ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ИСКУССТВЕННЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ

February 8, 2013 by admin Комментировать »

р. А.Силин Федеральное государственное унитарное предприятие НПП «Исток» Вокзальная 2а, г. Фрязино, 141190, Россия факс: (095) 9749013, e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Аннотация – Дан обзор свойств электромагнитных волн в искусственных периодических структурах. Свойства описаны на основе аналогии с волнами де-Бройля в кристаллах. Указаны возможные их применения: интегральные схемы, электронные приборы (усилители, генераторы) оптического диапазона. Особое внимание уделено кристаллам с необычными квазиоптическими свойствами.

I.                                        Введение

Для описания электромагнитных волн в периодических структурах удобно использовать их аналогию с волнами де-Бройля в физике твердого тела (см. табл.1)

Аналогия волн да Бройля и электромагнитных

Волны де-Бройля

Электромагнитные волны

Энергия электрона, Е = ϋω

Частота ω

Квазиимпульс р

Волновой вектор β

Скорость электрона Ve = gradpro

Групповая скорость волны Vr = gradpro, равная скорости переноса энергии

Дисперсионная характеристика Е(р)

Дисперсионная характеристика ω(Ρ)

Энергетическая зона

Полоса пропускания

Запрещенная зона

Полоса непропускания

Изоэнергетическая поверхность

Изочастота

Примесные или поверхностные уровни

Локальные колебания

На основе искусственных кристаллов можно делать резонаторы, линии передачи, фильтры, делители сигналов и другие радиотехнические устройства. Для этого используются неоднородности, создающие локальные колебания, аналогичные примесным уровням в твердом теле. Неоднородность в точке позволяет сделать резонатор, а неоднородность вдоль линии – волноведущий тракт и другие радиотехнические устройства.

Одно из направлений в науке об искусственных средах состоит в изучении законов преломления и отражения волн на их границах, а также – в поиске сред, в которых эти волны ведут себя необычно. Так, например, в [1] показано, что в средах, в которых групповая и фазовая скорости волны противоположны по направлению, луч, падающий из свободного пространства, откпоняется в противоположную сторону, чем обычно. С тех пор по исследованию сред с необычными законами преломления и отражения появилось большое количество работ [3 – 6]. В основном такие исследования велись на примерах сред, ведущих волны в двух измерениях. Это двумерно периодические структуры из металлических элементов], это пленки феррита, в которых распространяются магнитостатические волны. Необычными оказываются законы преломления и отражения волн в плазме [7, 8].

Информацию о ходе лучей в средах можно получить, рассматривая тензоры диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостей [7-8]. Такой подход применим, когда период структуры мал по сравнению с длиной волны в среде, ибо соответствующие тензоры требуют усреднения поля. Более удобным, наглядным и справедливым при любых длинах волн представляется метод, использующий изочастоты, т.е. поверхности, на которых оканчивается волновой вектор при всевозможных направлениях волн на фиксированной частоте. Их можно построить как на основании тензоров ε и μ , так и в результате электродинамического расчета, не прибегая к усреднению поля.

Использование аналогии свойств волн де Бройля в кристаллах и электромагнитных волн в периодических структурах привело к обнаружению ряда интересных физических явлений, неизвестных ранее в кпассической оптике. Описанию этих явлений посвящен настоящий обзор.

Различаем прямые и обратные волны. Прямыми называем волны, у которых угол Θ между направлениями фазовой и групповой скоростью не превышает π/2 (|θ| < π/2). В случае π/2 < |θ| < π волну называем обратной.

II.                              Основная часть

Описаны ячейки трехмерно периодических структур и их изочастоты во второй полосе пропускания. В этой полосе существуют обратные волны, даже если периодические структуры состоят либо из металлических кубиков либо рамок

Изложен метод изочастот, с помощью которого строятся преломленные и отраженные лучи, проходящие через границу раздела сред и через плоскопараллельную пластину. Показано, что в искусственных периодических структурах могут наблюдаться необычные квазиоптические явления, не известные в кпассической оптике. Это не только плоскопараллельная «линза», о которой в последнее время пишут во многих работах. В таких материалах возможно полное отражение при нормальном падении волны и прохождение при падении волны под углом. Возможно двойное лучепреломление, зависящее не от поляризации, но от угла падения и от частоты. Волна, падающая на край полоски из ферритовой пленки, проходит в нее, но не отражается и не проходит сквозь нее [10, 11]. Возможен и ряд других ква- зиоптических явлений.

Дан краткий обзор истории исследования обратных волн. Отмечается, что обратные волны известны, начиная с 1877 г. [](Релей), что на необычные законы преломления таких волн впервые обратил внимание академик Л.И.Мандельштам (1940 г.), что обратные волны возможны в средах, имеющих одновременно отрицательные проницаемости ε и μ (В.Е.Пафомов [7], 1959 г., а не В.Г.Веселаго [15], 1967 г., на которого ссылается основная масса авторов), что впервые двумерные искусственные среды с обратными волнами исследовали Долер с соавторами [16], 1956 г., и что они обладают необычными квазиоптическими свойствами (Р.А.Силин [2], 1959 г.), а не Смит с соавторами [9], 2000 г., на которого ссылается основная масса авторов.

Отмечается, что обратные волны в технике используются давно. Так, они используются, например, в лампах с обратной волной (М.Ф.Стельмах [17], 1948 г., Компфнер [18], 1953 г, а также – в антеннах с обратной волной [19]. Отмечается, что обратные волны существуют в холестерических кристаллах [12], в волноводах, частично заполненных диэлектриком и ряде других объектов.

