انتخاب صفحه

مقدمه :
متامتریال های الکترومغناطیسی (MTMs) به صورت ساختارهای الکترومغناطیسی همگن موثر با خواص غیر معمول که در طبیعت یافت نمی شوند، تعریف می شوند. یک ساختار همگن موثر ساختاری است که اندازه متوسط سلول ساختمانی P خیلی کوچکتر از طول موج هدایتی است. موضوع MTM از سال 1967 با ارائه یک مقاله غیر قابل باور در آن زمان با عنوان” وجود مواد با ε و μ همزمان منفی “، توسط Viktor Veselago فیزکدان روسی مطرح شد. Veselago در این مقاله بیان کرده است که انتشار امواج الکترومغناطیسی در این مواد، با میدان الکتریکی و مغناطیسی و بردار ثابت فاز به صورت سه گانه چپگرد است که برخلاف مواد متعارف که به صورت سه گانه راستگرد می باشند، است. این ساختار ها کاربرهای زیادی در حوزه الکترومغناطیس به ویژه آنتن و موجبر ها پیدا کرده اند، که ویژگی های جالبی را نتیجه می دهند.

طراحی و ساخت ساختارهای متامتریال یک بعدی و دو بعدی برای جهتی کردن تشعشع آنتن میکرواستریپ

طراحی و ساخت ساختارهای متامتریال یک بعدی و دو بعدی برای جهتی کردن تشعشع آنتن
میکرواستریپ

فهرست مطالب
چکیده …………………………………………………………………………………………………………………………………….. 1

مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 2

فصل اول کلیات ……………………………………………………………….. 3

1- 1) هدف ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 4

در این فایل ساختارهای جدید که در حوزه الکترومغناطیس و مایکروویو، با عنوان متامتریال ظهور کرده اند را معرفی کرده و ویژگی ها و مفاهیم بنیادی آنها را با استفاده از معادلات ماکسول و تئوری خط انتقال بیان می کنیم. ساختار های متامتریال، کاربردهای جدید در حوزه الکترومغناطیس و مایکروویو به خصوص آنتن و انتشار موج را معرفی می کنند که چند نمونه از این کاربرها معرفی شده است.
1- 2) پیشینه تحقیق ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 4
1- 3) روش تحقیق و نمای کلی سمینار ……………………………………………………………………………………………………………. 4

در این تحقیق از روش جمع آوری و مطالعه مقاله ها و کتاب های منتشر شده درباره ساختار های متامتریال برای فراهم کردن دانش اولیه برای کارهای آتی در حوزه متامتریال استفاده شده است. سمینار شامل هفت فصل است که هر فصل به طور خلاصه عبارت است از:

فصل اول: شامل اهداف، پیشینه و روش کار است.

فصل دوم: معرفی ساختار های متامتریال و ساختارهای اولیه.

فصل سوم: بیان خاصیت چپگردی برای ساختار های متامتریال با استفاده از معادلات ماکسول.

فصل چهارم: شامل تئوری خط انتقال ساختارهای متامتریال.

فصل پنجم: شامل متاتریال با ضریب شکست منفی.

فصل ششم: شامل کاربرد های ساختار های متامتریال در حوزه آنتن و انتشار امواج.

فصل هفتم: شامل نتایج و پیشنهادات است.

طراحی و ساخت ساختارهای متامتریال یک بعدی و دو بعدی برای جهتی کردن تشعشع آنتن میکرواستریپ

طراحی و ساخت ساختارهای متامتریال یک بعدی و دو بعدی برای جهتی کردن تشعشع آنتن
میکرواستریپ

فصل دوم: معرفی ساختار های متامتریال ……………………………………. 5

2- 1- معرفی ساختارهای Metamaterail ……………………………ا…………………………………………………………………… 6

متامتریال های الکترومغناطیسی (MTMs)  به صورت ساختارهای الکترومغناطیسی همگن موثربا خواص غیر معمول که در طبیعت یافت نمی شوند، تعریف می شوند. یک ساختار همگن موثر ساختاری است که اندازه متوسط سلول ساختمانی P خیلی کوچکتر از طول موج هدایتی3 است. بنابراین اندازه متوسط سلول باید حداقل کوچکتر از یک چهارم طول موج باشد
2- 2- تفکر و تعمق تئوری بوسیله Viktor Veselago ………….ا…………………………………………………………………………. 7
2- 3- اصطلاحات ……………………………………………………………………………………………………………………………. 8
3- 4- نمایش تجربی ساختارهای LH …………………………………………………………….ا…………………………………………… 8

