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非辐射天线介绍

2021-08-05 15:38     来源:physics world     原子核

简单系统:用于对非辐射 (NR) 电源原型进行辐射方向图测量的实验装置。

一个国际物理学家团队创造了一个看似矛盾的术语:一个非辐射源的电磁学。通过将天线放置在中空介质盘内,研究人员利用干扰现象创造了一种非辐射“元原子”,该原子可以在多个领域得到应用,包括传感和无线电力传输。

麦克斯韦方程告诉我们,加速电荷以电磁波的形式辐射能量。这个想法导致了许多现代技术的发展,最显着的是各种形式的无线电通信。但是,这也提出了挑战早20个试图解释原子的稳定性世纪物理学家,因为电子被认为是跟随围绕原子核(弯曲)的轨道,并因此连续地输电磁能量。

对这个问题的回应是尼尔斯·玻尔的原子和量子力学的发展——特别是电子只能占据某些离散能级的想法。然而,在量子世界之外,一些物理学家想知道是否有可能创造经典的“元原子”:包含交流电的宏观物体,可以限制它们产生的电磁能,从而防止发射到远场。

没有任何极点的电动力矩

这个想法在 1957 年得到了推动,当时理论物理学家 Yakov Zel'dovich 预测,违反奇偶性对电荷的影响将产生没有任何极点的电矩。这些所谓的对极状态是在 1990 年代后期发现的,当时美国 JILA 中心的研究人员对铯原子的奇偶不守恒进行了测量。从那以后,其他物理学家提出这些对极状态可以帮助解释暗物质如何保持电磁隐藏。

在实际的电动力学术语中,可以通过精确地调整时间和空间中的电荷分布来生成 anapole。这些分布被表示为一系列点状的电和磁多极,其发射在远场中产生破坏性干扰,使电磁能被限制在源周围的小空间内。

产生anapoles的最简单方法是叠加来自电偶极子和环形偶极子的场——后者可以被想象为电流在环面的横截面上流动。在过去的几年里,这已经多次通过实验得到证明,各种研究小组利用纳米制造技术和超材料来观察不同频率的 anapole 状态——从微波到可见光范围。

Anapole 观察

在这项新工作中,圣彼得堡 ITMO 大学的Esmaeel Zanganeh和Polina Kapitanova 与俄罗斯、德国、澳大利亚和中国的同事一起,建立了一个相对简单的系统来观察电和磁的对极状态——这是以前没有实现的。该装置由一个辐射天线组成,该天线放置在一个厚实的空心圆盘内,形状像一卷胶带。圆盘由具有极高介电常数的电介质制成,这使得圆盘可以小于它发射的辐射波长。这个想法是来自天线的电磁波与电介质中感应的电流产生的二次波相消干涉 - 从而产生非辐射源。


近距离比较在非辐射源原型上方 1.5 cm 处测量和模拟近电场分布的垂直分量。场幅度被归一化为它们的最大值。

研究人员首先对他们的系统进行了数值模拟,假设一个25毫米长的铜质电偶极天线发射无线电波,并沿着一个直径为20毫米的电介质盘的厚度放置。改变天线的频率,他们将这一来源的输出与在自由空间运行的同一天线的输出进行了比较。他们发现,在圆盘的谐振频率(375兆赫)下,该系统辐射的功率略高于单独的天线,但在稍高的频率(411兆赫)下,该系统的辐射功率下降到低于裸体天线的七个数量级。

研究人员通过分析计算支持他们的建模,结果表明,天线和圆盘在 411 MHz 处产生相等且相反的辐射场导致功率急剧下降,只留下源内的受限电磁场。他们还做了类似的计算,涉及磁环天线——一种拦截电磁波磁场的天线——代替电偶极子设备。在这里,他们也发现,通过将天线调离其谐振频率,他们可以将辐射(磁)功率降低到接近零,并且比单独使用天线的辐射功率低大约三个数量级。

最后,Zanganeh 及其同事通过实验测试了他们的系统,尽管由于材料和测试设施的困难,是在微波而不是无线电频率。通过在消声室中放置一个包含 18 毫米长天线的 6.4 毫米直径圆盘,并使用喇叭天线接收其远场发射,他们测量了与模拟非常匹配的辐射模式。

研究人员认为,他们的新“元原子”可能有多种实际应用。他们说,特别是,此类设备的辐射输出非常小,再加上其附近的电磁能集中度较大,可以将它们用于传感、射频识别或近场无线电力传输。

该研究发表在《物理评论快报》上。


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