Решена задача о взаимодействии электромагнитных волн с

RANGE PROPERTIES OF A COMPOSITE MATERIAL ON THE BASIS
OF CONDUCTING FIBERS OF ARBITRARY GEOMETRY
Demidchik V.I., Kornev R.V., Kukharchik P.D.
Belarusian State University
5, Kurchatova Str., Minsk, 220064, Belarus
Ph.: (+375) 0172095878, e-mail: [email protected]
Abstract — The task of interaction between electromagnetic waves and a plane layer of biisotropic composite material, which
represents a dielectric matrix, containing resistive fibers in the form of coupled few-coil helices of different sizes was solved. The influence of helix size on frequency properties of a plane layer of the composite material was investigated. The possibility to broaden the
resonance band of the composite by employing similar resistive inclusions was demonstrated.
ДИАПАЗОННЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА
ОСНОВЕ ПРОВОДЯЩИХ ВОЛОКОН ПРОИЗВОЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ
Демидчик В. И., Корнев Р. В., Кухарчик П. Д.
Белорусский государственный университет
ул. Курчатова, 5, Минск, 220064, Беларусь
тел.: (+375) 0172095878, e-mail: [email protected]
Аннотация — Решена задача о взаимодействии электромагнитных волн с плоским слоем биизотропного композиционного материала, представляющего собой диэлектрическую матрицу, содержащую резистивные волокна в виде парных маловитковых спиралей разных размеров Исследовано влияние размеров включений , характеризующих композит, на частотные
свойства плоского слоя композита. Показана возможность расширения полосы резонанса композита за счет применения разномасштабных включений одинаковой геометрии.
I. Введение
В большинстве работ, посвященных изучению киральных сред, результаты приводятся, как правило,
для произвольных электродинамических параметров, таких как диэлектрическая и магнитная проницаемости, параметр киральности. Киральные же
среды в виде композитов, содержащих проводящие
включения (маловитковые спирали, омега-частицы,
комбинации витка спирали с присоединенными прямолинейными проводниками и др.) обладают резонансными свойствами в частотном диапазоне. Проведенные исследования показывают, что полоса
резонанса композита с хаотически диспергированными включениями одинаковой геометрии и размера, довольно узкая [1, 2].
В работе предложена методика и приводятся результаты исследований по расширению полосы резонанса подобного композита за счет применения
смеси частиц одинаковой геометрии, но разных размеров, пропорционально увеличенных друг относительно друга. Исследуется взаимодействие электромагнитной волны (ЭМВ) с плоским слоем подобного
композита.
II. Основная часть
Решение рассматриваемой задачи базируется на
предположении, что композит образован за счет
проводящих включений, состоящих из парных спиральных частиц, хаотически распределенных в диэлектрической матрице. На рис.1 показан один из
вариантов геометрии таких включений. При этом,
анализ проводился для разных вариантов ориентации спиральных проводников друг относительно друга. По описанной в [2] методике решалась задача
рассеяния ЭМВ на такой парной частице, определялись ее коэффициенты поляризуемости. Затем методом Максвелла-Гарнетта находились эффективные электродинамические параметры композита:
диэлектрическая и магнитная проницаемасти, параметр киральности. По известным материальным па-
764
раметрам композита проводилось изучение взаимодействия волн E- и Н-поляризации с плоским слоем
композита в соответствии с методиками, изложенными в [3—5].
Сначала в работе был проведен анализ свойств
биизотропного композиционного материала, представляющего собой диэлектрическую матрицу, содержащую парные частицы в виде двух маловитковых спиралей одинаковой геометрии, находящихся
на некотором расстоянии друг от друга.
Рис. 1. Геометрия включений.
Fig. 1. Inclusions geometry
Рассчитаны коэффициенты поляризуемости подобных частиц, материальные параметры композита
и коэффициенты отражения ЭМВ от слоя композита
на металлической подложке и коэффициенты прохождения через слой подобного композита. Исследовано влияние на значение материальных параметров и коэффициентов отражения и прохождения
взаимной ориентации спиральных частиц и расстояния между ними. В результате численных экспериментов установлено, что при расстоянии между частицами, не превышающем половину длины волны
электромагнитного поля, результаты расчетов в пределах полосы частот первого резонанса практически
совпадают.
