слой

  • Субекти
  • Обобщение
  • Въведение
  • Резултати
  • Симулирани резултати
  • Данни за измерване
  • Дискусия
  • Методи
  • Наличност на данни
  • Допълнителна информация
  • Коментари

Субекти

  • Електрическо и електронно инженерство
  • Фотонни устройства

Обобщение

Областта на трансформационната оптика дължи голяма част от славата си на концепцията за прикриване. Въпреки че са постигнати някои експериментални постижения за скриване на свободното пространство в три измерения, необходимите свойства на материала са изключително трудни за постигане. Приближенията, които след това трябва да се направят, за да се позволи производството, водят до незадоволителни характеристики на устройството. За разлика от това, когато системите с повърхностни вълни са във фокуса, е показано, че може да се вземе различен маршрут от тези, използвани за проектиране на слоеве от свободно пространство. Това води до много прости решения, които се възползват от възможността за включване на повърхностна кривина. Тук предлагаме демонстрация за микровълновия режим на маскиране на неравности по повърхността. Изкривяването на формата на повърхностите на повърхностните вълни поради кривина се коригира с подходящ профил на показателя на пречупване. Повърхностният вълнов слой е изработен от хомогенен диелектричен вълновод с метална подложка с различна дебелина и разполага с всепосочна работа.

Въведение

Като алтернатива са изследвани и обемни слоеве килим за откриване на повърхностни вълни 2, 5, 9. Тези триизмерни слоеве са непременно по-големи от скритата област поради изискването да се удовлетвори квазиконформното приближение 10. Това е проблематично при слой с големи размери. Свойствата на материала, необходими за тези слоеве килим, могат да бъдат пространствено променливи и изотропни 10 или еднородни и анизотропни 11. Първият вариант обаче има недостатъка на влошаване на производителността поради приближенията, които трябва да бъдат приложени, за да се гарантира изотропия 12. Последният използва резонансни елементи, за да получи необходимата степен на анизотропия и следователно има много ограничена честотна лента 11 .

Резултати

Както е обсъдено в реф. 15, нашият подход към маскирането на повърхностни вълни може да се приложи към всяка ротационно симетрична повърхностна деформация. За нашето експериментално изследване избрахме да създадем слоя от косинусова функция. Това беше избрано, защото ще бъде непрекъснато прикрепено към заобикаляща го равнина, като по този начин се избягва каквото и да е отражение на тази граница. Фигура 1 (а) показва напречното сечение на селекция от косинусовата функция, дадена от z = b cos (rπ/a) + b с различни максимални пропорции на височина към радиус (b/a). Фигура 1 (b) показва профилите на индекса на режима, необходими за създаване на илюзия за хомогенна плоска повърхност, поддържаща еднаква дължина на оптичния път за всички лъчи, нормализирана така, че минималната стойност да е единица. Тези индекси бяха изчислени числено, използвайки уравнение (1), взето от реф. петнадесет

( да се ) Напречно сечение на препятствие в косинусова форма, където височината на повърхността е дадена от z = b cos (rπ/a) + b. ( б ) Изискване за нормализиран индекс на режим, за да изглеждат тези косинусообразни препятствия равни.

Изображение в пълен размер

където n (θ) е индексът, който искаме да намерим, n ′ (θ) е неговото производно, θ е ъгълът между позиция на извитата повърхност и оста z, а R (θ) е свързаната дължина между позицията и произхода, а R (θ) ′ е производното му.

Налични са няколко производствени опции за прилагане на тази промяна в индекса на режима, включително метод на метаповърхност с градуирана геометрия 17, 18 или използване на диелектрични слоеве, които могат да се използват заедно или независимо за поддържане и контрол на разпространението на повърхността вълни. Метаповърхностите показват голямо обещание в способността им да създават силно ограничаване на повърхностната вълна и позволяват постепенно изменение на индекса на режима чрез промяна на размерите на всяка отделна елементарна клетка 19, 20. Подреждането на тези елементи върху извита повърхност обаче е проблематично, тъй като вече не е възможно да се създаде еднаква единица размер и форма на клетката по повърхността. Обикновено те дължат поведението си на резонансен отговор и по своята същност са теснолентови.

В тази работа слоят е произведен от хомогенно диелектрично покритие с различна дебелина върху метална повърхност 21. Това се възползва от простотата на производството и възможността за постигане на класификация на индекса за непрекъснат режим. Въпреки това, поради слабото задържане на вълната, ще изпитате по-големи радиационни загуби поради кривина в сравнение с изпълнението на мета-повърхност. Като се вземе предвид максимално постижимият контраст на индекса на режим с обща диелектрична среда (Perspex) с относителна диелектрична константа ε r = 2,6 + 0,04i, параметрите, дадени за профила b/a = 0,225 (фиг. 1), бяха избрани за тестовата проба.

Широчината на честотната лента на такова устройство е ограничена поради честотната зависимост на индекса на режима. Този дизайн на слоя прилича на отворен диелектричен вълновод и като такъв очакваме неговата честотна лента да бъде много по-широка от тази на дизайн, състоящ се от резонансни метаматериални елементи. Зависимостта на честотата на диелектричен слой с различна дебелина е дадена на фиг. 2 (а), където може да се види, че индексът на режима от най-ниския ред на ТМ е слабо зависим от честотата. На фиг. 2 (b) е показано необходимото отклонение на индекса на режима на този слой (черна линия). Индексът на режима за всяка отделна честота се нормализира до съответната максимална стойност на фиг. 2 (а). Тази максимална стойност е индексът на режима на външната плоска повърхност. В центъра на слоя (r = 0), индексът на режима се е увеличил само с 3,3% при 24 GHz до идеалния профил на слоя (черна линия на фиг. 2 (b)); и намален с 1,4% при 16 GHz. Това илюстрира широколентовите характеристики на слоя, проектиран тук.

