Исследование дифракции электромагнитных волн на тонкопроволочных спиральных элементах и структурах на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Бирюкова, Назиля Раисовна

• Бирюкова, Назиля Раисовна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Бирюкова, Назиля Раисовна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ДИФРАКЦИЯ ПЛОСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ НА ОДИНОЧНОМ ТОНКОПРОВОЛОЧНОМ ИДЕАЛЬНО ПРОВОДЯЩЕМ ЭЛЕМЕНТЕ СПИРАЛЬНОЙ ФОРМЫ

1.1. Постановка задачи

1.2. Интегральное уравнение в тонкопроволочном приближении

1.3. Метод решения интегрального уравнения

1.4. Анализ численных результатов

1.4.1. Случай возбуждения спирального элемента волной с правокру-говой поляризацией

1.4.2. Случай возбуждения спирального элемента волной с левокруго-вой поляризацией

1.5. Основные результаты главы 1

ГЛАВА 2 ДИФРАКЦИЯ ПЛОСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ НА БИ-АНИЗОТРОПНОЙ МЕТАСТРУКТУРЕ СО СПИРАЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ТЕЛЛЕДЖЕНА

2.1. Общая постановка

2.2. Дифракция плоской электромагнитной волны на одиночном классическом однозаходном элементе Телледжена

2.2.1. Оптимизация характеристик классического элемента Телледжена

2.2.2. Случай возбуждения элемента волной с линейной параллельной поляризацией

2.2.3. Случай возбуждения элемента волной с линейной перпендикулярной поляризацией

2.2.4. Случай возбуждения элемента волной с правокруговой поляризацией

2.2.5. Случай возбуждения элемента волной с левокруговой поляризацией

2.3. Возможности увеличения уровня бокового рассеяния: переход от классического к спиральному элементу Телледжена

2.4. Рассеяние плоской электромагнитной волны на однозаходном тонкопроволочном спиральном элементе

2.5. Рассеяние плоской электромагнитной волны на двухзаходном тонкопроволочном спиральном элементе

2.6. Рассеяние плоской электромагнитной волны на трех- и четырех-заходных тонкопроволочных спиральных элементах

2.6.1. Рассеяние волны с параллельной поляризацией

2.6.2. Рассеяние волны с перпендикулярной поляризацией

2.6.3. Рассеяние волны с правокруговой поляризацией

2.6.4. Рассеяние волны с левокруговой поляризацией

2.7. Рассеяние плоских электромагнитных волн на метаструктуре, образованной совокупностью спиральных элементовТелледже-на

2.8. Основные результаты главы 2

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАНАРНОГО МЕТАМАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТОНКОПРОВОЛОЧНЫХ СПИРАЛЬНЫХ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

3.1 Структура метаматериала на основе спиральных элементов

3.2 Изготовление опытного образца

3.3 Методика проведения эксперимента

3.4 Результаты эксперимента

3.5 Основные результаты главы 3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование дифракции электромагнитных волн на тонкопроволочных спиральных элементах и структурах на их основе»

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития науки для достижения новых свойств материалов требует создания новых искусственных структур, которые позволяют различным образом реагировать на внешнее электромагнитное воздействие. Область использования таких структур, часто называемых композиционными (или метаматериалами) [1, 2], весьма широкая — от простейших структур для преобразования поляризации до сложных систем, позволяющих выполнять функции малоотражающих или «умных» покрытий.

С другой стороны, сегодняшний этап развития мировой экономики тесно связан с комплексом мер по созданию энергосберегающих технологий нового поколения, основанных на возможности использования энергии различного происхождения, существующей в окружающем пространстве. Одним из действенных способов реализации подобных энергосберегающих технологий является увеличение эффективности использования энергии. Использование энергии электромагнитного происхождения, уровни которой в окружающем пространстве на настоящий момент времени значительны, является одним из наиболее оптимальных решений указанной выше концепции энергосбережения. К таким видам энергии, прежде всего, относится энергия электромагнитных волн оптического диапазона. Однако в XXI веке все большую роль для использования в системах передачи информации играет излучение СВЧ диапазона (технологии GSM, LTE, WiFi, WiMAX и др.). В связи с этим возникает задача о создании структур, позволяющих использовать электромагнитное излучение СВЧ диапазона при разработке систем вспомогательного (вторичного) электропитания. Речь идет о создании технологий сбора СВЧ энергии из окружающего пространства, с целью дальнейшего её преобразования в энергию постоянного электрического тока. Здесь уместно отметить, что задача преобразования СВЧ энергии в энергию постоянного тока не явля-

ется сложной и имеет известное решение: преобразователь представляет собой ректенну (вибраторную антенну, в зазор которого включен выпрямляющий диод), в то время как сбор (концентрация, захват) СВЧ энергии является не тривиальной задачей.

Необходимо отметить, что данная задача не является новой. Начиная с 70-х годов XX века учёные и инженеры крупных промышленных компаний-разработчиков радиоэлектронной аппаратуры активно ведут разработки в области создания энергосберегающих технологий и систем, позволяющих использовать энергию рассеиваемую во внешней среде, причём как оптического (солнечные элементы и батареи), так и радиодиапазона (т.н. «ректенны»). За последнее десятилетие предложено множество идей и конструкций подобных преобразователей. Однако все они имеют один существенный недостаток - очень низкий КПД. В особенности это касается сборников-преобразователей энергии радиодиапазона: ВЧ и СВЧ. Подобная ситуация, очевидно, связана с тем, что используется т.н. одноэтапный способ преобразования энергии: рассеянное переменное электромагнитное поле непосредственно принимается решёткой, состоящей из большого числа ректенных структур, и, после амплитудного детектирования (выпрямления) с последующим суммированием токов (или напряжений) от отдельных элементов полученный таким образом постоянный ток поступает в нагрузку. Именно на таком принципе работают все оптические сборники-преобразователи - солнечные панели.

