RU2819591C1 - Metamaterial for controlling refraction and reflection of electromagnetic radiation - Google Patents
Metamaterial for controlling refraction and reflection of electromagnetic radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819591C1 RU2819591C1 RU2023108001A RU2023108001A RU2819591C1 RU 2819591 C1 RU2819591 C1 RU 2819591C1 RU 2023108001 A RU2023108001 A RU 2023108001A RU 2023108001 A RU2023108001 A RU 2023108001A RU 2819591 C1 RU2819591 C1 RU 2819591C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metamaterial
- electromagnetic radiation
- reflection
- controlling
- refraction
- Prior art date
Links
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 title claims abstract description 22
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 33
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 17
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910003322 NiCu Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims 1
- 238000007578 melt-quenching technique Methods 0.000 claims 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 abstract 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 10
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 2
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229910001285 shape-memory alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 229910000979 O alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Изобретение относится к радиотехнике и фотонике и может быть использовано в качестве частотно-селективной поверхностной или объемной структуры, для создания специальных экранов отсечки отраженных сигналов, радиомаскирующих покрытий, а также для обеспечения развязки между элементами в антенных решетках.The invention relates to radio engineering and photonics and can be used as a frequency-selective surface or volumetric structure, to create special screens for cutting off reflected signals, radio-masking coatings, as well as to provide isolation between elements in antenna arrays.
Уровень техникиState of the art
В последние годы доказано, что из метаматериалов, в радиочастотном, а, возможно, и в оптическом диапазонах ЭМВ, привлекая методы трансформационной оптики, становится возможным создание неоднородных материальных оптических сред, обладающих заданными, порой весьма экзотическими, функциональными свойствами, которые превосходят возможности естественных материалов и традиционных элементов оптических приборов и систем. В частности, предложены различные конструкции инновационных оптических устройств: устройства оптической маскировки, получение изображений со сверхразрешением, концентраторы-коллекторы световой энергии, и датчики, использующие свет на масштабах менее длины волны [1].In recent years, it has been proven that from metamaterials, in the radio frequency and, possibly, in the optical ranges of electromagnetic waves, using the methods of transformation optics, it becomes possible to create inhomogeneous material optical media with specified, sometimes very exotic, functional properties that exceed the capabilities of natural materials and traditional elements of optical devices and systems. In particular, various designs of innovative optical devices have been proposed: optical cloaking devices, super-resolution imaging, light energy concentrators-collectors, and sensors that use light at sub-wavelength scales [1].
Известен аналог предлагаемого технического решения - метаматериал для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения, включающий множество элементарных структурных единиц (ячеек), расположенных периодически на прямой, на плоскости или в пространстве. Каждая ячейка состоит из диэлектрической подложки, имеющей первую и вторую параллельные поверхности, и первый и второй проводник в форме спирали. Первый проводник находится на первой поверхности подложки, а второй - на второй поверхности подложки таким образом, что второй проводник находится строго под (или над) первым и имеет с ним электромагнитную связь. Метаматериал из множества элементарных ячеек обладает отрицательной магнитной и электрической восприимчивостью в рабочем диапазоне электромагнитных волн [2].There is a known analogue of the proposed technical solution - a metamaterial for controlling the refraction and reflection of electromagnetic radiation, which includes many elementary structural units (cells) located periodically on a straight line, on a plane or in space. Each cell consists of a dielectric substrate having first and second parallel surfaces, and first and second conductors in a helical shape. The first conductor is located on the first surface of the substrate, and the second is on the second surface of the substrate in such a way that the second conductor is strictly under (or above) the first and has an electromagnetic connection with it. A metamaterial consisting of many elementary cells has negative magnetic and electrical susceptibility in the operating range of electromagnetic waves [2].
К недостаткам аналога можно отнести: узкий частотный рабочий диапазон и невозможность управления электромагнитными параметрами в процессе работы.The disadvantages of the analogue include: a narrow frequency operating range and the inability to control electromagnetic parameters during operation.
Известен также аналог предлагаемого технического решения - метаматериал для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения [3]. В этом источнике также предложен метаматериал, включающий множество элементарных структурных единиц (ячеек), расположенных периодически на прямой, на плоскости или в пространстве. Каждая ячейка включает проводящие элементы в форме цилиндров или спиралей. Метаматериал из множества элементарных ячеек обладает отрицательной магнитной и электрической восприимчивостью в рабочем диапазоне электромагнитных волн.An analogue of the proposed technical solution is also known - a metamaterial for controlling the refraction and reflection of electromagnetic radiation [3]. This source also proposes a metamaterial that includes many elementary structural units (cells) located periodically on a straight line, on a plane, or in space. Each cell includes conductive elements in the form of cylinders or spirals. A metamaterial consisting of many elementary cells has negative magnetic and electrical susceptibility in the operating range of electromagnetic waves.
