СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАМАТЕРИАЛОВ

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, к новому научному направлению - получению и исследованию метаматериалов, в частности к измерению их электрофизических параметров.

Метаматериалы - это композитные материалы, обладающие уникальными электрофизическими, радиофизическими и оптическими свойствами, отсутствующими в природных материалах. Поскольку метаматериалы являются искусственными материалами и получаются за счет включения в диэлектрический материал (матрицу) искусственного материала (среды), то их электрофизические параметры описываются эффективной диэлектрической ε_эф и магнитной μ_эф проницаемостями. Уникальные свойства метаматериалов обусловлены в частности тем, что, метаматериалы могут обладать одновременно отрицательными значениями эффективных диэлектрической ε_эф и магнитной проницаемостей μ_эф, вследствие чего возникают электромагнитные волны, у которых фазовая и групповая скорости имеют противоположные направления и в результате возникает отрицательное лучепреломление на границе двух сред (падающий и преломленный лучи лежат по одну и ту же сторону нормали границы раздела сред) [Гуляев Ю.В., Лагарьков А.Н., Никитов С.А. Метаматериалы: фундаментальные исследования и перспективы применения // Вестник Российской академии наук, 2008. Том. 78. №5. С. 438-457].

Заявляемый способ как раз и позволяет определять является ли исследуемый материал метаматериалом в заданном диапазоне частот и, кроме того, после установления этого факта, позволяет определить значения его эффективных диэлектрической ε_эф и магнитной проницаемостей μ_эф.

Известен способ определения оптического метаматериала и устройство для его реализации [Патент RU №2551265, МПК⁷ G01N 21/41, Заявл. 12.12.2013. Опубл. 20.05.2015. Бюл. №14], включающий падение коллимированного светового пучка под углом на пластинку исследуемого материала, нанесении на обе ее поверхности диэлектрического и непрозрачного для светового пучка покрытия, при этом световой пучок проходит внутрь пластинки через входное окно, соизмеримое с толщиной пластинки и выполненное по центру в одном из покрытий. По положению выходного светового пучка относительно нормали к границе раздела сред в точке падения определяют принадлежность пластинки к метаматериалу.

Недостатком способа является то, что, способ эффективно работает только в оптическом диапазоне длин волн. При применении в диапазоне СВЧ - обладает низкой точностью определения диапазона частот, где исследуемый материал является метаматериалом, а также низкой точностью и достоверностью определения значений его эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Известен способ измерения значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериалов [Кухаренко А.С. Методика измерения эффективных значений диэлектрической и магнитной проницаемости метаматериалов // Наукоемкие технологии в космических исследованиях земли. 2016. Т. 8, №3. С. 78-87], заключающийся в облучении исследуемого материала электромагнитными волнами с вертикальной или горизонтальной поляризацией, измерении его комплексных коэффициентов передачи и отражения и определении по ним его значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Недостатками способа являются: не позволяет определять, что исследуемый материал является метаматериалом, низкая точность и достоверность измерения его значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ определения электрофизических параметров метаматериалов [с. 254-255 [L. Ran, J. Huangfu, Н. Chen, X. Zhang, K. Chen, Т. Grzegorczyk, and J. Kong, Experimental Study on Several Left-Handed Matamaterials, Progress In Electromagnetics Research, 2005, Vol. 51, pp. 249-279, http://www.jpier.org/PIER/pier.php?paper=0404052, DOI: 10.2528/PIER04040502], заключающийся в размещении пластинки исследуемого материала на металлической подложке, возбуждении вдоль металлической подложки электромагнитной волны с вертикальной поляризацией, падающей на пластинку исследуемого материала под углом к нормали, проведенной вдоль металлической подложки к границе раздела «металлическая подложка-исследуемый материал», определении принадлежности исследуемой пластинки к метаматериалу по положению преломленного луча электромагнитной волны относительно нормали к границе раздела «металлическая подложка-исследуемый материал» и определении его показателя преломления.

Недостаткам данного способа являются низкая точность определения границ диапазона частот, где исследуемый материал является метаматериалом, а также низкая точность и достоверность измерения его значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения границ диапазона частот, где исследуемый материал является метаматериалом, а также повышение точности и достоверность измерения его значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения электрофизических параметров метаматериалов, заключающемся в размещении пластинки исследуемого материала на металлической подложке, возбуждении вдоль металлической подложки электромагнитной волны с вертикальной поляризацией, падающей на пластинку исследуемого материала под углом к нормали, проведенной вдоль металлической подложки к границе раздела «металлическая подложка-исследуемый материал», определении принадлежности исследуемой пластинки к метаматериалу по положению преломленного луча электромагнитной волны относительно нормали к границе раздела «исследуемый материал - металлическая подложка» и определении его показателя преломления, электромагнитную волну с вертикальной поляризацией, падающую на пластинку исследуемого материала под углом к нормали, проведенной вдоль металлической подложки к границе раздела «исследуемый материал - металлическая подложка», возбуждают последовательно на частотах, возрастающих от ƒ_i до ƒ_N с дискретным шагом по частоте Δƒ,

