Настраиваемый метаматериал — это метаматериал с переменной реакцией на падающую электромагнитную волну. Это включает в себя удаленное управление тем, как падающая электромагнитная волна (ЭМ волна) взаимодействует с метаматериалом. Это приводит к возможности определять, передается ли ЭМ волна, отражается или поглощается. В целом, структура решетки настраиваемого метаматериала регулируется в реальном времени, что позволяет перенастраивать устройство из метаматериала во время работы. Он охватывает разработки, выходящие за пределы ограничений полосы пропускания в левосторонних материалах , путем создания различных типов метаматериалов. Текущие исследования в этой области включают метаматериалы с электромагнитной запрещенной зоной (EBG), также известные как фотонная запрещенная зона (PBG), и материал с отрицательным показателем преломления (NIM). [1] [2] [3]
Поскольку природные материалы демонстрируют очень слабую связь через магнитную составляющую электромагнитной волны , исследуются и изготавливаются искусственные материалы, которые демонстрируют сильную магнитную связь . Эти искусственные материалы известны как метаматериалы. Первые из них были изготовлены (в лаборатории) с присущим им ограниченным откликом только на узкую полосу частот в любой момент времени. Его главной целью была практическая демонстрация метаматериалов. Резонансная природа метаматериалов приводит к частотной дисперсии и работе в узкой полосе пропускания , где центральная частота фиксируется геометрией и размерами элементарных элементов, составляющих композит метаматериала. За ними последовали демонстрации метаматериалов, которые можно было настраивать только путем изменения геометрии и/или положения их компонентов. За ними последовали метаматериалы, которые можно настраивать в более широких диапазонах частот , а также стратегии изменения частот одной среды (метаматериала). Это контрастирует с метаматериалом с фиксированной частотой, которая определяется параметрами, заложенными во время изготовления. [3] [4]
Устройства на основе метаматериалов могли бы включать фильтры, модуляторы, усилители, транзисторы и резонаторы, среди прочего. Полезность такого устройства могла бы быть значительно расширена, если бы характеристики отклика метаматериала можно было динамически настраивать. Управление эффективными электромагнитными параметрами метаматериала возможно посредством настраиваемых извне компонентов.
Исследования изучали возможность управления реакцией отдельных частиц с помощью настраиваемых устройств, таких как варакторные диоды, полупроводниковые материалы и тонкие пленки титаната бария-стронция (BST). [5]
Например, в 2008 году Х. Т. Чен смог изготовить ячейку повторяющегося разделенного кольцевого резонатора (SRR) с полупроводниковым материалом, выравнивающим зазоры. Этот начальный шаг в исследовании метаматериалов расширил спектральный диапазон работы для данного конкретного устройства из метаматериала. Также это открыло дверь для внедрения новых концепций устройств. Важность включения полупроводникового материала таким образом отмечена из-за более высоких диапазонов частот, в которых работает этот метаматериал. Он подходит для терагерцовых (ТГц) и более высоких частот, где весь композит метаматериала может иметь более 10 4 элементарных ячеек, наряду с объемно-вертикальной интеграцией элементов настройки. Стратегии, используемые для настройки на более низких частотах, были бы невозможны из-за количества задействованных элементарных ячеек. Полупроводниковый материал, такой как кремний, управляется фотовозбуждением. Это, в свою очередь, управляет или изменяет эффективный размер конденсатора и настраивает емкость. Вся структура - это не просто полупроводниковый материал. Это было названо «гибридом», потому что полупроводниковый материал был сплавлен с диэлектрическим материалом; кремний-на-сапфировой (SOS) пластине. Затем пластины были сложены - изготовлена целая структура. [6] A. Degiron et al., по-видимому, использовали похожую стратегию в 2007 году. [примечание 1]
Многоэлементная настраиваемая магнитная среда была описана Чжао и др. Эта структура погружала SRR в жидкие кристаллы и достигала 2% настраиваемого диапазона. [примечание 2]
SRR с загрузкой BST, включающие настраиваемый метаматериал, инкапсулируют всю настраиваемость в схеме SRR. [5]
В разделе ниже исследовательская группа сообщила о настраиваемой среде с отрицательным показателем преломления, использующей медные провода и ферритовые листы. Поведение отрицательной проницаемости, по-видимому, зависит от местоположения и ширины полосы ферримагнитного резонанса, разрыва с полностью немагнитными материалами, что создает заметную полосу с отрицательным показателем преломления. Для подачи смещения магнитного поля для настройки необходима катушка или постоянный магнит.