Описанный т.н. «классический» способ преобразования является неудобным за счёт низкого КПД (потери пропорциональны числу элементов-преобразователей), а также больших массо-габаритных размеров, и, самое главное - очень высокой стоимости подобных структур. Последнее обстоятельство, зачастую, не оправдывают никакие длительные периоды эксплуатации устройства.

Для минимизации отрицательного влияния вышеописанных факторов в работе предлагается альтернативный способ построения структур сбора энергии - т.н. двухэтапный способ. При его реализации процесс сбора делится на 2 части: вначале предлагается осуществить концентрацию собираемой энергии электромагнитного поля специальной структурой -концентратором, и, лишь потом проводить преобразование сконцентрированной энергии большой интенсивности в постоянный электрический ток. При этом существенно возрастает КПД структуры, поскольку требуется меньшее число элементов-преобразователей, а соответственно и улучшаются массо-габаритные характеристики и существенно снижается стоимость всего устройства в целом.

Энергия, полученная путём сбора из окружающего пространства и соответствующего высокоэффективного преобразования может быть использована не только для работы самих систем передачи информации, но и для электропитания базовых и других радиоэлектронных устройств и систем.

Таким образом, интерес представляет практическое создание искусственных структур, позволяющих концентрировать электромагнитную энергию из внешнего пространства вблизи своей поверхности или внутри себя.

В работах [3-4], предложено использовать в качестве подобных структур искусственные метаматериалы.

Метаматериал - композиционный материал, искусственно сформированный и структурированный, который обладает электромагнитными свойствами не встречающимися в природе, изучение которого берёт своё начало ещё в 19 веке.

Особым классом метаматериалов являются киральные среды, представляющие собой совокупность среды-контейнера, в котором размещаются тонкопроволочные проводящие элементы зеркально асимметричной формы [5-8].

В 1898 году учёный Джагадис Чандра Бозе проводил ряд экспериментов по изучению поляризационных свойств созданных им структур с искривленной конфигурацией [9]. В 1914 году Линдман воздействовал на искусственные среды, представлявшие собой множество беспорядочно ориентированных маленьких проводов, скрученных в спираль и вложенных в фиксировавшую их среду [10]. А в период с 1946-1948 годах Уинстон Е. Кок [11-12] создал микроволновые линзы, используя проводящие диски, сферы и периодически расположенные металлические полоски, по сути, образующие искусственные среды со специфическим индексом преломления. Однако всеобщий интерес к средам с отрицательным коэффициентом преломления начался с работ Российского ученого В.Г. Веселаго, а именно, с работы, опубликованной в журнале «Успехи физических наук» за 1967 г. [13]. В данной работе была выдвинута гипотеза о возможности существования материала с отрицательным коэффициентом преломления, который был назван «левосторонним» (left-handed media — в зарубежной научной литературе). Ученый В.Г. Веселаго пришел к заключению, что в левостороннем материале почти все известные оптические явления распространения волн существенно изменяются. Однако вплоть до XXI века подобные материалы в природе не были найдены, но в тоже время 90-ые годы XX века отождествились в электродинамики с бумом исследования биизотропных и бианизотропных сред, обладающих свойством кирально-сти в СВЧ диапазоне. В частности, было доказано элементы киральной формы наиболее выгодны при попытках создания среды с отрицательным преломлением. В 2000 году идея В.Г. Веселаго была воплощена Дэвидом Смитом с коллегами из Калифорнийского университета, которые изгото-

вили материал с п<0 [14]. С помощью созданного метаматериала удалось создать суперлинзу, позволившую получить изображение размером меньше длины волны используемого света. Именно тогда же был сформулирован следующий принцип: ключ к созданию метаматериала — разработка материала с нужной реакцией на электрические и магнитные поля. В 2000 году Пендри доказал, что линза может фокусировать как ближние, так и дальние поля, если она обладает плоской геометрией и создана из материала с отрицательным преломлением [15].

Как уже отмечалось, в настоящее время значительный интерес представляют киральные метаматериалы, включающие в свою структуру объемные проводящие включения зеркально асимметричной формы (трехмерные проводящие спирали, элементы Телледжена и др. любые виды элементов, которые не совпадают со своими отображениями в плоском зеркале).

При рассмотрении электромагнитной модели обычной (некираль-ной) среды полагают, что она описывает свойства сплошной среды. Ки-ральные же свойства связаны с проявлением дискретной структуры среды. Материальные уравнения для киральных сред могут быть записаны в следующем виде [5]:

Ъ = £Ё- ¡хН, В = /лН + 1%Ё,

где X — параметр киральности, который пропорционален отношению а/Я, где а — линейный размер частицы -элемента среды, Я - длина волны. Материальные уравнения приведенные выше записаны в Гауссовой системе единиц.

Каждый киральный микроэлемент представляет собой систему связанных электрического и магнитного диполей [16-18]. Такие структуры будут обладать свойствами как частотной, так и поляризационной селек-

тивностью, кросс-поляризацией, что позволяет широко использовать ме-таструктуры на основе киральных микровключений в качестве частотно селективных устройств различного назначения.

