflection properties of artificial media formed by regular lattices of ideally conducting wires, Waves and Appl. 2003. Vol.16. № 8, pp. 1153-1170.
10. С.Е. Банков Электромагнитные кристаллы. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010.-352 с.