Искусственные диэлектрики
Металлическая линзовая антенна и ее изобретатель Уинстон Э. Кок в 1946 году. Эта конструкция является одним из самых ранних примеров искусственных диэлектриков.

Искусственные диэлектрики — это изготовленные композитные материалы, часто состоящие из массивов проводящих форм или частиц в непроводящей опорной матрице, разработанные так, чтобы иметь определенные электромагнитные свойства, подобные диэлектрикам . Пока шаг решетки меньше длины волны , эти вещества могут преломлять и дифрагировать электромагнитные волны и используются для изготовления линз , дифракционных решеток , зеркал и поляризаторов для микроволн . Они были впервые концептуализированы, сконструированы и развернуты для взаимодействия в диапазоне микроволновых частот в 1940-х и 1950-х годах. Сконструированная среда, искусственный диэлектрик, имеет эффективную диэлектрическую проницаемость и эффективную проницаемость , как и предполагалось. [1] [2]

Кроме того, некоторые искусственные диэлектрики могут состоять из нерегулярных решеток, случайных смесей или неравномерной концентрации частиц.

Искусственные диэлектрики начали использоваться с развитием микроволновых радиолокационных технологий в период с 1940-х по 1970-е годы. Термин «искусственные диэлектрики» вошел в употребление, поскольку они являются макроскопическими аналогами диэлектриков , встречающихся в природе . Разница между природным и искусственным веществом заключается в том, что атомы или молекулы являются искусственно (созданными человеком) материалами. Искусственные диэлектрики были предложены из-за необходимости создания легких структур и компонентов для различных устройств доставки микроволн. [2]

Искусственные диэлектрики имеют прямую историческую связь с метаматериалами .

Основополагающая работа

Термин «искусственный диэлектрик» был создан Уинстоном Э. Коком в 1948 году, когда он работал в Bell Laboratories. Он описывал материалы практических размеров, которые имитировали электромагнитный отклик естественных диэлектрических твердых тел. Искусственные диэлектрики появились из-за потребности в легких материалах с низкими потерями для больших и в противном случае тяжелых устройств. [1] [2] [3]

Диэлектрический аналог

Трехмерная решетка, заполненная двумя молекулами A и B, изображенными здесь в виде черной и белой сфер.

Естественные диэлектрики или естественные материалы являются моделью для искусственных диэлектриков. Когда электромагнитное поле прикладывается к естественному диэлектрику, локальные реакции и рассеяние происходят на атомном или молекулярном уровне. Макроскопический отклик материала затем описывается как электрическая проницаемость и магнитная проницаемость . Однако для того, чтобы этот макроскопический отклик был действительным, между рассеивателями должен присутствовать тип пространственного упорядочения. Кроме того, определенная связь с длиной волны является частью его описания. [3] Присутствует решетчатая структура с некоторой степенью пространственного упорядочения. Кроме того, приложенное поле имеет большую длину волны, чем шаг решетки. Это затем позволяет макроскопическое описание, выраженное как электрическая проницаемость и магнитная проницаемость. [3]

Для того чтобы создать искусственную диэлектрическую проницаемость и проницаемость, необходимо иметь возможность доступа к самим атомам. Такая степень точности непрактична. Однако в конце 1940-х годов — в области длинных волн, таких как радиочастоты и микроволны — стало возможным изготавливать более масштабные и более доступные рассеиватели, которые имитируют локальный отклик природных материалов — вместе с синтезированным макроскопическим откликом. В радиочастотном и микроволновом диапазонах были собраны такие искусственные структуры кристаллической решетки. Рассеиватели реагировали на электромагнитное поле, как атомы и молекулы в природных материалах, а среда вела себя во многом как диэлектрики с эффективным откликом среды. [3]

Рассеивающие элементы предназначены для рассеивания электромагнитного поля заданным образом. Геометрическая форма элементов – сферы, диски, проводящие полосы и т. д. – вносит вклад в параметры конструкции. [3] [4]

Стержневой средний

Стержневая среда (плазменная среда) также известна как проволочная сетка и проволочная сетка. Это квадратная решетка из тонких параллельных проволок. Первоначальные исследования, относящиеся к этой среде, были проведены Дж. Брауном, К. Э. Голденом и В. Ротманом. [4] [5]

Метаматериалы

Искусственные диэлектрики имеют прямую историческую связь с метаматериалами . [2] [4]