измеряют коэффициент затухания α(ƒ_i), α(ƒ_i+1)…α(ƒ_N) каждой электромагнитной волны над поверхностью исследуемого материала по линии перпендикулярной к его поверхности по туже сторону нормали к границе раздела «исследуемый материал - металлическая подложка», где находится и падающая электромагнитная волна,

сравнивают коэффициенты затухания с нулевым значением,

если α(ƒ_i)>0, то принимают решение о том, что пластинка на частоте ƒ_i является метаматериалом,

используя два значения коэффициентов затухания на двух рядом расположенных частотах α(ƒ_i) и α(ƒ_i+1), на которых пластинка является метаматериалом, при условии, что определяют ее значения эффективных диэлектрической проницаемости ε_эф и магнитной проницаемости μ_эф, решая систему из двух дисперсионных уравнений.

Сущность изобретения состоит в следующем. В прототипе определение принадлежности исследуемой пластинки к метаматериалу на заданной частоте осуществляется по смещению луча электромагнитной волны с вертикальной поляризацией, возбуждаемой вдоль металлической подложки, падающей на пластинку исследуемого материала под углом к нормали, проведенной вдоль металлической подложки к границе раздела «металлическая подложка - исследуемый материал», после прохождения им плоскопараллельной пластинки исследуемого материала. Луч на выходе пластинки регистрируется приемным детектором. Способ основан на методах геометрической оптики и при измерениях не учитывается конечная ширина диаграммы направленности приемного детектора, что приводит к снижению точности и достоверности определения смещения выходного луча относительно нормали к границе раздела «металлическая подложка - исследуемый материал».

Кроме того, способ-прототип позволяет определить только значение безразмерного показателя преломления где ε_эф - эффективная диэлектрическая проницаемость, μ_эф - эффективная магнитная проницаемость метаматериала. Для раздельного определения значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей требуются измерения смещения луча как минимум для двух различных частот электромагнитной волны. Поскольку метаматериал обладает сильной частотной дисперсией диэлектрической и магнитной проницаемостей, измерения необходимо проводить на двух близко расположенных частотах, чтобы ей можно было пренебречь. Так как малые изменения частоты, приводят к небольшим смещениям выходного луча, из-за конечности ширины диаграммы направленности приемного детектора, точность и достоверность определения его смещения значительно снижается.

Предлагаемый способ позволяет повысить точность определения границ диапазона частот, где исследуемый материал является метаматериалом, а также повысить точность и достоверность измерения его значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей.

В предлагаемом способе учитывается, что в области частот, где исследуемый материал является метаматериалом (т.е. эффективная диэлектрическая проницаемость ε_эф и эффективная магнитная проницаемость μ_{эф одновременно принимают отрицательные значения) электромагнитная волна с вертикальной поляризацией на границе раздела «металлическая подложка - исследуемый материал» переходит в поверхностную электромагнитную волну. Основным свойством поверхностной волны является то, что направление ее распространения ортогонально направлению недиссипативного затухания [Федюнин П.А., Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М.: Физматлит. 2013. стр. 69]. В предлагаемом способе детектирование появления электромагнитной волны по туже сторону нормали, что и падающая электромагнитная волна осуществляется путем измерения коэффициента затухания поля поверхностной волны перпендикулярно поверхности исследуемого материала. Для поверхностной волны коэффициент затухания всегда имеет положительное значение. В предлагаемом способе основными критериями определения принадлежности исследуемого материала к метаматериалу являются: появление поверхностной электромагнитной волны с той же стороны нормали, что и падающая электромагнитная волна и положительное значение ее коэффициента затухания. Таким образом, в предлагаемом способе не производится оценка смещения выходного луча с помощью детектора, а вместо этого измеряются значения коэффициента затухания поля поверхностной волны с той же стороны нормали, что и падающая электромагнитная волна. При этом измерения коэффициента затухания, в отличие от измерения смещения выходного луча, можно произвести при любых значениях частоты с точностью достаточной для определения эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей. Это позволяет для двух значений коэффициентов затухания на двух рядом расположенных частотах составить систему из двух дисперсионных уравнений и определить эффективную диэлектрическую проницаемость εэф и эффективную магнитную проницаемость метаматериала μэф путем решения этой системы.}

На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов реализации предлагаемого способа определения электрофизических параметров метаматериалов, где цифрами обозначено 1 - исследуемый материал, 2 - радиопоглощающее покрытие, 3 - металлическая поверхность, 4 - нормаль к границе раздела «металлическая поверхность-исследуемый материал», 5 - падающая электромагнитная волна с вертикальной поляризацией, 6 - преломленная электромагнитная волна, 7 - область над исследуемым материалом для измерения коэффициента затухания поверхностной волны, 8 - блок измерения коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны, 9 - блок пороговой обработки и определения значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериала, 10 - приемная антенна, 11 - антенна возбуждения электромагнитной волны с вертикальной поляризацией, 12 - генератор СВЧ.