فصل سوم:معادلات ماکسول و شرایط مرزی برای ساختار های چپگرد ………………… 13

3- 1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………. 14

دراین فصل، معادلات ماکسول برای امواج الکترومغناطسی چپگرد بیان شده و شرایط وجود محیط چپگرد بیان شده است که شرایط آنتروپی نامیده می شود. این برای محیط های چپگرد که باید پراکنده ساز باشند، استخراج شده است. سپس با استفاده از این معادلات، شرایط مرزی برای فصل مشترک بین دو محیط چپگرد و راستگرد بدست آمده است.
3- 2- معادلات ماکسول برای مواد چپگرد ………………………………………………………………………………………….. 14
3- 3- شرایط آنتروپی در محیط های پراکنده ساز ……………………………………………………………………………………. 18
3- 4- شرایط مرزی ………………………………………………………………………………………………………………. . 21
3- 5- اثر داپلر وارونه ……………………………………………………………………………………………………………… 22

فصل چهارم:تئوری خط انتقال ساختارهای متامتریال …………………. 2

شرایط مرزی در ناحیه فصل مشترک

شرایط مرزی در ناحیه فصل مشترک

4- 1- مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………… 25

به خاطر اینکه MTMها ساختارهای به طور همگن موثر هستند آنها می توانند با خطوط انتقال یک بعدی  مدلسازی نمود. مدل خط انتقال MTMها  به صورتCRLH  که اساس وساختمان برای بیشتر کاربردها می باشد، نشان داده می شود. در این فصل مفاهیم اصلی مربوط به خط انتقال  CRLH بیان می شود. و ضریب شکست و نفوذ پذیری الکتریکی ومغناطیسی، خط انتقال CRLH را بدست آورده و شرایط منفی شدن آنها را بررسی می کنیم. در انتها خطوط انتقال CRLH متعادل و نامتعادل را معرفی کرده و مزایا و معایب هر کدام را مطرح می کنیم.

4- 2- خط انتقال CRLH همگن ایده آل ……………………………………………………………………………………………. 25
4- 3- پارامتر های ساختمانی MTM معادل ………………………………………………………………………………………… 31
4- 4- رزونانس های متعادل ونامتعادل ……………………………………………………………………………………………… 34

فصل پنجم: ضریب شکست ساختار های متامتریال ……………………… 38

5- 1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………….. 39

مدل خط انتقال بدون تلفات

مدل خط انتقال بدون تلفات

5- 2- ضریب شکست ساختار های متامتریال ……………………………………………………………………………………. 39

فصل ششم: کاربرد های ساختارهای متامتریال ……………………………….. 45

منحنی کلی امپدانس مشخصه خط انتقال

منحنی کلی امپدانس مشخصه خط انتقال

6- 1- مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………………. 46
6- 2- طراحی و ساخت ساختارهای متامتریال یک بعدی و دو بعدی برای جهتی کردن تشعشع آنتن میکرواستریپ …………………………… 46

6- 2-1- معرفی ساختار های متامتریال ………………………………………………………………………………………………… 46
6- 2-2- مدل نفوذپذیری الکتریکی موثر از تئوری خط انتقال ………………………………………………………………………….. 46
6- 2-3- طراحی و آزمایش …………………………………………………………………………………………………………….. 49

در این قسمت مفهوم ساختارهای موج نشتی CRLH  یک بعدی به معماری دو بعدی توسعه داده شده است. این یک توسعه سرراست نیست، چنانچه یک سطح تار و پودی فلزی دو بعدی، همیشه یک مد TM  غیر تشعشی ارائه می نماید، اما تاثیرات CRLH در باند های فرکانسی بالاتر می تواند بدست آید (در مدهای دوم وسوم ). مبنی بر این قاعده کلی، یک آنتن دو بعدی بیم مخروطی تحریک از مرکز در شکل 6- 15 نشان داده شده است. در این آنتن، از ساختار قارچی Sievenpiper استفاده شده است که با خازن C سری اصلاح شده برای چپگردی و پارامترهای طراحی کنترل شده خوب، که اثر CRLH را نتیجه دهد، دوباره بازسازی شده است که در شکل6-15 نشان داده شده است. توالی وپیشرفت زاویه مخروطی از انتها به پهلو در رنج های LH و پهلو به انتها در رنج های RH، سازگار با پراکندگی CRLH به دست آمده است به جزء اینکه آن برای مد های  دوم (LH) و سوم  (RH) استفاده می شود. با تحریک ساختار از یک گوشه ( یک گوشه به خاطر توانایی اسکن 180 درجه کافی است)، یک بیم مدادی1 می تواند برای اسکن هر نقطه از فضا  (θ,φ) به دست آید. آنالیز آنتن حاصله می تواند به طور قابل ملاحظه با در نظر گرفتن ساختار به صورت یک آرایه فازی تغذیه سری با یک اندازه پروفیل که از فاکتور نشتی α بدست می آید، ساده می شود. پترن های تشعشعی برای رنج های LH و RH در شکل 6- 16 نشان داده شده است[33].