Электрическая настройка для настраиваемых метаматериалов. [6]
Магнитостатический контроль для настраиваемых метаматериалов. [6]
Оптическая накачка для настраиваемых метаматериалов. [6]
Пленки иттриевого железного граната (YIG) допускают непрерывно настраиваемую отрицательную проницаемость , что приводит к настраиваемому диапазону частот на стороне более высоких частот ферромагнитного резонанса YIG. Дополнительная отрицательная диэлектрическая проницаемость достигается с помощью одного периодического массива медных проводов. Восемь проводов были расположены на расстоянии 1 мм друг от друга, а ферромагнитная пленка многослойного YIG толщиной 400 мм была помещена в волновод K-диапазона . Пленка YIG была нанесена на обе стороны подложки из гадолиний-галлиевого граната толщиной 0,5 мм. Ферромагнитный резонанс был вызван, когда внешнее магнитное поле H было приложено вдоль оси X. [3]
Внешнее магнитное поле создавалось электромагнитом . Пары тюнеров E–H были подключены до и после волновода, содержащего композит NIM. Возможность настройки была продемонстрирована в диапазоне от 18 до 23 ГГц . Последующий теоретический анализ хорошо соответствовал экспериментальным результатам. [3]
Воздушный зазор был встроен в структуру между массивом медных проводов и YIG . Это уменьшает связь с ферритом , материалом YIG. Когда отрицательная проницаемость достигается в диапазоне частот, взаимодействие феррита с проводами в непосредственной близости уменьшает чистый ток в проводах. Это то же самое, что и движение к положительной диэлектрической проницаемости. Это было бы нежелательным результатом, поскольку материал больше не был бы NIM. Разделение также уменьшает эффективные потери диэлектрика , вызванные взаимодействием собственного поля провода с проницаемостью. Кроме того, в медном проводе есть два источника проводимости . Во-первых, электрическое поле в ( микроволновом ) волноводе создает ток в проводе. Во-вторых, любое произвольное магнитное поле, созданное ферритом, когда он перемещается в перпендикулярную конфигурацию, индуцирует ток . Кроме того, на частотах, где μ отрицательно, индуцированное микроволновое магнитное поле противоположно полю, возбужденному в режиме распространения TE10 в волноводе . Следовательно, индуцированный ток противоположен току, возникающему в результате действия электрического поля в волноводе. [3]
В аэрокосмических приложениях (например) метаматериалы с отрицательным показателем преломления являются вероятными кандидатами для настраиваемых, компактных и легких фазовращателей . Поскольку указанные метаматериалы могут обрабатывать соответствующие уровни мощности , имеют сильные дисперсионные характеристики и настраиваемы в микроволновом диапазоне, они демонстрируют потенциал, чтобы быть желаемыми фазовращателями. [7]
Метаматериал с отрицательным показателем преломления YIG представляет собой композит, который фактически использует ферритовый материал. Как метаматериал, феррит производит резонансную (реальную) магнитную проницаемость μ', которая достаточно велика, чтобы быть сопоставимой с обычным ферритовым фазовращателем. Преимущество использования ферритового материала NIM для применения в качестве фазовращателя заключается в том, что он позволяет использовать феррит в области отрицательной магнитной проницаемости вблизи FMR (частоты ферромагнитного резонанса), когда она относительно высока, и при этом сохраняет низкие потери. Вблизи частоты FMR величина μ' больше, чем на частотах, удаленных от нее. Предполагая, что коэффициент потерь примерно одинаков для NIM и обычного ферритового фазовращателя, мы могли бы ожидать значительного улучшения производительности при использовании композита NIM, поскольку фазовые сдвиги будут значительно выше из-за более высокого дифференциального μ' . [7]