Подобные среды и их сложные композиционные соединения представляют значительный практический интерес в связи с активным исследованием и разработкой мета- и наноструктур. Сами элементы Телледже-на по сути являются киральными за счёт своей зеркально ассиметричной формы. Можно считать, что в этом случае киральность является физической, так как она создается не формой структуры в целом, а формами находящихся в ней элементов.

В 1948 году Телледжен [16] высказал предположение, что, объединяя электрический и магнитный диполи в единый элемент можно получить новый тип композитной среды с неизвестными ранее свойствами. Однако вплоть до настоящего времени вопросы создания и корректного описания сред на основе элементов, названных элементами Телледжена (Теллегена), являются предметом дискуссий среди учёных многих стран мира. Элементарный анализ симметрии делает сомнительным идею простой комбинации двух электрических и магнитных диполей, для реализации сред с элементами Телледжена. В статье [17], авторы выдвигают гипотезу, что электрические и магнитные диполи должны обладать собственным спектральным волнами и неклассическим эффектом асимметрии. Они доказывают это на основе ферритового диска, который характеризуют как соединение собственных электрических и собственных магнитных моментов. В работе показано, что квази-двумерный ферритовый диск с магнитным диполем обладает уникальной особенностью симметрии с топологической фазой, приводящий к магнитно-электрическим свойствам.

Структуры на основе киральных микроэлементов за счёт обозначенных выше свойств могут быть использованы в качестве основы для решения многих практических задач в сфере телекоммуникаций и радиотехники. Одним из таких свойств, доказанных в настоящей работе, является возможность изменения направления потока электромагнитного излучения при его падении на метаструктуру, а именно азимутальное рассеяние падающего излучения вдоль поверхности структуры.

Среди различных композитных электромагнитных материалов, обладающих необычными свойствами (метаматериалов), отдельную группу образуют биизотропные материалы [19-21]. При макроскопическом электродинамическом описании они характеризуются не только скалярами диэлектрической (а) и магнитной (/) проницаемостей, но и дополнительными параметрами перекрёстной (магнито-электрической) связи между индукциями и напряжённостями электрического и магнитного полей. В работе [22] рассматриваются явления взаимодействия собственных плоских волн круговой поляризации (электромагнитных волн Бельтрами) с плоской поверхностью раздела сопряжённых биизотропных сред Телле-джена. Прохождение плоской волны Бельтрами через поверхность раздела происходит без отклонения от угла падения и сопровождается возбуждением в отражённом поле ортогонально поляризованной плоской волны Бельтрами.

В статье [23] рассматривается распространение волн в биизотроп-ных средах для пяти различных форм записи материальных уравнений. Показана связь между материальными параметрами, а также возможность решения уравнения Гельмгольца в биизотропных средах.

В работе Фисанова В.В. [24] Сопоставляются различные способы описания изотропной киральной среды на основе симметричных материальных уравнений. Обсуждаются инвариантные параметры среды, которые

вводятся с использованием средних волновых чисел собственных волновых полей (полей Бельтрами) киральной среды.

В статье [25] рассматривается распространение электромагнитной волны через границу «диэлектрик - киральная среда». Изучены отражение и прохождение плоской электромагнитной волны через киральную среду. Эффект киральности при отражении поляризованной волны от полупространства описан и проиллюстрирован при помощи параметров Стокса.

Статья [26] посвящена электромагнетизму изотропной киральной среды, движущейся с постоянной скоростью. Среда является изотропной киральной с точки зрения движения совместно с наблюдателем, и среда является киральной средой Фарадея относительно недвижущегося наблюдателя. Киральная среда Фарадея может поддерживать отрицательную фазовую скорость с определенной поступательной скорости и с определенным волновым вектором.

Метаматериалы можно получить внедрением в исходный природный материал различных периодических элементов с самыми различными формами, которые изменяют диэлектрическую и магнитную восприимчивость исходного материала. Часто в работах такие включения называют бианизотропными частицами [26-27].

Статья Семченко И.В., Третьякова С.А., Сердюкова А.Н. [28] также посвящена исследованию киральных и бианизотропных. Нельзя не упомянуть, что в Белоруссии самым первым киральными исследованиями занимался академик Ф.И. Федоров [29], который разработал ковариантные методы, позволяющие изучить электромагнитные поля в анизотропных кристаллах независимо от системы координат. Позже он обобщил данный метод к оптике киральных кристаллов.

Большой вклад в изучение свойств киральных, ббизотропных и биа-низотропных структур внёс Третьяков С.А. В работе [30] изучена возможность реализации отрицательного преломления в киральных средах. Показано, что отрицательное преломление может произойти около резонансной частоты спирали. Резонансные киральные композиты могут стать основой для реализации эффекта отрицательного преломления и создания суперлинз в оптической области. В статье [31] были исследованы электромагнитные свойства бианизотропных электромагнитных кристаллов. Третьяков С.А. совместно с другими учеными привел экспериментальные доказательства эффекта магнитоэлектрической невзаимности элементов Телледжена [32]. Элемент состоял из маленькой ферритовой сферы и из тонкого металлического провода, приклеенного к сфере. Систему намагничивал постоянный магнит.

В работе [33] представлены результаты исследования спиральных частиц с оптимальными параметрами, которые дают возможность реализовать среды с равными диэлектрическими, магнитными и киральными проницаемостями. Исследованы две различные спиральные структуры: каноническая спираль, которая представляет собой разомкнутое кольцо с прямыми выступами, ортогональными кольцу и соединяющимися с краями разрыва (так называемый элемент Телледжена) и классическая спираль, которая получается путем изгиба провода под определенным углом.