К недостаткам этого аналога также можно отнести: узкий частотный рабочий диапазон и невозможность управления электромагнитными параметрами в процессе работы.The disadvantages of this analogue also include: a narrow frequency operating range and the inability to control electromagnetic parameters during operation.
Известен также аналог предлагаемого технического устройства [4, 5]. В данном источнике описан актюатор или набор из множества актюаторов, в форме пластин или лент, обеспечивающих управляемое, многократно обратимое изменение их формы от прямолинейной до цилиндрической под действием теплового воздействия. Обратимое изменение формы достигается выполнением актюатора в виде биметаллической пластины, включающей слой сплава с эффектом памяти формы (ЭПФ) и слой упругого металла. До соединения с упругим слоем в слой с ЭПФ предварительно растягивают при охлаждении через точку перехода аустенит (высокотемпературная фаза сплава с памятью формы) в мартенсит (низкотемпературная фаза сплава с памятью формы). Соединение слоев производят при температуре ниже температуры завершения перехода аустенит-мартенсит (для сплава Ti2NiCu - при комнатной температуре). При повышении температуры, выше точки обратного мартенситного перехода мартенсит-аустенит, слой с памятью формы сжимается, и в результате, биметаллический композитный материал обратимо изгибается. Таким образом, форма поверхности актюатора многократно контролируемо изменяется от плоской до цилиндрической.An analogue of the proposed technical device is also known [4, 5]. This source describes an actuator or a set of multiple actuators, in the form of plates or tapes, providing a controlled, repeatedly reversible change in their shape from straight to cylindrical under the influence of thermal influence. A reversible change in shape is achieved by making the actuator in the form of a bimetallic plate, including a layer of an alloy with a shape memory effect (SME) and a layer of elastic metal. Before joining the elastic layer into a layer with an SME, austenite (the high-temperature phase of the shape memory alloy) into martensite (the low-temperature phase of the shape memory alloy) is pre-stretched during cooling through the transition point. The layers are joined at a temperature below the temperature at which the austenite-martensite transition is completed (for the Ti 2 NiCu alloy - at room temperature). As the temperature rises above the point of the reverse martensite-austenite transition, the shape memory layer contracts, and as a result, the bimetallic composite material bends reversibly. Thus, the shape of the actuator surface changes repeatedly in a controlled manner from flat to cylindrical.
К недостатку прототипа можно отнести невозможность применения в качестве оптического или радиочастотного метаматериала для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения.A disadvantage of the prototype is the impossibility of using it as an optical or radio-frequency metamaterial to control the refraction and reflection of electromagnetic radiation.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является метаматериал для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения [6]. Прототип представляет собой набор упорядоченных в пространстве, расположенных на расстоянии много больше длины волны элементарных структурных единиц, в качестве которых применены левосторонняя и правосторонняя канонические спирали (фиг. 1). Каноническая спираль представляет собой разорванное металлическое кольцо с двумя отрезками металлической проволоки на краях зазора, которые перпендикулярны плоскости кольца. При облучении электромагнитной волной спиралей (габаритные размеры которых также во много раз меньше длины волны) в них индуцируются токи, которые генерируют электрический диполь (проволочки) и магнитный диполь (кольцо). Путем подбора параметров спирали (радиус кольца, радиус проволоки, длина электрического диполя) можно добиться отрицательной восприимчивости электрического и магнитного откликов от спиральных частиц на одной частоте.The closest technical solution to the proposed one is a metamaterial for controlling the refraction and reflection of electromagnetic radiation [6]. The prototype is a set of spatially ordered elementary structural units located at a distance much greater than the wavelength, for which left-handed and right-handed canonical spirals are used (Fig. 1). The canonical spiral is a torn metal ring with two pieces of metal wire at the edges of the gap, which are perpendicular to the plane of the ring. When spirals (whose overall dimensions are also many times smaller than the wavelength) are irradiated by an electromagnetic wave, currents are induced in them, which generate an electric dipole (wires) and a magnetic dipole (ring). By selecting the parameters of the spiral (ring radius, wire radius, electric dipole length), it is possible to achieve negative susceptibility of the electrical and magnetic responses from spiral particles at the same frequency.
Известный метаматериал для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения имеет по крайней мере один существенный недостаток: узкую рабочую полосу запирания (несколько процентов от центральной частоты).The known metamaterial for controlling the refraction and reflection of electromagnetic radiation has at least one significant drawback: a narrow operating stop band (a few percent of the center frequency).
Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention
Задачей, решаемой изобретением, является создание метаматериала для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения, обеспечивающего расширение спектрального диапазона и возможности управления электромагнитными параметрами под контролем внешнего теплового воздействия.The problem solved by the invention is the creation of a metamaterial for controlling the refraction and reflection of electromagnetic radiation, providing an expansion of the spectral range and the ability to control electromagnetic parameters under the control of external thermal influence.
Указанный результат достигается тем, что в метаматериале для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения, представляющем собой множество одинаковых структурных элементов упорядоченно расположенных в пространстве или на поверхности, размеры которых и расстояние между которыми, много меньше длины волны ЭМВ, причем каждая структурная единица включает в себя металлические элементы, имеющие форму стержней, колец или спиралей, в составе каждой элементарной структурной единице имеется, по крайней мере, один элемент из предварительно напряженного биморфного композита с эффектом памяти формы, в виде кольца или спирали, обеспечивающий многократное контролируемое изменение его радиуса кривизны в результате теплового воздействия.This result is achieved by the fact that in a metamaterial for controlling the refraction and reflection of electromagnetic radiation, which is a set of identical structural elements orderedly located in space or on the surface, the dimensions of which and the distance between them are much less than the wavelength of the electromagnetic radiation, and each structural unit includes metal elements in the form of rods, rings or spirals, each elementary structural unit contains at least one element from a prestressed bimorph composite with a shape memory effect, in the form of a ring or spiral, providing multiple controlled changes in its radius of curvature as a result thermal exposure.
Техническим результатом предложенного метаматериала для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения является обеспечение управления рабочей полосой ЭМВ при создании среды с отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей, т. е. метаматериальной среды. Границы рабочей полосы определяются параметрами структурного элемента метаматериала, а также параметрами и периодом их расположения.The technical result of the proposed metamaterial for controlling the refraction and reflection of electromagnetic radiation is to provide control of the working band of electromagnetic waves when creating an environment with negative values of electrical and magnetic permeability, i.e., a metamaterial environment. The boundaries of the working band are determined by the parameters of the structural element of the metamaterial, as well as the parameters and period of their location.
Согласно современным представлениям, свойства метаматериала определяются свойствами его отдельной элементарной структурной единицы и их плотностью [1-3]. Известные метаматериалы включают, чаще всего элементарную структурную единицу, выполненную из металлических элементов. На фиг. 1 показан общий вид элементарной структурной единицы метаматериала, согласно прототипу [6], в качестве которых применены левосторонняя и правосторонняя канонические спирали. Каноническая спираль представляет собой разорванное металлическое кольцо с двумя отрезками металлической проволоки на краях зазора, которые перпендикулярны плоскости кольца. При облучении электромагнитной волной спиралей (габаритные размеры которых также во много раз меньше длины волны) в них индуцируются токи, которые генерируют электрический диполь (проволочки) и магнитный диполь (кольцо). Путем подбора параметров спирали (радиус кольца, радиус проволоки, длина электрического диполя) можно добиться отрицательной восприимчивости электрического и магнитного откликов от спиральных частиц на одной частоте. Рабочий диапазон частот метаматериала можно определить по графикам зависимости поляризуемости элементарной структурной единицы от частоты (см. фиг. 2 из [6]). На графиках видно, что зависимости магнитной и диэлектрической поляризуемостей имеют резонансный вид. Видно также, что в области выше резонанса имеется диапазон, в котором и магнитная и электрическая поляризуемости - отрицательные. Таким образом, рабочий диапазон метаматериала для управления преломление и отражением электромагнитного излучения ограничен этой областью.According to modern concepts, the properties of a metamaterial are determined by the properties of its individual elementary structural unit and their density [1-3]. Known metamaterials include, most often, an elementary structural unit made of metal elements. In fig. Figure 1 shows a general view of the elementary structural unit of the metamaterial, according to the prototype [6], for which left-handed and right-handed canonical spirals are used. The canonical spiral is a torn metal ring with two pieces of metal wire at the edges of the gap, which are perpendicular to the plane of the ring. When spirals (whose overall dimensions are also many times smaller than the wavelength) are irradiated by an electromagnetic wave, currents are induced in them, which generate an electric dipole (wires) and a magnetic dipole (ring). By selecting the parameters of the spiral (ring radius, wire radius, electric dipole length), it is possible to achieve negative susceptibility of the electrical and magnetic responses from spiral particles at the same frequency. The operating frequency range of the metamaterial can be determined from graphs of the polarizability of an elementary structural unit versus frequency (see Fig. 2 from [6]). The graphs show that the dependences of the magnetic and dielectric polarizabilities have a resonant form. It can also be seen that in the region above the resonance there is a range in which both the magnetic and electric polarizabilities are negative. Thus, the operating range of the metamaterial for controlling the refraction and reflection of electromagnetic radiation is limited to this region.
Расчет зависимостей, аналогичных представленным на фиг. 2, приводится в ряде работ, например в виде формулы (4) из работы [6]. Эта и аналогичные формулы связывают геометрические параметры структурных единиц с магнитной и электрической поляризуемостью. Для пояснения принципа работы заявляемого управляемого метаматериала, удобно воспользоваться приближенной формулой (45) из ссылки [3] для резонансной частоты элементарной ячейки в форме концентрических колец или спирали. Из этой формулы следует, что, приближенно, резонансная частота магнитной восприимчивости обратно пропорциональна r3/2 и, следовательно, быстро возрастает с уменьшением радиуса r.Calculation of dependencies similar to those presented in Fig. 2 is given in a number of works, for example in the form of formula (4) from [6]. This and similar formulas connect the geometric parameters of structural units with magnetic and electrical polarizability. To explain the operating principle of the proposed controlled metamaterial, it is convenient to use the approximate formula (45) from reference [3] for the resonant frequency of an elementary cell in the form of concentric rings or a spiral. From this formula it follows that, approximately, the resonant frequency of magnetic susceptibility is inversely proportional to r 3/2 and, therefore, increases rapidly with decreasing radius r.
Принцип управление геометрическими размерами элементов ячейки в форме спирали или кольца основан на свойствах предварительно напряженных биметаллических композитов с эффектом памяти формы (ЭПФ) обратимо изменять кривизну при нагреве/охлаждении [4]. Пример такого композитного функционального материала на основе композита Ti2NiCu/Ni с ЭПФ, который обладает способностью управляемым образом изменять кривизну от прямолинейной до цилиндрической и спиральной, дан в работе [5]. Этот композит выполнен из двух слоев (см. фиг. 3), причем слой 1 - выполнен из сплава с ЭПФ, а слой 2 - из прочного упругого металла. До соединения слоев, слой 1, предварительно растягивают псевдопластически при охлаждении через температуру термоупругого мартенситного перехода. При температуре ниже точки мартенситного перехода, для быстрозакаленного сплава Ti2NiCu - ниже 40°, значительная деформация 1-3% сохраняется (она именуется псевдопластической, так как не смотря на значительную величину, полностью восстанавливается при нагреве выше точки мартенситного термоупругого перехода). После этого на слой с ЭПФ наносят или приклеивают слой упругого металла, например гальванического никеля, не повышая температуру заготовки выше температуры перехода мартенсит-аустенит сплава с ЭПФ. Последующий нагрев сплава приводит к сжатию сплава с ЭПФ, механическому напряжению упругого слоя и изменению формы - изгибу композита, как показано на фиг. 3. Процесс деформации композита 3 - контролируемый, многократной повторяемый.The principle of controlling the geometric dimensions of cell elements in the form of a spiral or ring is based on the properties of prestressed bimetallic composites with a shape memory effect (SME) to reversibly change curvature during heating/cooling [4]. An example of such a composite functional material based on a Ti 2 NiCu/Ni composite with an SME, which has the ability to controllably change the curvature from straight to cylindrical and spiral, is given in [5]. This composite is made of two layers (see Fig. 3), with layer 1 made of an alloy with SME, and layer 2 of a strong elastic metal. Before joining the layers, layer 1 is pre-stretched pseudo-plastically when cooled through the temperature of the thermoelastic martensitic transition. At a temperature below the martensitic transition point, for a rapidly quenched Ti 2 NiCu alloy - below 40°, a significant deformation of 1-3% is retained (it is called pseudoplastic, since despite its significant value, it is completely restored when heated above the martensitic thermoelastic transition point). After this, a layer of elastic metal, for example galvanic nickel, is applied or glued to the layer with the SME, without increasing the temperature of the workpiece above the martensite-austenite transition temperature of the alloy with the SME. Subsequent heating of the alloy leads to compression of the alloy with SME, mechanical stress of the elastic layer and a change in shape - bending of the composite, as shown in Fig. 3. The process of deformation of composite 3 is controlled and repeated many times.
На основе указанного принципа можно реализовать различные виды элементарных структурных единиц метаматериалов, например, представленные на фиг. 5 и 6. На фиг. 5 показан вариант, описанной в прототипе [6], ячейки в виде канонической спирали, в которой разорванное кольцо изменяет обратимо свой радиус при нагреве/охлаждении, r2<r1 (фиг. 5а и б). На фиг. 6 показан вариант спиральной многовитковой структуры, описанной в [3, стр. 2079], выполненной из композита с ЭПФ 3 в охлажденном (мартенситном) и нагретом (аустенитном) состояниях (фиг. 6 а и б).Based on this principle, it is possible to realize various types of elementary structural units of metamaterials, for example, those shown in Fig. 5 and 6. In FIG. Figure 5 shows a variant described in the prototype [6], a cell in the form of a canonical spiral, in which the broken ring reversibly changes its radius when heated/cooled, r 2 <r 1 (Fig. 5a and b). In fig. Figure 6 shows a variant of the spiral multi-turn structure described in [3, p. 2079], made of a composite with SME 3 in the cooled (martensitic) and heated (austenitic) states (Fig. 6 a and b).
Достижимая величина обратимого изменения радиуса цилиндрической или кольцевой структуры определяется конструкцией используемого композита с ЭПФ [4]. Например, в [5] делается оценка для радиуса кривизны композита R:The achievable magnitude of the reversible change in the radius of a cylindrical or ring structure is determined by the design of the SME composite used [4]. For example, in [5] an estimate is made for the radius of curvature of the composite R:
где h - толщина, а е - относительная обратимая деформация сплава с ЭПФ при мартенситном переходе. Для сплава Ti2NiCu с ЭПФ типичное значение 8=1-3%. Если выполнить сплав в виде быстрозакаленной ленты толщиной 30 мкм, то минимальный радиус R можно оценить как 1-0,5 мм. Согласно расчетам по формулам [3, 6] это дает рабочий диапазон в диапазоне нескольких ГГц с возможностью подстройки по крайней мере в 2 раза.where h is the thickness, and e is the relative reversible deformation of the alloy with SME during the martensitic transition. For a Ti 2 NiCu alloy with SME, the typical value is 8 = 1-3%. If the alloy is made in the form of a quickly hardened strip with a thickness of 30 microns, then the minimum radius R can be estimated as 1-0.5 mm. According to calculations using formulas [3, 6], this gives an operating range in the range of several GHz with the possibility of adjustment by at least 2 times.
Отметим, что с помощью создания композита можно добиться не только перехода прямолинейный-изогнутый композит, но и перехода от композита с кривизной r1 к кривизне r2, используя термомеханическую обработку. Пример такой технологии описан в работе [7].Note that by creating a composite it is possible to achieve not only a straight-curved composite transition, but also a transition from a composite with curvature r1 to curvature r2 using thermomechanical processing. An example of such technology is described in [7].
Недавние работы по созданию нанокомпозитов с ЭПФ доказали возможность изготовить надежно управляемые композиты с толщиной активного слоя с ЭПФ 100 нм и менее [8]. По формуле (1) можно заключить, что радиус нанокомпозита может оказаться в диапазоне десятков микрон, а управляемая рабочая частота - в терагерцовом диапазоне. При изготовлении управляемого метаматериала для заданного диапазона ЭМВ может потребоваться согласование поверхностной проводимости элементов структурной единицы в рабочем диапазоне. Для этого возможно применение пленочных покрытий из металлов с высокой проводимостью, например, золота.Recent work on the creation of nanocomposites with an SME has proven the possibility of producing reliably controlled composites with an active layer thickness with an SME of 100 nm or less [8]. According to formula (1), we can conclude that the radius of the nanocomposite can be in the range of tens of microns, and the controlled operating frequency can be in the terahertz range. When manufacturing a controlled metamaterial for a given range of electromagnetic waves, it may be necessary to coordinate the surface conductivity of the elements of a structural unit in the operating range. For this purpose, it is possible to use film coatings made of metals with high conductivity, for example, gold.
Описание фигурDescription of the figures
На фиг. 1 показаны фотографии элементов метаматериала для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения в виде канонических спиралей, согласно прототипу [6].In fig. Figure 1 shows photographs of metamaterial elements for controlling the refraction and reflection of electromagnetic radiation in the form of canonical spirals, according to the prototype [6].
На фиг. 2 показаны частотные зависимости магнитной и диэлектрической поляризуемости элементарных ячеек метаматериала, согласно прототипу [6]. Рабочий диапазон частот метаматериала определяется пересечением множеств частот, при которых действительные части магнитной и диэлектрической поляризуемости являются отрицательными.In fig. Figure 2 shows the frequency dependences of the magnetic and dielectric polarizability of elementary cells of the metamaterial, according to the prototype [6]. The operating frequency range of a metamaterial is determined by the intersection of sets of frequencies at which the real parts of the magnetic and dielectric polarizability are negative.
На фиг. 3 показана принципиальная схема биметаллического предварительно напряженного композита, согласно [4].In fig. Figure 3 shows a schematic diagram of a bimetallic prestressed composite, according to [4].
На фиг. 4 представлен общий вид биметаллического композита с эффектом памяти формы, выполненного из сплава Ti2NiCu (активный слой с ЭПФ) и слоя никеля (упругий слой) в охлажденном состоянии (снимок вверху) и нагретом состоянии (снимок внизу) [5].In fig. Figure 4 shows a general view of a bimetallic composite with a shape memory effect, made of Ti 2 NiCu alloy (active layer with SME) and a nickel layer (elastic layer) in a cooled state (photo above) and a heated state (photo below) [5].
На фиг. 5 представлен эскизный чертеж примера элементарной структурной единицы (ячейки) метаматериала для управления преломление и отражением электромагнитного излучения, согласно предложенному техническому решению, в виде канонической спирали, представляющей разорванное металлическое кольцо с двумя металлическими цилиндрами, причем кольцо выполнено из композита с ЭПФ. (а) - композит в охлажденном мартенситном состоянии, (б) композит с ЭПФ - в нагретом, аустенитном состоянии.In fig. Figure 5 shows a sketch drawing of an example of an elementary structural unit (cell) of a metamaterial for controlling the refraction and reflection of electromagnetic radiation, according to the proposed technical solution, in the form of a canonical spiral representing a broken metal ring with two metal cylinders, the ring being made of a composite with an SME. (a) - composite in a cooled martensitic state, (b) composite with SME - in a heated, austenitic state.
На фиг. 6 представлен эскизный чертеж примера элементарной структурной единицы (ячейки) метаматериала для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения, согласно предложенному техническому решению, в форме цилиндрической многовитковой спирали, на основе биметаллического предварительно напряженного композита с ЭПФ. (а) - охлажденное, мартенситное состояние композита с ЭПФ.In fig. Figure 6 shows a sketch drawing of an example of an elementary structural unit (cell) of a metamaterial for controlling the refraction and reflection of electromagnetic radiation, according to the proposed technical solution, in the form of a cylindrical multi-turn spiral, based on a bimetallic prestressed composite with an SME. (a) - cooled, martensitic state of the composite with SME.
(б) - нагретое, аустенитное состояние композита с ЭПФ.(b) - heated, austenitic state of the composite with SME.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Целью заявляемого технического решения является расширение рабочего диапазона частот метаматериала для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения и обеспечение возможности управления его параметрами путем теплового воздействия на элементы метаматериала. Прототип предложенного технического решения [6] исключает возможность регулировки геометрических параметров элементарных ячеек метаматериала. Поэтому для создания элементарной ячейки предлагается использовать быстрозакаленную ленту Ti2NiCu, толщиной 30-40 мкм, шириной 1-2 мм, изготовленную методом быстрой закалки из расплава на медном барабане и обработанную отжигом, согласно работе [5]. Затем ленту механически растягивают силой 3-10 Н, при охлаждении от 50°С (аустенит) до комнатной температуры (мартенситная фаза сплава). В результате псевдопластическая (возвратимая при нагреве) деформация составит 1-3%. Затем не повышая температуру выше 30°С, на нее гальваническим методом наносят слой никеля с одной стороны. Практический результат показан на фиг. 4а, где прямолинейный отрезок композита из ленты Ti2NiCu/Ni сфотографирован в охлажденном (мартенситном) состоянии. На фиг. 4б показан образец композита в нагретом состоянии, принявший форму кольца. Из такого отрезка выполняется ячейка метаматериала в конфигурации управляемого канонической спирали с отрезками медных проволочек толщиной 0,1 мм (см. фиг. 5а и б). Из ленты шириной 5 мм изготовляется элемент метаматериала в виде свернутой управляемой спирали (фиг. 6а и б).The purpose of the proposed technical solution is to expand the operating frequency range of the metamaterial to control the refraction and reflection of electromagnetic radiation and to provide the ability to control its parameters through thermal effects on the elements of the metamaterial. The prototype of the proposed technical solution [6] excludes the possibility of adjusting the geometric parameters of the elementary cells of the metamaterial. Therefore, to create a unit cell, it is proposed to use a rapidly quenched Ti 2 NiCu tape, 30-40 μm thick, 1-2 mm wide, manufactured by rapid quenching from a melt on a copper drum and processed by annealing, according to [5]. Then the tape is mechanically stretched with a force of 3-10 N, while cooling from 50°C (austenite) to room temperature (martensitic phase of the alloy). As a result, pseudoplastic (recoverable when heated) deformation will be 1-3%. Then, without raising the temperature above 30°C, a layer of nickel is applied to it on one side using the galvanic method. The practical result is shown in FIG. 4a, where a straight section of a Ti 2 NiCu/Ni tape composite was photographed in a cooled (martensitic) state. In fig. Figure 4b shows a composite sample in a heated state, which has taken the shape of a ring. From such a segment a metamaterial cell is made in the configuration of a controlled canonical spiral with pieces of copper wires 0.1 mm thick (see Fig. 5a and b). A metamaterial element in the form of a folded controlled spiral is made from a 5 mm wide tape (Fig. 6a and b).
При изготовлении образца метаматериала для управления преломлением и отражением электромагнитного излучения необходимо сформировать из множества элементарных ячеек линейку, плоскость или объем, в котором элементарные структурные единицы закреплены прочно, с учетом поляризации рабочей ЭМВ. Для успешного контроля частотного диапазона необходима термостабилизация всего метаматериала при температуре несколько выше комнатной с применением термостата. Точность поддержания температуры по объему метаматериала должна отвечать необходимой однородности показателя преломления метаматериальной среды для ЭМВ в рабочем диапазоне частот. Для практического примера изготовления метаматериала из композитов с ЭПФ Ti2NiCu/Ni рабочий диапазон температур может составлять 35-56°С, а точность поддержания по всему объему метаматериала и во времени не хуже 1°С.When manufacturing a metamaterial sample to control the refraction and reflection of electromagnetic radiation, it is necessary to form a ruler, plane or volume from a set of elementary cells in which the elementary structural units are firmly fixed, taking into account the polarization of the working electromagnetic wave. To successfully control the frequency range, thermal stabilization of the entire metamaterial is necessary at a temperature slightly above room temperature using a thermostat. The accuracy of maintaining temperature throughout the volume of the metamaterial must correspond to the necessary homogeneity of the refractive index of the metamaterial medium for electromagnetic waves in the operating frequency range. For a practical example of manufacturing a metamaterial from composites with Ti 2 NiCu/Ni SME, the operating temperature range can be 35-56°C, and the accuracy of maintaining it throughout the entire volume of the metamaterial and over time is no worse than 1°C.
Список литературыBibliography
1. Кильдишев А.В. Шалаев В.М. Трансформационная оптика и метаматериалы. УФН. 2011, Т. 181, №;1, стр. 60.1. Kildishev A.V. Shalaev V.M. Transformation optics and metamaterials. UFN. 2011, T. 181, No. 1, p. 60.
2. Патент US 8780010, кл. H01Q 15/10, опубл. 15.07.2014 г. 2. Patent US 8780010, cl. H01Q 10/15, publ. 07/15/2014
3. J. В. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 47, NO. 11, NOVEMBER 1999, p. 2075.3. J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 47, NO. 11, NOVEMBER 1999, p. 2075.
4. P.M. Гречишкин и др. Актюатор, система актюаторов и способ его изготовления. Патент РФ №23058754. МПК НОШ 61/04. Опубл. 10.09.2007. БИ №25.4. P.M. Grechishkin et al. Actuator, actuator system and method of its manufacture. RF patent No. 23058754. IPC NOSH 61/04. Publ. 09/10/2007. BI No. 25.
5. Иржак А.В., Калашников B.C., Коледов В.В., Кучин Д.С., Лебедев Г.А., Лега П.В., Пихтин Н.А., Тарасов И.С., Шавров В.Г., Шеляков А.В. Гигантские обратимые деформации композитного материала с эффектом памяти формы. Письма в журнал технической физики. 2010, вып.7, стр. 75.5. Irzhak A.V., Kalashnikov V.S., Koledov V.V., Kuchin D.S., Lebedev G.A., Lega P.V., Pikhtin N.A., Tarasov I.S., Shavrov V. G., Shelyakov A.V. Giant reversible deformations of a composite material with a shape memory effect. Letters to the Journal of Technical Physics. 2010, issue 7, p. 75.
6. А.В. Возианова, М.К. Ходзицкий. МАСКИРУЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ СПИРАЛЬНЫХ РЕЗОНАТОРОВ. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, №4 (80). С.28-33.6. A.V. Vozianova, M.K. Khodzicki. MASKING COATING BASED ON SPIRAL RESONATORS. Scientific and technical bulletin of information technologies, mechanics and optics, 2012, No. 4 (80). P.28-33.
7. Grechishkin, R. М., Il'yashenko, S. V., Istomin, V. V., Kalashnikov, V. S., Koledov, V. V., Kuchin, D. S., ... & Shavrov, V. G. (2009). Two-way shape memory in a nanoscale sample of Ti 49.5 Ni 25.5 Cu 25.0 alloy with a partially ordered structure. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 73(8), 1076-1078.7. Grechishkin, R. M., Il'yashenko, S. V., Istomin, V. V., Kalashnikov, V. S., Koledov, V. V., Kuchin, D. S., ... & Shavrov, V. G. (2009). Two-way shape memory in a nanoscale sample of Ti 49.5 Ni 25.5 Cu 25.0 alloy with a partially ordered structure. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 73(8), 1076-1078.