6- 2-4- MTM متناوب دو بعدی شامل نوارهای فلزی …………………………………………………………………….. 51
6- 3-پدیده نشت از ساختارهای NRI و آنتن های موج نشتی …………………………………………………………………… 54
6- 3-1- آنتن های یک بعدی ……………………………………………………………………………………………………. 55
6- 3-2- آنتن های دو بعدی …………………………………………………………………………………………………… 57
6- 4- مد های انتشار موجبر صفحه موازی زمین شده در محیط های DNG وDPS …………………………ا……………….. 58

6- 4-1- معادلات مشخصه و مشخصات انتشار یک ساختار هدایتی ورقه ای زمین شده ………………………………………… 59

6- 4-2- نتایج عددی و بحث ها ………………………………………………………………………………………………. 63

6- 4-2-1- مدهای TMm غیرمتقارن ………………………………………………………………………………………. 63
6- 4-2-2- مد های TEm متقارن…………………………………………………………………………………………… 66

منحنی های پراکندگی موجبر های ورقه ای DNG و DPS زمین شده برای مدهای TEm متقارن در   شکل های 6-26 و 6-27 نشان داده شده است.

برای مدهای TE چنانچه در جدول 6-4 نشان داده شده است، مشخصه های پراکندگی به طور اساسی توسط نفوذپذیری مغناطیسی تحت تاثیر قرار می گیرند . برخلاف مد TM، مد TE اصلی (مد1TE) موجبر ورقه ای زمین شده یک فرکانس قطع دارد از این رو نمی تواند پایین فرکانس قطع نرمالیزه شده انتشار یابد. اگر ورقه های DPS با ورقه هایDNG   جایگزین شود، مد TE1 می تواند بالای ناحیه فرکانس قطع انتشار یابد یعنی 0<k0h<0.91 که در شکل 6-27 نشان داده شده است.

در حالیکه مدهای 1TM غیر متقارن با  1εr1||  چنانچه در شکل 6-25 مشاهده می شود جلوگیری  می شوند هیچ یک ازمد های 1TE متقارن جلوگیری نمی شوند. اگر مقدار مطلق نفوذپذیری مغناطیسی نسبی بزرگتر از واحد 1(≥μr1||) باشد  تنها امواج وارونه وجود دارد و همچنین موجبر ورقه ای DNG با 1μr1|| مد 1TE مقادیر بالای ثابت انتشار نرمالیزه را، حتی در ورقه های خیلی نازک می تواند پشتیبانی کند. اگر 1μr1|| مد TE1، مدهای SP جلورونده دارد که این نمی تواند در موجبرهای ورقه DPS زمین شده متعارف بدست آید. این مد SP بسیار مطلوبتر از مد OS از نظر افزایش محدودیت توان و یک ناحیه کاری پهن صاف می باشد. مشاهده می شود که مشخصات پراکندگی 1μr1|| و 1μr1|| کاملا متفاوت می باشند. در شکل 6-26 برای حالت های  DPS مدها با نفوذپذیری نسبی مغناطیسی و ثابت های انتشار نرمالیزه بالاتر مشابه حالت مد TMm غیرمتقارن می باشد. فرکانس قطع هر مد مرتبه بالاتر نسبت به تغییرات پارامترهای ماده ثابت می باشد. برای جزئیات بیشتر مدهای 3TE و 5TE برای حالت های DNG فرکانس های قطع مشابه دارند.