В работе А.П. Виноградова, А.В. Дорофеенко и С Зухди [34] дан анализ формул смещения для расчета эффективных параметров композитных материалов, содержащих включения с отрицательными проницаемостями, указаны проблемы, возникающие при использовании различных формул, приведены алгоритмы их решения. Также в статье обсуждается вопрос о вычислении коэффициента преломления для сред с произвольными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей.

В работе [35] авторами приводится обзор ряда новых теоретических результатов по проблеме создания и исследования искусственных сред с пространственной дисперсией и структур, обладающих киральными свойствами в СВЧ диапазоне волн. Результаты получены, в основном, при изучении киральных объектов в виде длинных спиралей малого радиуса по сравнению с длиной волны и решетки из таких спиралей. В этих структурах обнаружены сильные поляризационно-селективные резонансные явления, обусловливающие богатый набор их электродинамических свойств.

В статье [36] рассматриваются искусственные изотропные композиты, которые обладают одновременно отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемостями. Рассматриваются четыре вида композитов. Два из них представляют вариации разомкнутых резонансных колец, два других представляют собой Омега-частицы. В работе предложена аналитическая модель антенны из разомкнутых резонансных колец. Вычислены материальные параметры сложных композитов, созданных из разомкнутых колец или Омега-частиц. Оба композита могут создавать отрицательное преломление, но композиты на основе Омега-частиц более предпочтительны для получения отрицательной диэлектрической проницаемости и проходимости, чем разомкнутые кольца.

В работах [37, 38] были рассмотрены модели Максвелла-Гарнетта для случая киральных включений.

Все киральные метаматериалы можно разделить на два класса -объемные и плоские [39]. Если киральный метаматериал содержит трехмерные проводящие микроэлементы зеркально ассиметричной формы , то это объемный метаматериал. Если используются полосковые композиты зеркально-ассиметричной формы, то среда будет называться плоской. В качестве плоских киральных элементов используются полоски в виде буквы 5 и её зеркального эквивалента [40-42]. Важно отметить среди опубли-

кованных работ по плоским киральным структурам работу [43], в которой численно и экспериментально исследуется элемент в форме гаммадиона. Данный элемент проявляет свойства оптической активности и кругового дихроизма, а также среда на их основе имеет отрицательный показатель преломления. В отличии от других работ элементы имеют меньший размер и обладают большей киральностью.

В работе [44] предложено создавать метаматериалы с помощью разомкнутых металлических колец. В качестве объемных киральных метама-териалов можно рассматривать метаматериал на основе элементов Телле-джена, представляющую собой электрически малую рамку круглой либо прямоугольной формы, в зазор которой включен симметричный электрический вибратор. Такие структуры обладают уникальным свойством изменять направление потока электромагнитного излучения, падающего на слой метаматериала.

В предлагаемой работе в качестве объектов исследования выбраны тонкопроволочные элементы в виде одно- и многозаходной спиралей, а также метаструктуры (решетки) из совокупности указанных элементов. В отличие от приведенных выше работ для анализа дифракции электромагнитных волн на спиральных элементах в диссертации используется метод интегральных представлений поля, которые связывают между собой электромагнитное поле в некоторой точке пространства с плотностью тока в заданном объеме. Данный метод развит в работах В.А. Неганова, Д.П. Табакова и др. Достоинством предлагаемого метода является то, что в отличие, например, от метода конечных разностей во временной области (FDTD) в данном случае отсутствует необходимость находить поля в близко расположенных точках, а достаточно знать лишь распределение плотности тока на излучателе (рассеивателе). Также для расчета характеристик спиральных рассеивателей можно использовать метод интегральных

уравнений, развитый в работах Ю.Ю. Радцига, С.И. Эминова, А.С. Ильинского, С.Л. Просвирнина и др.

Цель работы и задачи работы. Целью диссертационной работы является построение математической модели тонкопроволочного спирального элемента на основе метода интегральных представлений поля и проведение анализа дифракции плоских электромагнитных волн (ПЭМВ) на одиночных одно и многозаходных спиральных элементах, а также на решетках, образованных ими. Для достижения данной цели решаются следующие задачи:

- построение математической модели тонкопроволочного спирального элемента на основе интегрального представления поля;

- анализ рассеяния электромагнитных волн одиночными спиральными элементами (элемент Телледжена, одно и многозаходные спирали);

- анализ рассеяния электромагнитных волн решеткой из одно и мно-гозаходных элементов спиральных элементов;

- проведение экспериментальных исследований по рассеянию плоских электромагнитных волн метаструктурой на основе одно и многоза-ходных спиральных элементов.

Научная новизна работы состоит в разработке следующих новых теоретических положений в электродинамике искусственных киральных сред и структур, а именно:

1. Построена математическая модель тонкопроволочного спирального элемента, возбуждаемого плоской электромагнитной волной с эллиптической поляризацией и произвольным направлением падения на основе интегрального представления поля.

2. Установлено, что в случае падения на спиральный элемент волны с правокруговой поляризацией наблюдается значительный уровень рассея-

ния в плоскости элемента, перпендикулярной направлению падения ПЭМВ.

3. Выявлены особенности рассеяния плоских электромагнитных волн с различными типами поляризации на одно-, двух-, трех- и четырехзаход-ных тонкопроволочных спиральных элементах.

