WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

Wydział Elektroniki

LABORATORIUM Z MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH
Grupa: E2
Data wykonania ćwiczenia: 06.12.2013
SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
Temat: Metamateriały

Wstęp teoretyczny:

Metamateriały to sztucznie wytwarzane struktury o ściśle określonych właściwościach elektromagnetycznych, zbudowane z wielu identycznych jednostek tworzących sieci jedno-, dwu- lub trójwymiarowe. Są one strukturami w znacznym stopniu przypominającymi naturalne kryształy, przy czym rolę atomów lub molekuł odgrywają tu owe jednostki – komórki elementarne w postaci miniaturowych obwodów rezonansowych wykonanych z metalu. Obwody te składają się najczęściej z prostych rezonatorów oddziałujących ze zmiennym polem magnetycznym i prostoliniowych przewodników odpowiedzialnych za ich plazmopodobne zachowanie się w zmiennym polu elektrycznym. Makroskopowe właściwości elektromagnetyczne metamateriałów, podobnie jak substancji naturalnych, określone są przez przenikalności elektryczną i magnetyczną, które w ogólności są funkcjami zespolonymi i zależą od częstości pola. Istotną cechą metamateriałów jest to, że ich parametry elektromagnetyczne mogą być dobierane dość swobodnie poprzez zmianę kształtu i wymiarów mikroobwodów. W szczególności możliwe jest wytwarzanie materiałów o ujemnych wartościach współczynnika załamania w określonym zakresie częstości, co ma istotne konsekwencje dla rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych w takich ośrodkach. Działanie tej struktury można opisać przez następującą analogię: zwykłe materiały są zrobione z atomów będących dipolami. Pochłaniając i emitując falę elektromagnetyczną sprawiają, że jej faktyczna prędkość w ośrodku zmienia się o czynnik n (współczynnik załamania). Pierścienie i przewody odgrywają podobną rolę: przewody działają jak ferroelektryczne atomy, pierścienie jak cewki a przerwy w pierścieniach jak kondensatory. Każdy pierścień działa jak obwód rezonansowy, generujący pole magnetyczne prostopadłe do pola magnetycznego fali. Efektem jest ujemna przenikalność magnetyczna i w efekcie ujemny współczynnik załamania.

Tabela pomiarowo-wynikowa:

f [GHz]	U1 [mV]	U2 [mV]	U1/U2 [V/V]	U1/U2 [dB]	f [GHz]	U1 [mV]	U2 [mV]	U1/U2 [V/V]	U1/U2 [dB]
8,00	18,50	0,40	46,25	33,30	10,00	18,80	0,30	62,67	35,94
8,05	13,00	0,70	18,57	25,38	10,05	27,70	0,30	92,33	39,31
8,10	14,50	0,40	36,25	31,19	10,10	27,40	0,30	91,33	39,21
8,15	12,50	0,20	62,50	35,92	10,15	30,00	0,20	150,00	43,52
8,20	11,80	0,30	39,33	31,90	10,20	24,30	0,20	121,50	41,69
8,25	8,20	0,30	27,33	28,73	10,25	26,80	0,30	89,33	39,02
8,30	7,10	0,30	23,67	27,48	10,30	27,00	0,30	90,00	39,08
8,35	6,70	0,30	22,33	26,98	10,35	36,00	5,00	7,20	17,15
8,40	6,60	0,20	33,00	30,37	10,40	37,10	1,30	28,54	29,11
8,45	7,50	0,30	25,00	27,96	10,45	29,40	1,70	17,29	24,76
8,50	8,20	0,30	27,33	28,73	10,50	29,60	1,10	26,91	28,60
8,55	7,10	0,40	17,75	24,98	10,55	32,00	0,90	35,56	31,02
8,60	6,60	0,50	13,20	22,41	10,60	34,40	0,60	57,33	35,17
8,65	7,40	0,30	24,67	27,84	10,65	24,80	0,60	41,33	32,33
8,70	13,20	0,50	26,40	28,43	10,70	24,60	0,40	61,50	35,78
8,75	14,20	0,70	20,29	26,14	10,75	26,00	0,30	86,67	38,76
8,80	11,70	0,80	14,63	23,30	10,80	17,70	0,30	59,00	35,42
8,85	15,10	1,00	15,10	23,58	10,85	15,00	0,30	50,00	33,98
8,90	21,00	0,80	26,25	28,38	10,90	16,40	0,60	27,33	28,73
8,95	20,10	0,50	40,20	32,08	10,95	17,80	1,10	16,18	24,18
9,00	18,00	0,30	60,00	35,56	11,00	14,60	0,60	24,33	27,72
9,05	16,90	0,50	33,80	30,58	11,05	12,40	0,30	41,33	32,33
9,10	22,30	1,10	20,27	26,14	11,10	13,50	0,30	45,00	33,06
9,15	26,50	0,70	37,86	31,56	11,15	14,10	0,30	47,00	33,44
9,20	30,60	0,50	61,20	35,74	11,20	15,00	0,40	37,50	31,48
9,25	24,50	0,90	27,22	28,70	11,25	13,40	0,30	44,67	33,00
9,30	21,50	0,70	30,71	29,75	11,30	12,00	0,30	40,00	32,04
9,35	18,00	1,20	15,00	23,52	11,35	11,70	0,40	29,25	29,32
9,40	27,30	1,30	21,00	26,44	11,40	11,50	0,40	28,75	29,17
9,45	30,30	0,80	37,88	31,57	11,45	11,70	0,30	39,00	31,82
9,50	24,50	0,40	61,25	35,74	11,50	10,10	0,30	33,67	30,54
9,55	25,60	0,30	85,33	38,62	11,55	8,50	0,30	28,33	29,05
9,60	30,10	0,30	100,33	40,03	11,60	8,30	0,30	27,67	28,84
9,65	27,00	0,30	90,00	39,08	11,65	8,00	0,30	26,67	28,52
9,70	24,50	0,30	81,67	38,24	11,70	7,70	0,30	25,67	28,19
9,75	21,50	0,30	71,67	37,11	11,75	7,50	0,30	25,00	27,96
9,80	19,30	0,40	48,25	33,67	11,80	7,20	0,30	24,00	27,60
9,85	26,00	1,00	26,00	28,30	11,85	6,70	0,30	22,33	26,98
9,90	32,00	1,10	29,09	29,28	11,90	6,40	0,20	32,00	30,10
9,95	22,30	0,50	44,60	32,99	11,95	6,20	0,20	31,00	29,83
10,00	18,80	0,30	62,67	35,94	12,00	6,00	0,20	30,00	29,54

Przykładowe obliczenia:

$$\frac{U_{1}}{U_{2}} = \ \frac{18,50}{0,40} = \ 46,25\ \frac{V}{V}$$

$$\frac{U_{1}}{U_{2}}\left\lbrack \text{dB} \right\rbrack = 20\log\left( \frac{U_{1}}{U_{2}} \right) = \ 33,30\ dB$$

Schemat blokowy układu:

Wnioski:

Z przeprowadzonego badania wynika, że metamateriał ma właściwości energochłonne.

Układ bez materiału między anteną odbiorczą, a nadawczą wskazał na woltomierzu maksymalną wartość 37,10 mV,

minimalną 6 mV, natomiast z materiałem było to odpowiednio 5 mV i 0,2 mV.

Największą wartość U1/U2 [dB] osiągnięto przy częstotliwości 10,15 GHz i wyniosła ona 43,52 dB.

W zakresie częstotliwości ok 9,5 - 10,5 GHz metamateriał wykazuje największe tłumienie.