Настройка в ближнем инфракрасном диапазоне осуществляется путем регулировки диэлектрической проницаемости присоединенного нематического жидкого кристалла . Жидкокристаллический материал, по-видимому, используется как в качестве подложки, так и оболочки для метаматериала с отрицательным показателем преломления . Метаматериал можно настраивать от отрицательных значений показателя преломления до нулевого показателя преломления и положительных значений показателя преломления. Кроме того, отрицательные значения показателя преломления можно увеличивать или уменьшать с помощью этого метода. [8] [9]
Субволновые металлические массивы, по сути, еще одна форма метаматериала, обычно работают в микроволновом и оптическом диапазонах. Жидкий кристалл является как прозрачным, так и анизотропным на этих частотах. Кроме того, жидкий кристалл обладает присущими ему свойствами, позволяющими ему быть как внутренне настраиваемым, так и обеспечивать настройку для металлических массивов. Этот метод настройки метаматериала может быть легко использован в качестве электродов для подачи коммутационных напряжений. [10]
Области активных исследований в области оптических материалов — метаматериалы, способные к отрицательным значениям показателя преломления (NIM), и метаматериалы, способные к нулевому показателю преломления (ZIM). Сложные этапы, необходимые для изготовления этих наномасштабных метаматериалов, привели к желанию иметь изготовленные, настраиваемые структуры, способные к заданным спектральным диапазонам или резонансам.
Наиболее часто применяемая схема для достижения этих эффектов — электрооптическая настройка . Здесь изменение показателя преломления пропорционально либо приложенному электрическому полю, либо пропорционально квадрату модуля электрического поля. Это эффект Поккельса и эффект Керра соответственно. Однако для достижения этих эффектов электроды должны быть встроены в процессе изготовления. Это вносит проблемную сложность в методы формирования материалов. Другой альтернативой является использование нелинейного оптического материала в качестве одного из компонентов этой системы и зависимость от интенсивности оптического поля для изменения показателя преломления или магнитных параметров. [11]
Кольцевые резонаторы — это оптические устройства, разработанные для демонстрации резонанса для определенных длин волн. В слоистых структурах кремний-на-изоляторе они могут быть очень маленькими, иметь высокий коэффициент добротности и низкие потери, что делает их эффективными фильтрами длин волн. Цель состоит в том, чтобы достичь настраиваемого показателя преломления в более широкой полосе пропускания. [12]
Предложен новый подход к эффективной настройке характеристик пропускания метаматериалов посредством непрерывной корректировки структуры решетки, подтвержденный экспериментально в микроволновом диапазоне. [13]
Метаматериалы изначально исследовались как пассивный материал с откликом . Пассивный отклик определялся и до сих пор определяется структурой элементов метаматериала. Другими словами, большинство исследований было сосредоточено на пассивных свойствах новой передачи, например, размере и форме включений, эффектах толщины металлической пленки, геометрии отверстий, периодичности , с пассивными откликами, такими как отрицательный электрический отклик, отрицательный индекс или градиентный индекс и т. д. Кроме того, резонансный отклик может быть существенно затронут нанесением диэлектрического слоя на массивы металлических отверстий и легированием полупроводниковой подложки. Результатом является значительный сдвиг резонансной частоты. Однако даже эти последние два метода являются частью исследования пассивных материалов. [14]