( да се ) индексът на режима, постигнат чрез промяна на дебелината на диелектричното покритие, за диапазон от честоти, където диелектричната константа е ε r = 2.6 + 0.04i. ( б ) Промяна на индекса на режима на често избрания дизайн на слоя. Черната линия подчертава проектната честота на 20 GHz.

Изображение в пълен размер

Симулирани резултати

Фигура 3 показва прогнози за разпределението на електрическото поле върху горната повърхност на диелектрика както от непокрити (постоянна дебелина), така и от скрити проби. Пробата с постоянна дебелина е предоставена за сравнение, тъй като е хомогенно индексирана, за да покаже влиянието на кривината върху разпространението на повърхностните вълни. Както може да се види на фиг. 3 (а, б), ефектът е значително да се изкриви естеството на кръговия фронт на вълната поради различните дължини на оптичния път в различни части на извития водач. Това създава разрушителна и конструктивна интерференционна област, ясно видима при нарушаване на фазовите фронтове. Резултатите от модела на слоя са показани на фиг. 3 (c, d), където кръговата природа на повърхностната вълна, излъчвана от монополния източник, е ясно очевидна, след като вълната е преминала над извитата част на повърхността. Последицата от това е, че кривината на повърхността оставя малко подписи върху фазовите фронтове на повърхностната вълна и вакуумът, създаден от извития водач с метална подложка, може да се използва за настаняване на всеки обект отдолу, което го прави неоткриваем.

( а, в ) амплитудата на z компонента на разпределението на електрическото поле при 20 GHz, видяна в равнината xy. ( b, d ) фазови данни, нанесени от същата област на сканиране. ( а, б ) са за проба с постоянна дебелина, и ( c, d ) са за нос. Всички данни са нанесени върху горната повърхност на диелектрика.

Изображение в пълен размер

Данни за измерване

Графиките на фиг. 4 показват суровите измервани данни, отново както за слоя, така и за пробата с постоянна дебелина. Вижда се, че измерените данни съвпадат съвсем симулирано, което показва, че е постигнато точно производство. По-голямата амплитуда на сигнала в центъра на слоя на фиг. 4 (в) се дължи на факта, че индексът на режима е по-нисък в тази област, така че режимът е по-малко ограничен. Това е отразено и в симулираните данни. Прекъснатата черна линия илюстрира позицията на данните, дадени на фигура 5.

( а, в ) амплитудата на разпределението на електрическото поле при 20 GHz, открита от сондата за близко поле, видяна в равнината xy. ( b, d ) фазови данни, нанесени от същата област на сканиране. ( а, б ) са за проба с постоянна дебелина, и ( c, d ) са за нос. Всички данни се вземат от разстояние 0,5 мм от горните повърхности на диелектрика. Черните пунктирани линии в a и c са постоянни фазови линии.

Изображение в пълен размер

Две примерни линии с постоянна фаза за пробата с постоянна дебелина (плътно синьо) и слоя (плътно червено). Прекъснатите линии са кръгове, монтирани към всеки набор от данни.

Изображение в пълен размер

Фигура 5 показва постоянна фазова линия за всяка от пробите, позицията на която е показана на фигура 4, заедно с дъга, монтирана на всеки набор от данни. Тук дъгата представлява идеалния случай на необезпокоявана цилиндрична вълна, излъчена от фиксираното положение на източника. За да се създаде тази графика, се изчислява позицията, където измерената излъчена вълна има дадена фаза. За водача с постоянна дебелина фазата в центъра изостава значително по отношение на частите от повърхностната вълна, по-малко засегнати от кривината, което се вижда от депресията в плътната синя крива на фиг. 5. Данните от пробата на слоя (плътно червено крива) показва отлично съгласие с предсказаната форма на фронта на вълната (пунктирана червена крива). За количествено определяне на производителността на слоя се изчислява средната квадратна грешка (RMS) на фазата, измерена на монтираната линия. За слоя RMS грешката е 0.77, докато за водача с постоянна дебелина стойността е 4.5, илюстрирайки, че слоят значително е възстановил очаквания кръгов характер на фазовите фронтове, излъчвани от антената източник.

Дискусия

В заключение, тази работа експериментално демонстрира повърхностен вълнов слой, който използва кривината на повърхността, за да заобиколи изискването за екстремни свойства на материала. Електрически тънък еднопосочен повърхностен вълнов слой е валидиран с използването на хомогенен диелектрик. Изискваният профил на индекса на режима се постига чрез промяна на дебелината на еднородно диелектрично покритие. Този тип дизайн на слоя може да се използва в приложения за антени с повърхностни вълни, където необходимостта от съответствие с съществуваща повърхност е критична или където намаляването на разсейването на повърхностните несъвършенства, което в противен случай би имало ефект, вреден за работата на антената, е силно желателно.

Методи

Наличност на данни

Всички експериментални данни, използвани в този ръкопис, са достъпни от институционалното хранилище на Университета в Ексетър на //ore.exeter.ac.uk/repository/handle/10871/22667.

Допълнителна информация

Как да цитирам тази статия: Mitchell-Thomas, RC et al. Всепосочен повърхностен вълнов слой, използващ изотропно хомогенно диелектрично покритие. Sci. Rep. 6, 30984; doi: 10.1038/srep30984 (2016).

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки. Ако откриете нещо злоупотребяващо или което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, маркирайте го като неподходящо.