IV.                                  Заключение

Дан краткий обзор характеристик электромагнитных волн в искусственных периодических структурах на основе их аналогии с волнами де-Бройля. Отмечено, что в полосах непропускания на основе таких структур созданы реальные радиотехнические устройства в оптическом диапазоне частот (фотонные кристаллы), что в полосах пропускания эти структуры могут обладать необычными квази оптическими свойствами.

V.                           Список литературы

[1]   .        Мандельштам л. И. Полное собр. тр., Т.5. М.: АН СССР.

–         1950. С. 461.

[2]   .        Силин Р. А. Вопр. радиоэлектрон. Сер.1, 1959, № 4, с.З.

[3]   .        Силин Р. А. РЭ 1960. – Т.5, вып.4. – С. 688.

[4]   .        Силин Р. А., Сазонов В. П. Замедляющие системы. – М.: Сов. радио. – 1966..

[5]   .        Силин Р. А. ИВУЗ, Радиофиз. – 1972. – Т.15, № 6. – С.

809.

[6]   .        Силин Р. А. Оптика и спектрос. – 1978. т.44, № .1. – С.

189

[7]   .        Пафомов В. Е. ЖЭТФ 1959, т.35, вып.6, с.1853.

[8]   .        Аграович В. М., Гинзбург В. Л. Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии. М.: Наука, 1965.

[9]   .        Smith D. R., Padilia W. J., Vier D. C., Nemant-Nasser S. C., Schultz S. II Phys. Rev. Lett. 2000. V.84. № 18. P.4184.

[10] .        Демченко H. П. и др. В кн.: Взаимодействие эл. маг. волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ схем. 4.2. Саратов: Изд. СГУ, 1985, 94.

[11] Вашковский А. В. и др. ИВУЗ, Физика 1988, 31(1), с.67.

[12] Бырдин В. М. Оптика и спектрос. 1983, т.54, вып. 8, с. 456

[13] .        Силин Р. А. Периодические волноводы. М.: Фазис.

2002.

[14] .        J. V. Strett (Lord Reley) Н Proc. of the London Mathematical Society. V. IX, p.21. 1877)

[15] .        Веселаго В. Г. УФН, июль 1967, т. 92, вып.З. С. 517.

[16] .        О. Doehler, В. Epsztein, J. Arnaud. Nouveaux types de lignes pour tubes hiperfrequences// L’onde Electrique. Novembre 1956. T. XXXVI, № 356. – P.937.

[17] .        Стельмах M. Ф. Авторское свидетельство 172364 с приоритетом № 363460/20-9 от31.05.1948 г. Опубликовано 29.06.1965, бюллетень № 12 от 31.07.1965.

[18] .        R. Kompfner, N. Т. Williams, PIRE, 1953, № 11. Р. 1602.

[19] .        Walter С. Н. Trawelling wave antennas. Ν. Υ.: McGraw- Hill, 1965.

ELECTROMAGNETIC WAVES IN ARTIFICIAL PERIODIC STRUCTURES

R. A. Siiin

Federal state unitary enterprize «Istok» Vokzalnaja, 2a, Fryazino, 141190, Russia Fax: (095) 4658686, e-mail: istkor@elnet.msk.ru

To describe electromagnetic waves in periodic structure, their similarity to de Broglie waves used in solid state physics may be conveniently employed (see the table).

Resonators, transmission links, filters, signal dividers and other radio devices may be manufactured using photon crystals. To achieve this, discontinuities are used in order to generate local oscillations similar to impurity levels in solid bodies. A discontinuity at a single point allows for resonators to be manufactured, while a stretched discontinuity – for waveguide circuits or other radio devices to be produced.

One area of research in the science of artificial media involves the investigation of reflection and refraction properties along the boundaries of photon crystals, and search for media with unusual wave behavior. For example, it has been shown in

[1]   that a ray incident from free space on a medium where group and phase velocities are opposite in direction to each other is refracted in the direction opposite to the refraction direction observed in conventional dielectrics. In the past, unusual reflection and refraction properties [2-6, 9], propagation of magnetostatic waves in ferrite films [10, 11], and cholesteric liquid crystals [12] were reported. Plasma also exhibits unusual reflection and refraction behavior [7-8].

Ray paths may be investigated in media with permittivity ε and permeability μ tensors [7-8]. This approach may be applied if the period of such structure is smaller compared to wavelength, since corresponding tensors require field averaging. The isofrequency technique appears to be more convenient, obvious, and valid for any wavelength.

The similarity between de Broglie and electromagnetic waves led to discoveries of several physical phenomena unknown to classical optic. The present report is dedicated to such phenomena.

It is important to know phase velocities, wave vectors and amplitudes of space harmonics in order to obtain the expected direction and intensiveness of diffraction maximum (e.g., in diffraction antennas and lattice arrays). For research purposes, the knowledge of electron-wave interaction (the Vavilov- Cherenkov effect) is also critical. Such interaction is most efficient when phase velocity v = ω/β approaches electron velocity (ve « ω/β), i.e. βve = ω in one-dimensional structures. This expression βve = ω may be extended to 2D and 3D structures.

The Vavilov-Cherenkov effect may be applied in the production of electronic devices (TWTs and BWTs).

Periodical structures are particularly interesting in the optical and near-optical frequency range and may be used to manufacture electronic circuits, devices and unusual optical equipment. In some plates, waves at low incidence angles do not penetrate artificial media, while with increasing incidence angles waves begin to penetrate such media. At the same time, refraction angles decrease at first and subsequently change their sign. A plate may be designed where effects of birefringence are used: however, polarization of both rays is the same, as opposed to regular birefringence. In ferrite films placed into magnetic fields, reflected waves may be absent or no refracted waves be observed, although incident waves may be present.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты