Анализ отражения наносекундных импульсов от метаматериала с отрицательной магнитной проницаемостью

Курсовой проект - Физика

Другие курсовые по предмету Физика

> (1)

 

где ?pm - плазменная частота для MNG.

Если:

) x= , то >0,

) |x|>, то >0; |x|>, то >1;

) |x|<, то <0; |x|>0, то >-.

 

Рис. 2

 

Рис. 3

 

Рис. 4

 

Для круглого двойного цилиндра в вакууме с сечением в виде двойного разрезного кольца (рис.3) в пренебрежении толщиной стенок справедливо следующее выражение [2]:

 

(2)

 

где а - длина ячейки, ? - электрическая проводимость стенок цилиндров, d - зазор между разрезными кольцами в поперечном сечении, r - внутренний радиус меньшего из колец.

Выбираем параметры r и d так, чтобы обеспечивался наиболее широкий диапазон частот.

Резонансная частота данного элемента, при которой эф>?, в отсутствии потерь (? = 0) и с учетом выполнения равенства для скорости света в среде с2= 1 / (0?0?):

 

(3)

 

Значение плазменной частоты может быть получено при условии ?=0, эф=0:

 

(4)

 

Как видно, различия между плазменной и резонансной частотами определяются множителем 1-?r2/a2 в знаменателе подкоренного выражения. эф приобретает отрицательное значение в интервале между ?0m и ?pm.

Коэффициент отражения без потерь определяем по формуле (5).

 

. (5)

 

При:

) x= , то R= -1,

) |x|>, то -1<R<0;

) |x|<, то R= -1.

Коэффициент отражения c потерями:

 

. (6)

 

По заданию даны три формы импульсов, отражающихся от метаматериала [2]:

) Прямоугольная форма импульса

Импульс описывается следующим образом:

 

, (7)

 

где T=1 нс - длительность импульса.

Спектральный анализ непериодических сигналов проводится на основе интегрального преобразования Фурье. Преобразование Фурье сигнала s(t) дает спектральную плотность или спектр сигнала [3]:

 

. (8)

 

Тогда модуль отраженного импульса без учета потерь:

 

. (9)

 

С учетом потерь:

 

. (10)

 

) Импульс в виде разности полиномов Лаггера [2]

Импульс описывается следующим образом:

 

. (11)

 

Его спектральная зависимость от частоты:

 

. (12)

 

Тогда модуль отраженного импульса без учета потерь:

 

. (13)

 

 

С учетом потерь:

 

. (14)

 

3) Импульс формы Гаусса с меньшей крутизной:

 

. (15)

 

Его спектральная зависимость от частоты:

 

. (16)

 

Тогда модуль отраженного импульса без учета потерь:

 

. (17)

 

С учетом потерь:

 

. (18)

 

 

4) Импульс формы Гаусса с большей крутизной:

 

. (19)

 

Его спектральная зависимость от частоты:

 

. (20)

 

Тогда модуль отраженного импульса без учета потерь:

 

. (21)

 

С учетом потерь:

 

. (22)

 

2. Расчет устройства

 

Выберем несколько параметров для дальнейших расчетов:

.

Тогда по формуле (3) вычисляем резонансную частоту:

и значение плазменной частоты (4):

При расчете магнитной проницаемости без учета потерь получаем зависимость , где х - частота, которую берем в диапазоне -2- 2:

 

Рис. 5

 

Получив расчет коэффициента отражения из (5), построим зависимость модуля |Rw0(x)| без потерь:

 

Рис. 6

 

и , с потерями из (6):

 

Рис. 7

 

Рис. 8

 

где - диапазоны частот, т.к. при расчете происходит деление на 0.

Рассмотрим прямоугольный импульс, который описывается выражением (8):

 

Рис. 9

 

Спектральная плотность прямоугольного импульса и отраженный от метаматериала прямоугольный импульс без потерь представлены на рис.10:

 

Рис. 10

 

Зависимость отраженного от метаматериала прямоугольного импульса от частоты с потерями показана на рис.11.

 

Рис. 11

 

 

Рассмотрим импульс в виде разности полиномов Лаггера, который описывается выражением (11):

 

Рис. 12

 

Спектральная плотность импульса в виде разности полиномов Лаггера:

 

Рис. 13

 

Отраженный от метаматериала импульс Лаггера без потерь:

 

Рис. 14

 

Зависимость отраженного от метаматериала импульса Лаггера от частоты с потерями:

 

Рис. 15

 

Рассмотрим импульс формы Гаусса с меньшей крутизной, который описывается выражением (15):

 

Рис. 16

 

Спектральная плотность импульса формы Гаусса с меньшей крутизной имеет вид, представленный на рис.17.

 

 

Рис. 17

 

Отраженный от метаматериала импульс без потерь:

 

Рис. 18

 

Зависимость отраженного от метаматериала импульса от час?/p>