Назначение элементов схемы

Образец исследуемого материала 1 может быть изготовлен как [с. 254 [L. Ran, J. Huangfu, Н. Chen, X. Zhang, K. Chen, Т. Grzegorczyk, and J. Kong, Experimental Study on Several Left-Handed Matamaterials, Progress In Electromagnetics Research, 2005, Vol. 51, pp. 249-279, http://www.jpier.org/PIER/pier.php?paper=0404052, DOI: 10.2528/PIER04040502], например, в форме параллелограмма. Это позволяет повысить точность позиционирования антенны возбуждения электромагнитной волны с вертикальной поляризацией относительно нормали 4 к границе раздела «металлическая поверхность-исследуемый материал».

Радиопоглощающее покрытие 2 совместно с металлической подложкой 3 образуют параллельный пластинчатый волновод. Он позволяет эффективно возбуждать вдоль металлической подложки электромагнитную волну и устранять внешние мешающие излучения. Радиопоглощающее покрытие может быть, например, типа РАН-28М.

Назначение блока измерения коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны 8 следует из названия самого блока. Измерение коэффициентов затухания может быть осуществлено по результатам косвенных измерений напряженности поля поверхностной волны по нормали к поверхности покрытия [Федюнин П.А., Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М.: Физматлит.2013. стр. 122].

Блок измерения коэффициентов затухания поля поверхностной волны 8 может быть реализован, например, на основе детекторных СВЧ-диодов, аналогово-цифрового преобразователя, микроконтроллера и персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ) [Branislav Korenko и Marek . Автономный цифровой вольтметр на многоканальном АЦП. Электронный журнал Радиолоцман, 2012, ноябрь. С. 67-70. URL: http://www.rlocman.ru /book/book.html?di=144227 (Дата обращения: 26.07.2019)].

Блок пороговой обработки и определения значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериала 9 предназначен для сравнения измеренных коэффициентов затухания с нулевым значением, выдачи информации о принадлежности исследуемого материала к метаматериалу и определения его значений эффективной диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Блок пороговой обработки и определения значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериала 9 может быть реализован путем решения системы из двух дисперсионных уравнений для поверхностной волны.

С учетом того, что вдоль металлической подложки возбуждается электромагнитная волна с вертикальной поляризацией на границе раздела «металлическая подложка-исследуемый материал» она переходит преимущественно в поверхностную электромагнитную волну Е-типа. При этом дисперсионные уравнения имеют следующий вид [формула (17), р. 1434 [Р. Baccarelli, P. Burghignoli, F. Frezza, A. Galli, P. Lampariello, G. Lovat, and S. Paulotto Fundamental modal properties of surface waves on metamaterial ground-ed slabs, IEEE Transactions on microwave theory and techniques, 2005, vol. 53, N 4, pp. 1431-1442, DOI: 10.1109/TMTT.2005.847880]:

где q_i - поперечное волновое число в слое метаматериала на частоте ƒ_i, q_i+1 - поперечное волновое число в слое метаматериала на частоте ƒ_i+1, c=3⋅10⁸ м/с - величина скорости электромагнитных волн в вакууме; b - толщина метаматериала, ε_эф - эффективная диэлектрическая проницаемость, μ_эф - эффективная магнитная проницаемость.

Блок пороговой обработки и определения значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериала 9 может быть реализован на основе микроконтроллера ATmega2560 [ATmega2560. Datasheet [Электронный ресурс] URL: http://www.atmel.com/Images/Atmel-2549-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega640-1280-1281-2560-2561_datasheet.pdf. (Дата обращения: 26.07.2019)]. Система (1) решается с помощью подпрограммы, которая загружается в микроконтроллер блока 9.

Антенна возбуждения электромагнитной волны с вертикальной поляризацией 11 предназначена для возбуждения вдоль металлической подложки 1 электромагнитной волны с вертикальной поляризацией, которая дойдя до границы раздела «металлическая подложка-исследуемый материал» переходит в поверхностную электромагнитную волну Е-типа. Антенна возбуждения электромагнитной волны с вертикальной поляризацией может быть реализована на основе открытого конца прямоугольного волновода, например в виде коаксиально-волноводного перехода [Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Высшая школа. 1992. С. 174].