Электромагнитные метаматериалы можно рассматривать как структурированные композиты с узорчатыми металлическими субволновыми включениями. Как мезоскопические физические системы, они строятся, начиная с уровня элементарной ячейки. Эти элементарные ячейки предназначены для получения заданных электромагнитных свойств. Характерной чертой этого типа метаматериала является то, что отдельные компоненты имеют резонансный (связной) отклик на электрический, магнитный или оба компонента электромагнитного излучения источника. ЭМ метаматериал как искусственно созданная среда передачи до сих пор обеспечивал желаемые отклики на частотах от микроволн до почти видимого диапазона. [6]
Введение естественного полупроводникового материала в каждую ячейку метаматериала или как ее часть приводит к новой гибкости конструкции. Включение, применение и расположение полупроводникового материала стратегически планируются таким образом, чтобы быть прочно связанным на резонансной частоте элементов метаматериала. Гибридный метаматериальный композит все еще является пассивным материалом. Однако затем соединение с полупроводниковым материалом допускает внешний стимул и управление гибридной системой в целом, что приводит к изменениям в пассивном ответе метаматериала. Внешнее возбуждение производится в форме, например, фотопроводимости, нелинейности или усиления в полупроводниковом материале. [6]
Терагерцовые (ТГц) метаматериалы могут показывать настраиваемый спектральный диапазон, где магнитная проницаемость достигает отрицательных значений. Эти значения были установлены как теоретически, так и экспериментально. Продемонстрированный принцип представляет собой шаг вперед к метаматериалу с отрицательным показателем преломления, способному непрерывно покрывать широкий диапазон ТГц частот и открывает путь для активной манипуляции миллиметровыми и субмиллиметровыми лучами. [15]
Частотно-селективные поверхности ( FSS ) стали альтернативой метаматериалу с фиксированной частотой , где статические геометрии и расстояния между элементарными ячейками определяют частотную характеристику данного метаматериала. Поскольку выстроенные в ряд элементарные ячейки сохраняют статические положения на протяжении всей операции, новый набор геометрических форм и расстояний должен быть встроен в новый изготовленный материал для каждой излучаемой частоты и характеристики . Вместо этого метаматериалы на основе FSS допускают необязательные изменения частот в одной среде (метаматериале), а не ограничение фиксированной частотной характеристикой. [4]
Частотно-селективные поверхности могут быть изготовлены как плоские 2-мерные периодические массивы металлических элементов с определенными геометрическими формами или могут быть периодическими отверстиями в металлическом экране. Коэффициенты пропускания и отражения для этих поверхностей зависят от частоты работы и могут также зависеть от поляризации и угла передаваемой электромагнитной волны, падающей на материал, или угла падения . Универсальность этих структур показана при наличии частотных диапазонов, в которых данный FSS полностью непрозрачен ( полосы запирания ), и других диапазонов, в которых та же поверхность допускает передачу волн . [16]
Примером того, где эта альтернатива очень выгодна, является дальний космос или спутник или телескоп на орбите . Стоимость регулярных космических миссий для доступа к одной единице оборудования для настройки и обслуживания была бы непомерно высокой. Удаленная настройка в этом случае выгодна. [4]
FSS был впервые разработан для управления характеристиками передачи и отражения падающей волны излучения . Это привело к уменьшению размера ячейки , а также увеличению полосы пропускания и возможности сдвига частот в реальном времени для искусственных материалов . [4]
Этот тип структуры может быть использован для создания поверхности метаматериала с предполагаемым применением искусственных магнитных проводников или приложений для граничных условий . Другое применение - как устройство заграждения для распространения поверхностных волн вдоль интерфейса. Это происходит потому, что поверхностные волны создаются в результате интерфейса между двумя средами, имеющими разные показатели преломления . В зависимости от применения системы, которая включает две среды, может возникнуть необходимость ослабить поверхностные волны или использовать их. [17]
