Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2024, № 4 · RADIO ENGINEERING

Investigation of wave reflection and transmission through a planar layer of chiral metamaterial located in a rectangular waveguide taken into account of material dispersion

O.V. Osipov1, D.N. Panin1

1 Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics, Samara, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.4.5 UDC 537.876.46 EDN RSVZQW

Abstract

The work analyzes the diffraction of the fundamental wave of a rectangular waveguide on a planar layer of a chiral metamaterial located in a transverse plane. The mathematical model of the metamaterial takes into account its chirality and dispersion of material parameters. To connect the electromagnetic field vectors through the parameters of the chiral layer, two-sided approximate boundary conditions are used. Cross-polarization of the field is taken into account in the work. A system of linear algebraic equations for the reflection and transmission coefficients of the fundamental and cross-polarized waves was obtained in the work. It is shown that at the cutoff frequencies of the fundamental and cross-polarized waves are also excited in the waveguide. It is shown that at different levels of attenuation in the waveguide, situations arise when the degeneracy of resonant frequencies arises and disappears. It has been proven that the reflection and transmission of the fundamental wave at low attenuation values is of a frequency-selective resonant nature.

  • metamaterial
  • chiral medium
  • rectangular waveguide
  • planar layer
  • fundamental wave
  • diffraction
  • material dispersion
  • chirality parameter
  • approximate boundary conditions
Аннотация (на русском)

Исследование отражения и прохождения волны через планарный слой кирального метаматериала, расположенного в прямоугольном волноводе с учетом материальной дисперсии

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.

For citation

Osipov O.V., Panin D.N. Investigation of wave reflection and transmission through a planar layer of chiral metamaterial located in a rectangular waveguide taken into account of material dispersion // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.4.5

References

  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.