Генератор СВЧ 12 присущ аналогу и реализует формирование СВЧ сигнала на заданной длине волны для антенны возбуждения электромагнитной волны с вертикальной поляризацией 11. Генератор СВЧ может быть построен на основе микросхем типа HMC586LC4B и ADF4158 [Direct Modulation / Generating. 6,1 GHz Fractional-N Frequency Synthesizer. [Электронный ресурс] URL: http:/www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADF4158.pdf (Дата обращения: 26.07.2019)].

Устройство работает следующим образом.

Перед началом проведения измерений в блок пороговой обработки и определения значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериала 9 вводят толщину исследуемого материала b.

С помощью генератора СВЧ 12 и антенны возбуждения электромагнитной волны с вертикальной поляризацией 11 вдоль металлической поверхности 3 возбуждают электромагнитную волну с вертикальной поляризацией, последовательно, на частотах, возрастающих от ƒ_i до ƒ_N с дискретным шагом по частоте Δƒ. За счет того, что исследуемый материал изготовлен в виде параллелограмма, электромагнитная волна, дойдя до исследуемого материала, падает под углом θ₁ к нормали 4 границы раздела «металлическая подложка-исследуемый материал».

С помощью приемной антенны 10 и блока измерения коэффициентов затухания 8 для каждой частоты производят измерение значений коэффициентов затухания α(ƒ_i), α(ƒ_i+1)…α(ƒ_N) в области 7 над исследуемым покрытием, т.е. со стороны нормали 4, где расположена и падающая электромагнитная волна с вертикальной поляризацией 5.

Измеренные коэффициенты затухания α(ƒ_i), α(ƒ_i+1)…α(ƒ_N) поступают в блок пороговой обработки и определения значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериала 9. В блоке 9 сравнивают коэффициенты затухания с нулевым значением и если α(ƒ_i)>0, то принимают решение о том, что пластинка на частоте ƒ_i является метаматериалом.

Используя два значения коэффициентов затухания на двух рядом расположенных частотах α(ƒ_i) и α(ƒ_i-1), на которых пластинка является метаматериалом, при условии, что определяют ее значения эффективных диэлектрической проницаемости ε_эф и магнитной проницаемости μ_эф, решая систему из двух дисперсионных уравнений (1).

Для проверки работоспособности способа проведено электродинамическое моделирование в системе CST Studio suit и экспериментальное исследование.

В качестве тестового материала использовался метаматериал на основе SRR-элементов виде узких полосок металла и кольцевых щелевых резонаторов квадратного типа [р. 11 [B.-I. Wu, W. Wang, J. Pacheco, X. Chen, Т. Grzegorczyk and J. A. Kong A study of using metamaterials as antenna substrate to enhance gain, Progress In Electromagnetics Research, 2005, vol. 51, pp. 295-328, http://www.jpier.org/PIER/pier.php?paper=0407071, DOI:10.2528/PIER04070701]. Геометрические параметры метаматериала были подобраны таким образом, что в области частот от 8,9 ГГц до 9,4 ГГц обеспечивались одновременно отрицательные значения эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Пластина исследуемого метаматериала состояла из 2400 SRR-элементов. Исследуемая пластина метаматериал показана на фиг. 2. Проведенное моделирование в системе CST Studio suit и экспериментальное исследование показало, что в области частот, где эффективные диэлектрическая и магнитная проницаемости одновременно принимают отрицательные значения, наблюдается возникновение поверхностной электромагнитной волны Е-типа. Это следует из характерного поведения поля - поле экспоненциально затухает перпендикулярно поверхности. Характер поведения напряженности поля поверхностной волны Е-типа над метаматериалом показан на фиг. 3. Значение коэффициента затухания поля на частоте 9,01 ГГц составляет 201,7 м^-1.

Проведено определение эффективных значений диэлектрической и магнитной проницаемостей по коэффициентам затухания на двух близко расположенных частотах ƒ₁=9,01 ГГц и ƒ₂=9,02 ГГц. Соответствующие им коэффициенты затухания равны: α(ƒ_l)=201,7 м^-1 и α(ƒ₂)=194,92 м^-1. Значения эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей, полученные путем решения системы (1), имеют отрицательные значения ε_эф=-0,9 и μ_эф=-2,8 соответственно. Проницаемости вычислены без учета потерь в метаматериале.

Приведенное электродинамическое моделирование и экспериментальные исследования метаматериала показали принципиальную возможность надежной идентификации того, что исследуемый материал, является метаматериалом, а также возможность одновременного измерения его эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей на основе разработанного способа.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность определения границ диапазона частот, где исследуемый материал является метаматериалом, а также повысить точность и достоверность измерения его значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей.