- Предмети
- Резюме
- Вступ
- Результати
- Модельовані результати
- Дані вимірювань
- Обговорення
- Методи
- Наявність даних
- Додаткова інформація
- Коментарі
Предмети
- Електротехнічна та електронна техніка
- Фотонні прилади
Резюме
Область трансформаційної оптики багато в чому зобов'язана концепції прикриття. Незважаючи на те, що були зроблені деякі експериментальні досягнення щодо приховування вільного простору в трьох вимірах, необхідних властивостей матеріалу за своєю суттю надзвичайно важко досягти. Апроксимації, які потім потрібно зробити, щоб дозволити виготовлення, призводять до незадовільної роботи пристрою. На відміну від цього, коли в центрі уваги системи поверхневих хвиль, було показано, що можна пройти інший шлях, ніж той, що використовується для проектування шарів вільного простору. Це призводить до дуже простих рішень, які використовують перевагу здатності враховувати кривизну поверхні. Тут ми пропонуємо демонстрацію мікрохвильового режиму маскування удару на поверхні. Спотворення форми фронтів поверхневих хвиль внаслідок кривизни коригується відповідним профілем показника заломлення. Поверхневий хвильовий шар виготовлений з однорідного діелектричного хвилеводу з металевою підкладкою різної товщини і має всеспрямоване функціонування.
Вступ
Крім того, об’ємні килимові шари також досліджувались для виявлення поверхневих хвиль 2, 5, 9. Ці тривимірні шари обов’язково більші за приховану область через вимогу задовольнити квазіконформне наближення 10. Це проблематично в шарі з великими розмірами. Властивості матеріалу, необхідні для цих шарів килимів, можуть бути просторово змінними та ізотропними 10 або однорідними та анізотропними 11. Однак перший варіант має недолік погіршення експлуатаційних характеристик через наближення, які необхідно застосовувати для гарантування ізотропії 12. Останній використовує резонансні елементи для отримання необхідного ступеня анізотропії і тому має дуже обмежену пропускну здатність 11 .
Результати
Як обговорювалось у посиланні 15, наш підхід до маскування поверхневих хвиль може бути застосований до будь-якої симетричної деформації поверхні. Для нашого експериментального дослідження ми вирішили створити шар із функції косинуса. Це було обрано, оскільки він буде постійно прикріплений до навколишньої плоскої площини, таким чином уникаючи будь-якого відображення на цій межі. На рисунку 1 (а) показано поперечний переріз виділеної функції косинуса, заданої z = b cos (rπ/a) + b з різними максимальними пропорціями висоти до радіуса (b/a). На малюнку 1 (b) показані профілі індексу режиму, необхідні для створення ілюзії однорідної плоскої поверхні, що зберігає однакову довжину оптичного шляху для всіх променів, нормовану так, щоб мінімальне значення дорівнювало одиниці. Ці індекси були розраховані чисельно, використовуючи рівняння (1), взяте з посилання п’ятнадцять
( до ) Поперечний переріз перешкоди у формі косинуса, де висота поверхні задана z = b cos (rπ/a) + b. ( b ) Вимога до нормалізованого індексу режиму, щоб ці косинусоподібні перешкоди здавались рівними.
Повнорозмірне зображення
де n (θ) - індекс, який ми хочемо знайти, n ′ (θ) - його похідна, θ - кут між положенням на криволінійній поверхні та віссю z, а R (θ) - відповідна довжина між положенням і початок, і R (θ) ′ є його похідною.
Існує кілька варіантів виготовлення, щоб реалізувати цю варіацію покажчика режиму, включаючи метод метаповерхні з градуйованою геометрією 17, 18 або використання діелектричних шарів, які можна використовувати разом або самостійно для підтримки та контролю поширення поверхні хвилі. Метаповерхні демонструють велику перспективу у своїй здатності створювати міцне обмеження поверхневої хвилі і дозволяють поступово змінювати показник режиму шляхом зміни розмірів кожної окремої елементарної комірки 19, 20. Однак розташування цих елементів на криволінійній поверхні проблематично, оскільки вже неможливо створити рівномірну одиницю розміру та форми клітини по всій поверхні. Вони також зазвичай зобов'язані своєю поведінкою резонансним відгуком і за своєю суттю є вузькосмуговими.
У цій роботі шар виготовлявся з однорідного діелектричного покриття різної товщини на металевій поверхні 21. Це виграє від простоти виготовлення та можливості досягнення класифікації індексу безперервного режиму. Однак через слабке обмеження хвилі ви зазнаєте більших втрат випромінювання через кривизну порівняно з реалізацією метаповерхні. Враховуючи максимально досяжний контраст індексу режиму із загальним діелектричним середовищем (Perspex) з відносною діелектричною проникністю ε r = 2,6 + 0,04i, параметри, задані для профілю b/a = 0,225 (рис. 1), були обрані для тестовий зразок.
Пропускна здатність такого пристрою обмежена через частотну залежність індексу режиму. Цей дизайн шару нагадує відкритий діелектричний хвилевід, і, як такий, ми очікуємо, що його смуга пропускання буде набагато ширшою, ніж у конструкції, що складається з резонансних елементів метаматеріалу. Частотна залежність діелектричного шару різної товщини наведена на рис. 2 (а), де видно, що індекс режиму режиму ТМ найнижчого порядку лише слабо залежить від частоти. На рис. 2 (b) показано необхідне відхилення індексу режиму цього шару (чорна лінія). Індекс режиму для кожної окремої частоти нормується до відповідного максимального значення на рис. 2 (а). Це максимальне значення є індексом режиму на зовнішній плоскій поверхні. У центрі шару (r = 0) індекс режиму збільшився лише на 3,3% на 24 ГГц до ідеального профілю шару (чорна лінія на рис. 2 (b)); і зменшено на 1,4% при частоті 16 ГГц. Це ілюструє широкосмугову продуктивність шару, розробленого тут.
