Numerické modelování periodických struktur

Abstract

Práce se zabývá zkoumáním dynamického elektromagnetického pole na periodických strukturách. Pozornost je zaměřena na tři hlavní typy rezonančních struktur, podle možnosti jejich využití. Prvním typem jsou materiály realizující záporný index lomu dopadajícího elektromagnetického vlnění. Druhým typem jsou struktury s postupnou změnou impedance, využitelné jako bezodrazové povrchy. Třetím typem jsou periodické struktury, které jsou schopné vhodným způsobem tvarovat rozložení elektromagnetického pole a umožňují realizaci magnetoinduktivní čočky pro nukleární magnetickou rezonanci. Analýza vlastností periodických rezonančních struktur byla provedena především pomocí numerických modelů využívajících metody konečných prvků v kombinaci s odvozením analytických vztahů a experimentálním měření nezářivé složky elektromagnetického pole. Práce obsahuje fyzikální popis základních elementů periodických rezonančních struktur. Fyzikální vlastnosti elementů byly detailně zkoumány pomocí numerické analýzy. V průběhu řešení disertační práce byla na základě dat získaných numerickou analýzou a experimentálním měřením navržena úprava nejpoužívanějších rezonančních struktur s cílem dosažení požadovaných vlastností. Dále bylo navrženo několik nových typů rezonančních elementů, rezonančních struktur a realizačních postupů. Ověření správnosti výsledků numerických analýz a fyzikálních vlastností realizovaných vzorků rezonančních struktur bylo provedeno pomocí navržené a realizované metody měření nezářivé složky elektromagnetického pole.

The thesis discusses the dynamic electromagnetic field on periodic structures. The author focuses on three principal types of resonant structures, considering their application possibilities. In general, these types can be individually defined as follows: materials exhibiting a negative refractive index of the incident electromagnetic wave; structures with gradual changes in impedance, characterised by their usability as reflectionless surfaces; and periodic structures able to conveniently shape the magnetic field distribution. Materials of the third group within the above-shown short list facilitate the fabrication of magnetoinductive lenses for nuclear magnetic resonance. The presented analysis of the properties of periodic resonant structures is mainly based on numerical models utilising the finite element method, and this approach is combined with both the derivation of the corresponding analytical relations and an experimental measurement of the non-radiating component of the electromagnetic field. The thesis includes a physical description of the basic elements of periodic resonant structures. Physical properties of the elements were examined in detail via numerical analysis. In the course of the research, the data acquired through this analysis and the related experimental measurement enabled the author to propose a method for optimising the most widely used resonant structures. Moreover, several new versions of resonant elements, structures, and fabrication techniques were also designed. The results obtained from the numerical analyses carried out to examine the central physical properties of the fabricated structure samples were all verified via the designed method for measuring the non-radiating component of the magnetic field.