4. Методом координатного спуска проведена оптимизация геометрических размеров одно- и многозаходных спиральных элементов с целью получения максимального уровня рассеяния в плоскости элемента волн с различным типом поляризации.

5. Доказано, что наибольшей уровень рассеяния в плоскости элемента можно получить для четырехзаходной тонкопроволочной спирали.

6. Экспериментально доказано, что метаматериал на основе тонкопроволочных спиральных элементов вблизи заранее заданной резонансной частоты позволяет выполнять преобразование нормально падающего потока СВЧ энергии в рассеяние волны в плоскости структуры.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в адаптации метода интегральных представлений электромагнитного поля на случай тонкопроволочных рассеивате-лей спиральной формы. Практическая ценность работы заключается в том, что рассчитана геометрия спиральных элементов и метаматериала на их основе с целью получения наибольшего уровня рассеяния нормально падающей ПЭМВ в плоскости метаматериала. Данный факт может найти применение при создании частотно селективных концентраторов СВЧ энергии, принцип работы которых основан на том, что энергия электромагнитного поля, сфокусированная в плоскости метаструктуры, в дальнейшем может быть собрана с её торцов и при помощи ректенн преобразована в постоянный электрический ток.

Методология и методы исследования. В основе работы лежит математический аппарат электродинамики, методы математического моделирования, численные методы решения интегральных уравнений и проведение экспериментальных исследований. Численные результаты получены с использованием эффективных вычислительных алгоритмов, реализованных в виде пакета прикладных программ.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается:

- использованием обоснованных физических моделей и строгих (или с известными оценками сходимости) математических методов решения поставленных задач;

- сравнением отдельных результатов с расчетными данными, полученными при использовании разных методов вычислений;

- сравнением отдельных результатов с результатами эксперимента, проведенного в ходе диссертационного исследования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Построена математическая модель тонкопроволочного спирального элемента, возбуждаемого плоской электромагнитной волной с эллиптической поляризацией и произвольным направлением падения, базирующаяся на интегральных представлениях электромагнитного поля.

2. Теоретически предсказан эффект рассеяния плоской электромагнитной волны с правокруговой поляризацией в плоскости элемента при дифракции на тонкопроволочном однозаходном спиральном элементе.

3. Теоретически предсказан эффект максимального рассеяния плоской электромагнитной волны в плоскости метаструктуры при дифракции на решетке из четырехзаходных спиральных элементах.

4. Получены результаты экспериментальных исследований метамате-риала на основе спиральных элементов, доказывающие возможность пре-

образования нормально падающего потока СВЧ энергии в рассеяние в плоскости структуры вблизи резонансной частоты.

Личный вклад автора. В опубликованных работах диссертант является автором математических моделей, проведения численного моделирования и экспериментальных исследований. Все результаты данной диссертационной работы получены автором лично.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы апробировались на X, XI, XIII международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2011; г. Екатеринбург, 2012; г. Казань, 2015); на XII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (г. Казань, 2011); на Международной научно-технической конференции с участием молодых ученых «Динамика и виброакустика машин» (г. Самара, 2012); на III Инновационном Форуме субъектов малого и среднего предпринимательства, Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Актуальные проблемы техники и технологий машиностроительного производства» (г. Самара, 2013); на Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов, магистров и студентов «Прикладная электродинамика фотоника и живые системы» (г. Казань, 2013), а также на XIX и XX Российских научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ (г. Самара, 2012, 2013).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бирюкова, Назиля Раисовна, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Capolino, F. Theory and Phenomena of Metamaterials / F. Capolino.// Taylor & Francis - CRC Press, 2009. — 992 p.

2. Johnson, R.C. Antenna Engineering Handbook / R.C. Johnson. 3rd Edition. McGraw-Hill, Inc., USA, 1993. — 1512p.

3. Осипов, О.В. Использование эффекта азимутального рассеяния электромагнитных волн метаструктурой на основе элементов Телледжена в прикладных задачах электродинамики / О.В. Осипов, А.М. Плотников, Н.Р. Са-лимова // Инфокоммуникационные технологии. — 2012. — Т.10. — №1. — С.8-15.

4. Осипов, О.В. Электродинамические свойства проводящих киральных микроэлементов и метаматериалов на их основе / О.В. Осипов, А.М. Плотников // Тезисы докладов XII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций». — 2011.— С. 20-24.

5. Lindell, I.V. Electromagnetic waves in chiral and bi-isotropic media / I.V. Lindell, A.H. Sihvola, S.A. Tretyakov, A.J. Viitanen. — London: Artech House, 1994. — 291 p.

6. Lakhtakia, A. Time-harmonic electromagnetic fields in chiral media. Lecture Notes in Physics./ A. Lakhtakia, V.K. Varadan, V.V. Varadan. — Berlin: Heidelberg and Boston: Springer-Verlag, 1989. — 121 p.

7. Lakhtakia, A. Field equations, Huygens's principle, integral equations, and theorems for radiation and scattering of electromagnetic waves in isotropic chiral media / A. Lakhtakia., V.V. Varadan, V.K. Varadan// Journal of the Optical Soc. Of America. — 1988. — V.5. — №2. — P.175-184.

8. Третьяков, С.А. Электродинамика сложных сред: киральные, биизотроп-ные и некоторые бианизотропные материалы / С.А. Третьяков // Радиотехника и электроника. — 1994. — Т.39. — №10. — С.1457-1470.

9. Bose, J.C. On the rotation of plane of polarisation of electric waves by a twisted structure / J.C. Bose // Proc. Roy. Soc. — 1898. — V.63. — P.146-152.