8. Irzhak, A. V., Lega, P. V., Zhikharev, A. M., Koledov, V. V., Orlov, A. P., Kuchin, D. S., ... & Pushin, V. G. (2017, January). Shape memory effect in nanosized Ti2NiCu alloy-based composites. In Doklady Physics (Vol.62, No. 1, pp. 5-9).8. Irzhak, AV, Lega, PV, Zhikharev, AM, Koledov, VV, Orlov, AP, Kuchin, DS, ... & Pushin, VG (2017, January). Shape memory effect in nanosized Ti 2 NiCu alloy-based composites. In Doklady Physics (Vol. 62, No. 1, pp. 5-9).
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2819591C1 true RU2819591C1 (en) | 2024-05-21 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102480014A (en) * | 2011-05-11 | 2012-05-30 | 深圳光启高等理工研究院 | Shape memory metamaterial and preparation method thereof |
| RU2548543C2 (en) * | 2013-03-06 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владивостокский государственный университет экономики и сервиса" (ВГУЭС) | Method of obtaining metamaterial |
| RU170145U1 (en) * | 2016-06-09 | 2017-04-14 | Александр Сергеевич Кухаренко | Sensitive element on metamaterial |
| CN114872338A (en) * | 2022-05-05 | 2022-08-09 | 哈尔滨工业大学 | Preparation of bidirectional shape memory tuning metamaterial and tuning method of resonant frequency of bidirectional shape memory tuning metamaterial |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102480014A (en) * | 2011-05-11 | 2012-05-30 | 深圳光启高等理工研究院 | Shape memory metamaterial and preparation method thereof |
| RU2548543C2 (en) * | 2013-03-06 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владивостокский государственный университет экономики и сервиса" (ВГУЭС) | Method of obtaining metamaterial |
| RU170145U1 (en) * | 2016-06-09 | 2017-04-14 | Александр Сергеевич Кухаренко | Sensitive element on metamaterial |
| CN114872338A (en) * | 2022-05-05 | 2022-08-09 | 哈尔滨工业大学 | Preparation of bidirectional shape memory tuning metamaterial and tuning method of resonant frequency of bidirectional shape memory tuning metamaterial |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.В. Возианова, М.К. Ходзицкий, Маскирующее покрытие на основе спиральных резонаторов, Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, N 4 (80), с. 28-33. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ferraro et al. | Broad-and narrow-line terahertz filtering in frequency-selective surfaces patterned on thin low-loss polymer substrates | |
| Al-Naib et al. | Recent progress in terahertz metasurfaces | |
| EP1771756B1 (en) | Metamaterials | |
| EP2899015B1 (en) | Indefinite materials | |
| CN104377414B (en) | For surface and the Meta Materials of waveguide | |
| Tretyakov | Complex-media electromagnetics and metamaterials | |
| Mumcu et al. | Miniature antennas and arrays embedded within magnetic photonic crystals | |
| Kang et al. | A polarization-insensitive dual-band plasmonic metamaterial absorber for a sensor application | |
| He et al. | Anisotropic metamaterial as an antireflection layer at extreme angles | |
| RU2819591C1 (en) | Metamaterial for controlling refraction and reflection of electromagnetic radiation | |
| Gaillot et al. | Transformation optics for the full dielectric electromagnetic cloak and metal–dielectric planar hyperlens | |
| Fan et al. | Goos–Hänchen shift in metallic gratings assisted by phase gradient metasurfaces | |
| Pan et al. | Theoretical analysis of a hyperbolic metamaterial for harvesting visible and infrared light | |
| Pfeiffer et al. | Bianisotropic metasurfaces: ultra-thin surfaces for complete control of electromagnetic wavefronts | |
| Goswami et al. | Structured surfaces for generation of negative index of refraction | |
| Liu et al. | Theoretical design of multilayered VO2-based switchable terahertz metasurfaces as broadband functional devices | |
| WO2015088371A1 (en) | Method of synthesizing a bi-domain structure in ferroelectric single crystal wafers | |
| Ung | Metamaterials: a metareview | |
| Sydorchuk et al. | Analysis of terahertz wave reflection by an array of double dielectric elements placed on a reflective substrate | |
| Zhu et al. | A random access reconfigurable metamaterial and a tunable flat lens | |
| Wang et al. | Reconfigurable Metagrating Enabled by Shape Memory Polymers | |
| Lin et al. | Scattering terahertz wave regulation of coded metasurface based on phase change material | |
| US20230350169A1 (en) | Thermal radiation lens | |
| CN116345172A (en) | Near-field surface wave in-plane wavefront regulation device based on super surface | |
| Lou et al. | Effective Epsilon-Mu-Near-Zero Photonic Crystal with Low-Permittivity Substrate for Broadside-Beam Leaky-Wave Antenna |