Метаматериал на основе FSS использует (миниатюрную) модель эквивалентной LC-схемы . На низких частотах физика взаимодействий по существу определяется анализом модели LC и численным моделированием . Это также известно как статическая модель LC. На более высоких частотах статические концепции LC становятся недоступными. Это связано с зависимостью от фазировки . Когда FSS проектируется для характеристик электромагнитной запрещенной зоны ( EBG ), FSS проектируется для увеличения своих свойств полосы заграждения по отношению к дисперсионным частотам поверхностных волн (SW) (микроволновые и радиочастоты). Кроме того, как EBG он проектируется для уменьшения своей зависимости от направления распространения поверхностной волны, проходящей через поверхность (интерфейс). [17]
Тип метаматериала на основе FSS имеет взаимозаменяемую номенклатуру Искусственный магнитный проводник (AMC) или Высокоимпедансная поверхность (HIS). HIS, или AMC, представляет собой искусственную металлическую электромагнитную структуру. Структура разработана для селективной поддержки поверхностных волновых токов, в отличие от обычных металлических проводников. Она применяется в микроволновых цепях и антеннах. [18] [19] [20]
Как заземляющая плоскость антенны она подавляет распространение поверхностных волн и используется как усовершенствование по сравнению с плоским металлическим листом в качестве заземляющей плоскости или отражателя. Следовательно, эта стратегия имеет тенденцию повышать производительность выбранной антенны. [18] [19] [20]
Сильные поверхностные волны достаточной силы, которые распространяются по металлической плоскости заземления, достигнут края и распространятся в свободное пространство . Это создает многолучевую интерференцию . Напротив, поверхность HIS подавляет распространение поверхностных волн. Кроме того, контроль радиочастотного или микроволнового излучения эффективно увеличивается, а также уменьшается взаимная связь между антеннами. [18] [19] [20]
При использовании обычных заземляющих плоскостей в качестве экспериментального контроля поверхность HIS демонстрирует более гладкую диаграмму направленности, увеличение усиления главного лепестка , уменьшение нежелательного обратного излучения и уменьшение взаимной связи. [18]
HIS или AMC можно описать как тип материала с электромагнитной запрещенной зоной (EBG) или тип синтетического композита, который намеренно структурирован с поверхностью магнитного проводника для выделенного, но определенного диапазона частот . Структуры AMC или HIS часто возникают из спроектированной периодической диэлектрической основы вместе с узорами металлизации, разработанными для микроволновых и радиочастот . Узор металлизации обычно определяется предполагаемым применением структуры AMC или HIS. Кроме того, два присущих им заметных свойства, которые не встречаются в природных материалах, привели к значительному количеству применений в микроволновых схемах. [19] [20]
Во-первых, поверхности AMC или HIS разработаны так, чтобы иметь выделенный набор частот, на которых электромагнитные поверхностные волны и токи не будут распространяться . Эти материалы затем полезны и практичны в качестве заземляющих плоскостей антенн , небольших плоских фильтров обработки сигналов или фильтров как части волноводных структур. Например, поверхности AMC в качестве заземляющих плоскостей антенн способны эффективно ослаблять нежелательные волновые колебания или неровности, создавая при этом хорошие диаграммы направленности. Это связано с тем, что материал может подавлять распространение поверхностных волн в пределах предписанного диапазона запрещенных частот.