10. Lindman, K. F. Om en genom ett isotropt system av spiralformiga resonatorer alstrad rota-tionspolarisation av de elektromagnetiska vagorna / K. F. Lindman // Ofver-sigt af Finska Vetenskaps-Societetens forhandlingar. A. Matematik och naturvetenskaper. — 1914-1915, — V. LVII. — № 3. — P.1 —32.

11. Kock ,W.E. Metal-lens antennas / W.E. Kock // Proceedings of Inst. Radio. Engrs.and Waves and Electrons. — 1946. — V.34. — Р.828-836.

12. Kock ,W.E. Metallic delay lenses / W.E. Kock // Bell Sys. Tech. J. — 1948 — V.27. — P. 58-82.

13. Веселаго, В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями £ и ц / В.Г. Веселаго //УФН. — 1967.— Т. 92.— №7.— С.517-526.

14. Shelby, R. A. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction / Shelby, R. A.; Smith D.R; Shultz S. // Science. — 2001.— V. 292.—№ 5514 — P.77-79.

15. Pendry, J.B. Negative Refraction Makes a Perfect Lens. / J.B. Pendry // Physical Review Letters. — 2000. —. V. 85. — № 18 — P.3966-3969.

16. Tellegen, B.D.H. The Gyrator, a New Electric Network Element / B.D.H. Tel-legen // Philips Research Reports. — 1948. — V. 3. — № 81—P.81-101.

17. Kamenetskii, E.O. Tellegen particles and magnetoelectric metamaterials / E.O. Kamenetskii, M.Sigalov, R. Shavit // Journal of Applied Physics. — 2009. — V. 105. — P. 013537-15.

18. Шевченко, В.В. Киральные электромагнитные объекты и среды / В.В. Шевченко // Соросовский образовательный журнал. — 1998. — №2. — С.109-114.

19. Tretyakov, S.A., Electromagnetic waves in layered general biisotropic structures/ S.A. Tretyakov, M.I. Oksanen // Journal Electromagnetic Waves Applic. — 1992. — V.6. — №10. — P.1393-1411.

20. Третьяков, С.А. Приближенные граничные условия для тонкого биизо-тропного слоя / С.А. Третьяков // Радиотехника и электроника. — 1994. — Т.39. — №2. — С.184-192.

21. Tretyakov S.A., Oksanen M.I. A biisotropic layer as a polarization transformer / S.A. Tretyakov, M.I. Oksanen // Journal Smart Materials and Structures. — 1992. — V.1. —№1. — P.76-79.

22. Фисанов, В.В. Прохождение плоских волн через поверхность раздела сопряжённых сред Теллегена / В.В. Фисанов // Доклады ТУСУ Ра. — 2011. — Т.31. — № 1. — С.7-10.

23. Ougier, S. Propagation in bi-isotropic media: effect of different formalisms on the propagation analysis / S. Ougier, I. Chenerie, A. Sihvola, and A. Priou // Progress In Electromagnetics Research. — 1994. —V.9. — P.19-30.

24. Фисанов, В.В. О материальных параметрах и инвариантах изотропной киральной среды / В.В. Фисанов // Доклады ТУСУРа. — 2011. — Т.24. — № 2. — С. 193-196.

25. Bassiri, S. Electromagnetic wave propagation through a dielectric-chiral interface and through a chiral slab / S. Bassiri , C. H. Papas, N Engheta // Journal of the Optical Society of America A. — 1988. — V.5 — №9. — P.1450-1459.

26. Tretyakov, S.A. Research on negative refraction and backward-wave media: A historical perspective / S.A. Tretyakov // EPFL Latsis Symposium Negative Re-

fraction: Revisiting Electromagnetics from Microwave to Optics, Lausanne, Switzerland, 2005. — P. 30-35.

27. Simovski, C.R. Backward wave region and negative material parameters of a structure formed by lattices of wires and split-ring resonators / Simovski C.R., Belov P.A., and He S // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2003. — V.51. —№ 10. . — P. 2582-2591.

28. Semchenko, I. V. Research on chiral and bianisotropic media in Byelorussia and Russia in the last ten years / V. Semchenko, S. A. Tretyakov, and A. N. Ser-dyukov //Progress In Electromagnetics Research. — 1996. — V.12. — P. 335370.

29. Федоров, Ф.И. Теория гиротропии./ Ф.И. Федоров. — Минск: Наука и техника, 1976. — 254 с.

30. Tretyakov, S. Backward-wave regime and negative refraction in chiral composites / S. Tretyakov, A. Sihvola, and L. Jylh // Photonics and Nanostructures.

— 2005. — V.3. — Nos. 2-3. — P. 107-115

31. Belov, P. A. Example of bianisotropic electromagnetic crystals: the spiral medium / P. A. Belov, C. R. Simovski, S. A. Tretyakov.// Phys. Rev. — 2003. — V.67

— P. 056622-6.

32. Tretyakov, S.A. Artificial Tellegen Particle / S.A. Tretyakov, and S.I. Maslovski, I.S. Nefedov, and A.J. Viitanen, P.A. Belov, A. Sanmartin // Electromagnetics. — 2003. — V.23. — №8. — P.665-680

33. Saenz, E. Modeling of Spirals with Equal Dielectric, Magnetic, and Chiral Susceptibilities / E. Saenz, I. Semchenko, S. Khakhomov, K. Guven, R. Gonzalo, E. Ozbay, and S. Tretyakov // Electromagnetics. — 2003. — V.28. — P.476-493.

