Перестраиваемый экран по принципу Бабине на основе метаматериалов

Актуальность

Актуальность работы заключается в исследовании прохождения электромагнитных волн согласно принципу Бабине. В физике этот принцип утверждает, что дифракционная картина от непрозрачного тела идентична дифракционной картине от отверстия того же размера и формы.

Метаматериалы – это искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными свойствами, сложно достижимыми технологически, либо не встречающимися в природе. Их использование позволяет создать уникальные материалы с необычными характеристиками.

Цель

Создать метаматериал на основе принципа Бабине.

Задачи

1. Изучить основы принципа Бабине.
2. Рассмотреть строение и свойства существующих метаматериалов.
3. Разработать 3D-модель метаматериала и проанализировать свойства изучаемой структуры.
4. Познакомиться с процессами фабрикации метаматериалов, изготовить исследуемую структуру.
5. Познакомиться с методиками экспериментальных измерений, поставить эксперимент по определению микроволновых свойств структуры.
6. Проанализировать полученные результаты.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Персональный компьютер с установленным ПО (CST Studio Suite, CST Microwave Studio, КОМПАС-3D, MagicPlot)
• Химическое травление медного напыления на текстолите
• Безэховая камера, векторный анализатор цепей

Описание

В работе исследовалось прохождение электромагнитных волн согласно принципу Бабине через исследуемый метаматериал заданной структуры. В физике этот принцип связывает картины дифракции от непрозрачного тела и от отверстия одного и того же размера и формы. Интересный эффект можно получить, совместив две структуры, одна из которых будет инвертированной версией другой.

Такая концепция была реализована на базе метаматериалов (периодически расположенных включений, каждое из которых меньше длины волны). В качестве дизайна использовалась структура шахматной доски.

Совмещение двух вариаций такой структуры позволило наглядно продемонстрировать работу принципа Бабине. Работа над проектом включала в себя моделирование, которое позволило получить характеристики структуры. Были получены частотно зависимые кривые RCS (отношение рассеиваемой мощности к интенсивности падающей волны) и карта рассеяния на интересующей нас частоте.

Был изготовлен образец методом химического травления медного покрытия на текстолите через шаблон, напечатанный на фотобумаге. Следующим шагом исследования была постановка эксперимента в безэховой камере. Использовался метод двух рупорных антенн, где был получен частотный спектр коэффициентов прохождения S12.

Исследование изготовленного образца проводилось с помощью векторного анализатора цепей, отправляющего и принимающего отражённый и прошедший электромагнитный сигнал. В соответствии с мощностью прошедшего через образец или отражённого электромагнитного сигнала были построены графики зависимости коэффициентов прохождения или отражения от частоты отправленного сигнала.

Результаты работы/выводы

В рамках работы над проектом получено понимание принципа Бабине.

• Были освоены пакеты программ, такие как CST Microwave studio, КОМПАС-3D, Magicplot.
• Проведено ознакомление с технологической частью лаборатории НИТУ «МИСиС».
• Получены навыки работы с экспериментальным микроволновым оборудованием.
• Проведено компьютерное моделирование структуры, демонстрирующее принцип Бабине в микроволновом диапазоне.
• Изготовлена исследуемая структура методом химического травления медного напыления на текстолите.
• Проведено экспериментальное исследование полученной структуры в микроволновом диапазоне.
• Получена структура, прозрачная для электромагнитной волны в нескольких режимах. Проведена симуляция принципа Бабине на примере двух инвертированных друг другу метаматериалов.

Перспективы использования результатов работы

Структура, предложенная в работе, может найти применение в качестве перестраиваемого экрана электромагнитных волн за счёт изменения одного геометрического параметра (расстояния между прямой и инвертированной структурой).

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИТУ МИСиС

Награды/достижения

XVIII Балтийский научно-инженерный конкурс – финалист

Мнение автора

«В целом своей работой мы довольны, так как нам удалось довести её до логического завершения: был создан и исследован конкретный образец. В рамках выполнения работы мы познакомились с направлением деятельности одной из кафедр НИТУ МИСиС. Побывали в лаборатории, где проводятся исследования на мировом уровне. Познакомились с методикой выполнения работ по созданию и исследованию метаматериалов.

Участие в городском образовательном проекте «Инженерный класс в московской школе» позволило нам побывать и в других вузах – партнёрах проекта (МАИ, МЭИ, МИРЭА, СТАНКИН), познакомиться с направлениями деятельности этих вузов.

Участие в открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» позволило нам познакомиться с работами других обучающихся. Мы были потрясены разнообразием интересов участников и множеством исследуемых тем.

В следующем году мы (те, кто перешёл в 11 класс) также планируем принять участие в конференции, но, возможно, уже в рамках другой секции, чтобы иметь представление и о других направлениях исследований»