Дефектные моды в анизотропном проволочном метаматериале микроволнового диапазона

Abstract

В настоящее время большое внимание уделяется изучению дефектных мод, возникающих вследствие нарушения периодичности в фотонных кристаллах. Этот интерес обусловлен тем, что в природе проявление нарушения периодичности встречается чаще, чем идеальная периодичность. Имеющиеся на сегодняшний день результаты теоретических исследований дефектных мод в искусственных средах (метаматериалах) не дают полного описания данного эффекта. Приведен анализ спектральных свойств анизотропного проволочного метаматериала с пространственным дефектом в микроволновом диапазоне длин волн. Экспериментально обнаружены дефектные моды в запрещенной зоне частотного спектра пропускания анизотропного проволочного метаматериала с дефектом. Выполнен анализ частотных зависимостей положений пиков пропускания, соответствующих возникновению дефектных мод, от толщины дефектного слоя, который показал хорошее совпадение результатов эксперимента с численным расчетом. Показано, что с увеличением толщины дефектного слоя пики дефектных мод смещаются в область низких частот. Результаты исследований могут найти применение при разработке различных телекоммуникационных устройств: фильтров, ответвителей, аттенюаторов, электромагнитных сенсоров, линз с субволновым разрешением, малогабаритных антенн, объектов, «невидимых» в определенном диапазоне частот и др.

На сьогодні велика увага приділяється вивченню дефектних мод, що виникають внаслідок порушення періодичності у фотонних кристалах. Такий інтерес зумовлений тим, що у природі порушення періодичності зустрічається частіше, ніж ідеальна періодичність. Більшість з результатів теоретичних досліджень дефектних мод у штучних середовищах (метаматеріалах) не дають повного опису цього ефекту. У статті проведено аналіз спектральних властивостей анізотропного дротяного метаматеріалу з просторовим дефектом у мікрохвильовому діапазоні довжин хвиль. Експериментально виявлено дефектні моди у забороненій зоні спектра проходження анізотропного дротяного метаматеріалу з просторовим дефектом у мікрохвильовому діапазоні довжин хвиль. Виконано аналіз частотних залежностей положення піків проходження, що відповідають виникненню дефектних мод, від товщини дефектного шару, який показав гарний збіг результатів експерименту із числовим розрахунком. Показано, що зі збільшенням товщини дефектного шару піки дефектних мод зміщуються в область більш низьких частот. Результати досліджень можуть знайти застосування при розробці різних телекомунікаційних пристроїв: фільтрів, відгалужувачів, атенюаторів, електромагнітних сенсорів, лінз із субхвильовою роздільною здатністю, малогабаритних антен, об’єктів, «невидимих» у певному діапазоні частот, та ін.

At present, the study of such a phenomenon as "defect mode" is topical. Defect modes arise from the violation of periodicity in photonic crystals. This interest is due to the periodicity violations in nature occurring more often than the ideal periodicity. Available to date theoretical studies of defect modes in artificial media (metamaterials) give only a qualitative description of this effect. In this paper the experimental analysis of spectral properties of the anisotropic wire medium in the microwave range of wave-band is given. We experimentally observed the occurrence of defect modes in the band gap of the transmission spectra of wire medium metamaterial with spatial defect. The frequency dependence of transmission peaks location on the defect layer thickness is analyzed. The quantitative agreement between the experimental data and the numerical ones is shown. The research results are useful in the development of various telecommunication devices: filters, couplers, attenuators, electromagnetic sensors, lenses with subwavelength resolution, small-sized antennas objects "invisible" at a certain frequency range and others.