34. Виноградов, А.П. К вопросу об эффективных параметрах метаматериа-лов / А.П. Виноградов, А.В. Дорофеенко, С. Зухди // Успехи физических наук. — 2008. — Т.178. — №5. — C.511-518.

35. Каценеленбаум, Б.З. Киральные электродинамические объекты / Б.З. Каценеленбаум, E.H. Коршунова, А.Н. Сивов, А.Д. Шатров // Успехи физических наук. — 1997. — Т. 167. — №11. — С. 1201-1212.

36. Simovski, C.R. Toward creating isotropic microwave composites with negative refraction / C. R. Simovski, B. Sauviac // Radio Sci.— 2004. — V.39.— №2 — P.1-18.

37. Lakhtakia, A. On the Maxwell-Garnett model of chiral composites / A. Lakhtakia // Journal of Materials Research. .— 1993. — V.8.— №4 — P.917-922.

38. Weiglhofer, W.S. Maxwell-Garnett model for composites of electrically small objects / W.S. Weiglhofer, A. Lakhtakia, J.C. Monzon:// Microw. Opt. Technol. Lett. .— 1993. —V.6 — №12 —P.681-684.

39. Неганов, В.А. Отражающие, волноведущие и излучающие структуры с киральными элементами / В.А. Неганов, О.В. Осипов. — М.: « Радио и связь», 2006. — 280 с.

40. Просвирнин, С.Л. Преобразование поляризации при отражении волн микрополосковой решеткой из элементов сложной формы / С.Л. Просвирнин // Радиотехника и электроника. — 1999. — Т.44. — №6. — C.681-686.

41. Prosvirnin, S.L. Analysis of electromagnetic wave scattering by plane periodical array of chiral strip elements / S.L. Prosvirnin // Proceedings of 7-th International Conference on Complex Media «Bianisotropic-98», 1998. —P.185-188.

42. Васильева, Т.Ц. Дифракция электромагнитных волн на плоской решетке из киральных полосковых элементов сложной формы / Т.Ц. Васильева,

С.Л. Просвирнин //Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — 1998. — Т.1. — №4. — С.5-9.

43. Zhao, R. Conjugated gammadion chiral metamaterial with uniaxial optical activity and negative refractive index / R. Zhao, L. Zhang, J. Zhou, T. Koschny, and C. M. Soukoulis,// Phys. Rev. — 2011 — V.83 — №3. — 035105-4

44. Неганов, В.А. Самосогласованный подход к электродинамическому анализу киральных структур / Неганов В.А., Табаков Д.П. Градинарь И.М. // Антенны. — 2009. — Вып. 8 — №147 — С. 3-11.

45. Солдатов, А.А. Коническая рупорная антенна на металлическом экране с подмагниченным гиромагнитным резонатором для измерения характеристик электромагнитного СВЧ-концентратора / А.А. Солдатов, А.М. Плотников, Ш.Р. Салимов, Н.Р. Салимова // Вестник Самарского государственно аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева. — 2013. — №1(39). — С. 239-244.

46. Осипов, О.В. Влияние формы спиральных элементов на рассеивающие свойства бианизотропной метасреды / О.В. Осипов, А.М. Плотников, Н.Р. Салимова // Инфокоммуникационные технологии. — 2014. — Т.12. — № 1. — С. 19-24.

47. Неганов, В.А. Автоматизированная оптимизация характеристик ки-рального концентратора электромагнитной энергии в пакете CST MICROWAVE STUDIO / В.А. Неганов, О.В. Осипов, А.М. Плотников, Н.Р. Сали-мова // Физика и технические приложения волновых процессов: тезисы докладов X МНТК, 11-17 сен., 2011 г., г. Самара. — Самара, 2011. — С.188-189.

48. Осипов, О.В. КПД концентратора СВЧ-энергии на основе модифицированных многозаходных элементов Телледжена / О.В. Осипов, А.М. Плотников, Н.Р. Салимова // Динамика и виброакустика машин: тезисы докладов

МНТК с участием молодых ученых, 5-7 сен., 2012 г., г. Самара. — Самара, 2012. — Т.2. — С. 34-35.

49. Осипов, О.В. Самодостаточный метод обеспечения изотропии азимутального рассеяния поля для энергоконцентрирующей структуры на основе модифицированных элементов Теледжена / О.В. Осипов, А.М. Плотников, Н.Р. Салимова // Физика и технические приложения волновых процессов: тезисы докладов XI МНТК, 26-28 сен., 2012 г., г. Екатеринбург. — Екатеринбург, 2012. — С.209-210.

50. Осипов, О.В. КПД концентратора СВЧ-энергии на основе модифицированных многозаходных элементов Телледжена / О.В. Осипов, А.М. Плотников, Н.Р. Салимова // Физика и технические приложения волновых процессов: тезисы докладов XI МНТК, 26-28 сен., 2012 г., г. Екатеринбург. — Екатеринбург, 2012. — С.210-211.

51. Осипов, О.В. Концентрация оптической энергии структурами на основе промышленных стеклопакетов / О.В. Осипов, А.М. Плотников, Н.Р. Салимо-ва // Проблемы техники и технологий телекоммуникаций: тезисы докладов XII МНТК, 21-24 ноя., 2011 г., г. Казань. — Казань, 2011. — С.350-351.