Во-вторых, поверхности AMC имеют очень высокий поверхностный импеданс в определенном диапазоне частот , где тангенциальное магнитное поле мало, даже при большом электрическом поле вдоль поверхности. Поэтому поверхность AMC может иметь коэффициент отражения +1. [19] [20]
Кроме того, фаза отражения падающего света является частью набора инструментов AMC и HIS. [примечание 3] Фаза отраженного электрического поля имеет нормальное падение, то же самое, что и фаза электрического поля, падающего на интерфейс отражающей поверхности. Изменение фазы отражения непрерывно между +180◦ и −180◦ относительно частоты. Ноль пересекается на одной частоте , где происходит резонанс . Примечательной характеристикой является то, что полезная полоса пропускания AMC обычно определяется как от +90◦ до −90◦ по обе стороны от центральной частоты. [21] Таким образом, из-за этого необычного граничного условия, в отличие от случая обычной металлической заземляющей плоскости , поверхность AMC может функционировать как новый тип заземляющей плоскости для низкопрофильных проволочных антенн ( беспроводных систем связи ). Например, даже если горизонтальная проволочная антенна находится чрезвычайно близко к поверхности AMC, ток на антенне и ее ток изображения на заземляющей плоскости находятся в фазе, а не в противофазе, тем самым усиливая излучение. [20] [21]
[22]
Материалы частотно-селективных поверхностей (FSS) могут использоваться в качестве материала с запрещенной зоной в области поверхностных волн на микроволновых и радиочастотных длинах волн. Поддержка поверхностных волн является заданным свойством металлов . Это распространяющиеся электромагнитные волны, которые связаны с интерфейсом между поверхностью металла и воздухом. Поверхностные плазмоны возникают на оптических частотах, но на микроволновых частотах они являются нормальными токами, которые возникают на любом электрическом проводнике . [17] [19] На радиочастотах поля, связанные с поверхностными волнами, могут распространяться на тысячи длин волн в окружающее пространство, и их часто лучше всего описывать как поверхностные токи. Их можно моделировать с точки зрения эффективной диэлектрической проницаемости или эффективного поверхностного импеданса. [19]
Например, плоский металлический лист всегда имеет низкий поверхностный импеданс . Однако, путем включения специальной текстуры на проводящую поверхность, специально разработанной геометрии , можно спроектировать высокий поверхностный импеданс и изменить его электромагнитно-радиочастотные свойства . Выступы расположены в двумерной решетчатой структуре и могут быть визуализированы как кнопки, выступающие из поверхности. [19]
Поскольку выступы дробно меньше рабочей длины волны , структуру можно описать с помощью эффективной модели среды , а электромагнитные свойства можно описать с помощью элементов сосредоточенной цепи ( конденсаторов и индукторов ). Они ведут себя как сеть параллельных резонансных LC-цепей , которые действуют как двумерный электрический фильтр, блокирующий поток токов вдоль листа. [19]
Эта структура может затем служить искусственным магнитным проводником (AMC) из-за его высокого поверхностного импеданса в определенном диапазоне частот. Кроме того, как искусственный магнитный проводник, он имеет запрещенную полосу частот, по которой поверхностные волны и токи не могут распространяться. Поэтому поверхности AMC имеют хорошие диаграммы излучения без нежелательных рябей, основанные на подавлении распространения поверхностных волн в диапазоне частот запрещенной зоны. [20]
Поверхностный импеданс выводится из отношения электрического поля на поверхности к магнитному полю на поверхности, которое простирается далеко в металл за пределы глубины скин-слоя. Когда текстура наносится на поверхность металла, поверхностный импеданс изменяется, и свойства его поверхностной волны изменяются. На низких частотах он является индуктивным и поддерживает поперечно-магнитные (TM) волны. На высоких частотах он является емкостным и поддерживает поперечные электрические (TE) волны. Вблизи резонансной частоты LC поверхностный импеданс очень высок. В этой области волны не связаны с поверхностью. Вместо этого они излучаются в окружающее пространство . [19] [23]
Высокоимпедансная поверхность была изготовлена в виде печатной платы. Структура состоит из треугольной решетки шестиугольных металлических пластин, соединенных с сплошным металлическим листом вертикальными проводящими отверстиями . [19]
Одноплоскостная компактная фотонная запрещенная зона (UC-PBG) предложена, смоделирована и затем сконструирована в лаборатории для преодоления выявленных ограничений технологии планарных схем. Подобно фотонным запрещенным зонам, она вытравлена в заземляющей плоскости микрополосковой линии. Геометрия представляет собой квадратные металлические площадки. Каждая металлическая площадка имеет четыре соединительных ветви, образующих распределенную LC-цепь. [24] [25]