2013 23rd Int. Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo’2013). 9—13 September, Sevastopol, Crimea, Ukraine
 2013: CriMiCo’2013 Organizing Committee; CrSTC. ISBN: 978-966-335-395-1. IEEE Catalog Number: CFP13788
ных частиц в виде витка спирали с радиусом проводника — 0,1 мм, радиусом спирали — 6,4 мм, углом
0
намотки спирали — 3 , с концентрацией частиц —
5 -3
3*10 м , кривая 2–слою композита из парных частиц
с масштабным коэффициентом увеличения К=1,1, а
концентрация парных частиц в два раза меньше.
Рис. 2. Зависимость коэффициента отражения
слоя композита от частоты для одиночных и
парных включений одинаковых размеров.
Fig. 2. Dependence of reflection coefficient of
the composite layer on the frequency for single and
coupled inclusions of identical size
На рис. 2 показана зависимость коэффициента
отражения падающей нормально ЭМВ от частоты
для слоя композита на металлической подложке.
Толщина слоя — 21 мм. Кривая 1 соответствует слою
композита из одиночных частиц в виде витка спирали
с радиусом проводника — 0,1 мм, радиусом спирали
— 6,4 мм, углом намотки спирали — 3°, с концентра5 -3
цией частиц — 3*10 м , кривая 2 — слою композита
из парных частиц одинаковых размеров, при этом оси
спиралей перпендикулярны друг другу, а концентрация сдвоенных частиц в два раза меньше.
Полученные результаты позволяют рекомендовать подобный подход для анализа более сложных
систем. В частности, проведен численный эксперимент по изучению взаимодействия ЭМВ со слоем
композита, заполненного парными частицами в виде
двух маловитковых спиралей, размеры одной из которых в К раз больше размеров другой.
Рис. 4. Зависимость коэффициента прохождения
слоя композита от частоты для одиночных и
парных включений из спиральных частиц
разных размеров.
Fig. 4. Dependence of transmission coefficient of
the composite layer on the frequency for single and
coupled inclusions formed of helical particles of
different sizes.
На рис. 4 приведены результаты расчета коэффициента прохождения нормально падающей ЭМВ
для слоя толщиной 63 мм. Параметры композита для
кривых 1 и 2 те же, что и в предыдущем случае.
Анализ полученных данных позволяет сделать
вывод о возможности расширения полосы резонансных значений коэффициентов отражения и прохождения через киральный слой за счет применения
проводящих частиц различных размеров.
III. Заключение
Используя метод интегральных уравнений для
анализа дифракции электромагнитной волны на
проволочном киральном рассеивателе предложена
методика расчета материальных параметров композита на основе проволочных включений различных
размеров. На примере включений в виде парных
маловитковых спиралей показана возможность расширения полосы резонанса слоистых композитных
структур.
IV. References
Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения
слоя композита от частоты для одиночных и
парных включений из спиральных частиц
разных размеров.
Fig. 3. Dependence of reflection coefficient of
the composite layer on the frequency for single and
coupled inclusions formed of helical particles of
different sizes
На рис.3 приведены результаты расчета коэффициента отражения нормально падающей ЭМВ для
слоя толщиной 21 мм. на металлической подложке.
Кривая 1 соответствует слою композита из одиноч-
[1] Tretyakov S.A., Oksanen M.I. Electromagnetic waves in
layered general biisotropic structures. Journal Electromagnetic Waves Application, 1992, vol. 6, No 10, pp. 1393-1411.
[2] Demidchik V. I., Kornev R.V., Kuharchik P.D. Reflection of
electromagnetic waves by a plane layer of biisotropic composite material. 21th Int. Crimean Conf. “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo’2011). Sevastopol,
2011, pp. 721-722.
[3] Neganov V.A., Osipov O.V. Scattering of electromagneticwaves from plane chiral structures. Izv. vuzov SSSR. Ser.
Radiofizika, 1999, vol. 42, No 9, pp. 870-878.
[4] Ivanov.O.V., Sementsov D.I. Light propagation in stratified
chiral media. The 4*4 matrix method. Crystallography reports, 2000, vol. 45, No 3, pp. 487-492.
[5] Bassiri S., Papas C.H., Engheta N. Electromagnetic wave
propagation through a dielectric-chiral interface and through
a chiral slab. Journal of the Optical Society of America A,
1988, vol. 5, No 9, pp. 1450-1459.
2013 23rd Int. Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo’2013). 9—13 September, Sevastopol, Crimea, Ukraine
 2013: CriMiCo’2013 Organizing Committee; CrSTC. ISBN: 978-966-335-395-1. IEEE Catalog Number: CFP13788
765