52. Неганов, В.А. Структура для эффективного преобразования ЭМ-энергии ГВЧ и оптического диапазонов / В.А. Неганов, О.В. Осипов, А.М. Плотников, Н.Р. Салимова // XIX Российская научная конференция проф.-преп. состава, научных сотрудников и аспирантов: тезисы докладов, 30 янв.-3 фев., 2012 г., г. Самара. — Самара, 2012. — С. 29-30.

53. Осипов, О.В. Метаматериал на основе тонкопроволочных одновитковых проводящих спиралей / О.В. Осипов, А.М. Плотников, Н.Р. Салимова // XX Российская научная конференция проф.-преп. состава, научных сотрудников и аспирантов: тезисы докладов, 28 янв.-1 фев., 2013 г., г. Самара. — Самара, 2013. — С.21-22.

54. Осипов, О.В. Рассеивающие свойства метаматериалов на основе одно- и четырехзаходных одновитковых спиралей / О.В. Осипов, А.М. Плотников,

Н.Р. Салимова // XX Российская научная конференция проф.-преп. состава, научных сотрудников и аспирантов: тезисы докладов, 28 янв.-1 фев., 2013 г., г. Самара. — Самара, 2013. — С.23-24.

55. Осипов, О.В. Разработка концентратора СВЧ-энергии на основе биани-зотропного метаматериала / О.В. Осипов, А.М. Плотников, Н.Р. Салимова // III Самарский Инновационный Форум Субъектов малого и среднего предпринимательства, Всероссийский молодежный научно-техническая конференция «Актуальные проблемы техники и технологий машиностроительного производства»: материалы конкурса «Умник», 23-25 апр., 2013 г., г. Самара. — Самара, 2013. — С.121-124.

56. Осипов, О.В. Разработка частотно-селективного защитного экрана на основе бианизотропного метаматериала / О.В. Осипов, А.М. Плотников, Н.Р. Салимова // Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы: тезисы докладов МНТК, 11-13 апр., 2013 г., г. Казань. — Казань, 2013. — С.30-32.

57. Осипов, О.В. Анализ рассеяния плоской электромагнитной волны на метаструктуре, образованной матрицей из трехзаходных тонкопроволочных спиральных элементов / О.В. Осипов, А.М. Плотников, А.О. Почепцов, Н.Р. Бирюкова // Физика и технические приложения волновых процессов: тезисы докладов XIII МНТК, 21-25 сен., 2015 г., г. Казань. — Казань, 2015. — С.169-171.

58. Pocklington, H.C. Electrical Oscillation in Wires / H.C. Pocklington // Camb.: Phil. Soc. Proc. — 1897 — V.9 — P. 324-332.

59. Hallen, E. Theoretical investigation into the transmitting and receiving qualities of antennas / E. Hallen // Nova Acta (Uppsala). — 1938. — №11. — P. 1-44.

60. Maue, A.W. Toward Formulator of a General Diffraction Problem via an Integral Equation / A.W. Maue //Zeitschrift fur Phyzik. —V.126. — P.601-618.

61. Неганов, В.А. Математические модели цилиндрической спиральной антенны / В.А. Неганов, Д.П. Табаков //Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — 2013. — Т.16 — №2. — С. 79-86.

62. Неганов, В.А. Дифракция плоской электромагнитной волны Н-поляризации на идеально проводящем разомкнутом кольце/ В.А. Неганов, Е.И. Пряников, Д.П. Табаков // Физика волновых процессов и радиотехнические системы — 2008. — Т.11.— №1. — С. 22-29.

63. Градинарь, И.М. Дифракция плоской электромагнитной волны на двух разомкнутых кольцах/ И.М. Градинарь, В.А. Неганов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — 2011. — Т. 14. — №2. — С. 2431.

64. Капитонов, В.А. Интегральное представление электромагнитного поля геометрически киральной структуры / В.А. Капитонов, В.А. Неганов, И.Ю. Марсаков, Д.П. Табаков // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — 2012. — Т. 15. — №4. — С. 6-13.

65. Неганов, В.А. Электродинамика и распространение радиоволн. Учебник / Под ред. В.А. Неганова и С.Б. Раевского. Изд. 4-е, доп. и перераб. — М.: Радиотехника, 2009. — 744 с.

66. Mei, K.K. On the integral Equations of Thin Wire Antennas / K.K. Mei // IEEE Trans. on Ant. and Prop.- 1965. — V.13 — №3. — P.374-378.

67. Неганов, В.А. Физическая регуляризация некорректных задач электродинамики / В.А. Неганов. -М.: Сайнс-Пресс, 2008 — 450 с.

68. Стрижков, В.А. Математическое моделирование электодинамических процессов в проволочных антенных системах / В.А. Стрижков // Математическое моделирование. —1989. — Т.1. . — №8. — С. 127-138.

69. Вычислительные методы в электродинамике / Под ред. Р. Митры, пер с англ. под ред. д.ф.-м.н. Э.Л. Бурштейна. - М.: «Мир»., 1977. - 487 с.

70. Лифанов, И.К. Особые интегральные уравнения и методы их численного решения. Учебное пособие по курсу лекций./ И.К. Лифанов. — М.: «МАКС-Пресс»., 2006. — 68 с.

71. Неганов, В.А. Электродинамические методы проектирования устройств СВЧ и антенн / В.А. Неганов, Е.И. Нефедов, Г.П. Яровой / Под ред. В.А. Нега-нова. — М.: Радио и связь, 2002. — 416 с.

72. Неганов, В.А. Применение сингулярных интегральных уравнений для электродинамического анализа плоской кольцевой антенны / В.А. Неганов, Д.П. Табаков // Антенны. — 2008. — №10. — C. 25-33.