Дальнейшее чтение

  • Браун, Джон и Уиллис Джексон. «Свойства искусственных диэлектриков на сантиметровых длинах волн». Труды IEE-часть B: Радио и электронная инженерия 102.1 (1955): 11-16.
  • Браун, Джон (октябрь 1953 г.). «Искусственные диэлектрики с показателем преломления меньше единицы». Труды Института электротехники и электроники — Часть IV: Монографии учреждений . 100 (5): 51– 62. CiteSeerX  10.1.1.192.289 . doi :10.1049/pi-4.1953.0009.Дата текущей версии: 22 января 2010 г. См.: соответствующие статьи на IEEE Xplore.
  • Голден, Курт Э. Исследование искусственных диэлектриков. № ТДР-269 (4280-10)-4. Aerospace Corp. (1964) Эль-Сегундо, Калифорния.
  • Лаланн, Филипп и Майк Хатли. «Оптические свойства искусственных сред, структурированных в субволновом масштабе». Энциклопедия оптической инженерии (2003): 62-71. (Бесплатная загрузка PDF)
  • Ротман, Уолтер. «Моделирование плазмы с помощью искусственных диэлектриков и плоскопараллельных сред». Антенны и распространение волн, Труды IRE 10.1 (1962): 82-95.
  • Силин, РА (1972). «Оптические свойства искусственных диэлектриков (обзор)». Радиофизика и квантовая электроника . 15 (6): 615– 624. Bibcode :1972R&QE...15..615S. doi :10.1007/BF01039343. S2CID  120809150.
  • Линза Люнеберга для SKA. В кратком изложении исследовательского проекта MNRF по изготовлению недорогой преломляющей сферической линзы для микроволнового диапазона для радиоастрономии предлагается использовать искусственные диэлектрики.
  • Линза, состоящая из однородных сферических оболочек, кажется осуществимой.
  • Коллин, Р. Э. , Полевая теория направленных волн , 2-е изд., Wiley-IEEE, 1991 (глава 12).

Ссылки

  1. ^ ab Milonni, Peter W. ; Институт физики (30 ноября 2004 г.). Быстрый свет, медленный свет и левосторонний свет. CRC Press. стр. 221, 222. ISBN 978-0-7503-0926-4.Впервые опубликовано в 2004 году, согласно веб-странице CRC Press Архивировано 28 сентября 2011 года на Wayback Machine для этой книги. Согласно странице об авторских правах этой книги, доступной через Google Books, она вышла в десятом издании где-то в 2005 году.
  2. ^ abcd Вэньшань, Цай; Шалаев, Владимир (ноябрь 2009 г.). Оптические метаматериалы: основы и применение. Springer. стр. xi, 3, 8, 9, 59, 74. ISBN 978-1-4419-1150-6.
  3. ^ abcde Элефтериадес, Джордж В .; Балмейн, Кейт (июль 2005 г.). Метаматериалы с отрицательным преломлением: основные принципы и применение. John Wiley & Sons, Inc. стр. v, xiii, xiv, 4–7 , 46, 47, 53. ISBN 978-0-471-60146-3.Авторские права принадлежат Институту инженеров-электриков .
  4. ^ abc Каполино, Филиппо (5 октября 2009 г.). Теория и явления метаматериалов. CRC Press. стр. 1–1 по 1–8. ISBN 978-1-4200-5425-5.
  5. ^ Первоначальные исследования стержневой среды.
    • Браун, Дж.; «Искусственные диэлектрики с показателем преломления меньше единицы»; Труды Института инженеров по электротехнике и электронике — Часть IV: Монографии учреждений, Том 100, Выпуск 5; Год публикации: 1953, страницы 51–62
    • Голден, К. (1965). «Моделирование плазмы с искусственным диэлектриком в рупорной геометрии». Труды IEEE по антеннам и распространению радиоволн . 13 (4): 587. Bibcode : 1965ITAP...13..587G. doi : 10.1109/TAP.1965.1138461.
    • Ротман, В. (1962). «Моделирование плазмы с помощью искусственных диэлектриков и плоскопараллельных сред». Труды IRE по антеннам и распространению волн . 10 (1): 82. Bibcode : 1962ITAP...10...82R. doi : 10.1109/TAP.1962.1137809.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Искусственные_диэлектрики&oldid=1262947850"