( до ) індекс моди, досягнутий за рахунок зміни товщини діелектричного покриття, для діапазону частот, де діелектрична проникність становить ε r = 2,6 + 0,04i. ( b ) Змінення покажчика режиму часто вибираного дизайну шару. Чорна лінія виділяє проектну частоту на рівні 20 ГГц.
Повнорозмірне зображення
Модельовані результати
На рис. 3 показані прогнози розподілу електричного поля на верхній поверхні діелектрика як для не покритих (постійної товщини), так і для прихованих зразків. Порівняльна товщина зразка подана для порівняння, оскільки вона однорідно індексується, щоб показати вплив кривизни на поширення поверхневих хвиль. Як видно з рис. 3 (a, b), ефект полягає у значному спотворенні природи кругового фронту хвилі через різну довжину оптичного шляху в різних частинах вигнутої напрямної. Це створює деструктивну та конструктивну інтерференційну область, добре помітну при порушенні фазових фронтів. Результати моделі шару показані на рис. 3 (c, d), де кругова природа поверхневої хвилі, випромінюваної монопольним джерелом, чітко проявляється після того, як хвиля пройшла над кривою частиною поверхні. Наслідком цього є те, що кривизна поверхні залишає мало підписів на фазових фронтах поверхневої хвилі, а вакуум, створений за допомогою криволінійної металевої направляючої, може бути використаний для розміщення будь-якого предмета внизу, роблячи його невизначуваним.
( a, c ) амплітуда z-складової розподілу електричного поля при 20 ГГц, видно в площині xy. ( б, д ) дані фази, побудовані з тієї ж області сканування. ( а, б ) для зразка постійної товщини, і ( c, d ) призначені для мису. Усі дані нанесені на верхню поверхню діелектрика.
Повнорозмірне зображення
Дані вимірювань
Графіки на рис. 4 показують вихідні виміряні дані, як для шару, так і для зразка з постійною товщиною. Видно, що виміряні дані повністю відповідають змодельованим даним, демонструючи, що було досягнуто точне виготовлення. Більша амплітуда сигналу в центрі шару на рис. 4 (в) зумовлена тим, що індекс режиму в цій області нижчий, тому режим менш обмежений. Це також відображено в модельованих даних. Пунктирна чорна лінія ілюструє положення даних, наведених на малюнку 5.
( a, c ) амплітуда розподілу електричного поля при 20 ГГц, виявлена зондом ближнього поля, який видно в площині xy. ( б, д ) дані фази, побудовані з тієї ж області сканування. ( а, б ) для зразка постійної товщини, і ( c, d ) призначені для мису. Всі дані беруться з відстані 0,5 мм від верхніх поверхонь діелектрика. Чорні пунктирні лінії в a і c є постійними фазовими лініями.
Повнорозмірне зображення
Два приклади ліній постійної фази для зразка з постійною товщиною (суцільний синій) і шару (суцільний червоний). Штрихові лінії - це кола, пристосовані до кожного набору даних.
Повнорозмірне зображення
На фіг.5 показана постійна фазова лінія для кожного з зразків, положення якої показано на фіг.4, разом з дугою, прикріпленою до кожного набору даних. Тут дуга представляє ідеальний випадок непорушеної циліндричної хвилі, що випромінюється з фіксованого положення джерела. Для створення цього графіку було розраховано положення, де виміряна випромінювана хвиля має задану фазу. Для напряму постійної товщини фаза в центрі суттєво відстає по відношенню до частин поверхневої хвилі, на які менше впливає кривизна, про що свідчить зниження в суцільній синій кривій на рис. 5. Дані зразка шару (суцільно-червоний крива) показує чудову згоду з прогнозованою формою хвильового фронту (пунктирна червона крива). Для кількісної оцінки продуктивності шару розраховується середньоквадратична похибка (середньоквадратична помилка) фази, виміряна на встановленій лінії. Для шару середньоквадратична похибка становить 0,77, тоді як для напряму постійної товщини значення становить 4,5, що показує, що шар значно відновив очікуваний круговий характер фазових фронтів, що випромінюються від антени джерела.
Обговорення
На закінчення ця робота експериментально продемонструвала поверхневий хвильовий шар, який використовує кривизну поверхні, щоб обійти вимогу до екстремальних властивостей матеріалу. Електрично тонкий, односпрямований шар поверхневих хвиль був перевірений за допомогою однорідного діелектрика. Необхідний профіль показника режиму досягається зміною товщини однорідного діелектричного покриття. Цей тип конструкції шарів може бути використаний у застосуваннях антен поверхневих хвиль, де необхідність відповідності існуючій поверхні є критичною, або де вкрай бажано зменшити розсіювання поверхневих дефектів, які в іншому випадку мали б негативний ефект для роботи антени.
Методи
Наявність даних
Усі експериментальні дані, використані в цьому рукописі, доступні з інституційного сховища Університету Ексетера за адресою //ore.exeter.ac.uk/repository/handle/10871/22667.
Додаткова інформація
Як цитувати цю статтю: Mitchell-Thomas, RC et al. Всеспрямований поверхневий хвильовий шар із використанням ізотропного однорідного діелектричного покриття. Науковий співробітник. 6, 30984; doi: 10.1038/srep30984 (2016).
Коментарі
Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов та правил спільноти. Якщо ви виявите щось образливе або не відповідає нашим умовам чи інструкціям, позначте це як неприйнятне.