منحنی-های-پراگندگی-برای-مدTE-با-موجبر-ورقه

منحنی های پراکندگی برای TE با موجبر ورقه

مد مرتبه بالاتر برای حالت های DNG یک حل مد SP نمی توانند داشته باشند و همیشه امواج جلورونده و وارونه در ناحیه OS دارند. همچنین یک ثابت انتشار نرمالیزه بالاتر، برای یک نفوذپذیری مغناطیسی نسبی  بزرگتر دارد. رنج طیفی برای همزیستی امواج جلورونده و وارونه چنانچه نفوذپذیری مغناطیسی کاهش یابد، کم می شود[35].

فصل هفتم: نتیجه گیری و پیشنهادات ………………………………. 68

1- 7- نتیجه گیری ………………………………………………………………………………………………………………. 69

در این سمینار ساختار های متامتریال معرفی و مفاهیم اساسی و بنیادی آن با استفاده از معادلات ماکسول و تئوری خط انتقال تشریح شد و چند کاربرد در حوزه آنتن و انتشار امواج بررسی شد. از این سمینار نتیجه می شود که ساختار های متامتریال باعث ایجاد خصوصیات و رفتار های جالب و جدیدی در حوزه الکترومغناطیس و مایکروویو می شود. به خصوص خاصیت ضریب شکست منفی یا نزدیک صفر این ساختار ها کاربرده و نتایج جالبی در حوزه آنتن وانتشار امواج در موجبر ها شده است.

2- 7- پیشنهادات ………………………………………………………………………………………………………………… 69

از نتایج حاصل شده از سمینار می توان در کاربردهای زیادی در حوزه الکترومغناطیس و مایکروویو استفاده کرد، که چند نمونه در زیر آمده است:

  • استفاده از این ساختار ها در انواع آنتها مانند میکرواستریپ و موجبری و بهبود مشخصات تشعشعی آنها
  • استفاده در موجبر ها به منظور بررسی انتشار های مدهای گوناگون نسبت به فرکانس قطع
  • استفاده از این ساختارها در مدارات مایکروویوی
  • ایجاد ساختار ها با ضرایب نفوذپذیری الکتریکی یا مغناطیسی منفی
  • استفاده از این ساختار در میکرو لنزها

فهرست مراجع لاتین …………………………………………………………………………………………………………… 70

چکیده انگلیسی…………………………………………………………………………………………………………………..74

فهرست شکل ها

شکل 2- 1 چهار حالت برای ε وµ …………………………………………….ا…………………………………………………. 7

شکل 2- 2 ساختار برای حالت پلاسمونیک µ منفی …………………………………………………………………………………. 9

شکل 2- 3 ساختار برای حالت پلاسمونیکε منفی …………………………………………………………………………………….. 9

شکل 2- 4 پیکربندی SRR تکی و دوگانه …………………………………………………………………………………………. 10

شکل 2- 5 مدل های عملی اولیه ساختار های MTM ……..ا…………………………………………………………………….. 11

شکل 2- 6 مدل مداری برای یک خط انتقال یکنواخت …………………………………………………………………………….. 12

شکل 2- 7 ساختارهای 1D و 2D متامتریال با استفاده از تکنولوژی میکرواستریپ ……………………………………………… 12
شکل 3- 1 بردار سه گانه………………………………………………………………………………………… 15
شکل 3- 2 سه گانه چپگرد.. ……………………………………………………………………………………………………16
شکل 3- 3 حجم مورد استفاده در تئوری پوینتینگ ……………………………………………………………………………….17
شکل 3- 4 شرایط مرزی در فصل مشترک دو محیط.……………………………………………………………………. 21
شکل 3- 5 منبع S با تشعشع همه جهته موج الکترومغناطیسی..……………………………………………………………. 22

شکل 4 – 1 خط انتقال همگن …………………………………………………………………………………………………… 25

شکل 4 – 2 مدل خط انتقال بدون اتلاف CRLH ………………………….ا…………………………………………………….. 26

شکل 4 – 3 منحنی های تضعیف و پراکندگی برای انتشار انرژی در جهات مثبت ومنفی z ……………………….ا……………. 28

شکل 4 – 4 مقایسه تضعیف و پراکندگی خط CRLH با خطوط LH و RH …ا…………………………………………………. 28

شکل 4 – 5 منحنی کلی امپدانس مشخصه خط انتقال CRLH ……ا……………………………………………………………… 30

شکل 4 – 6 سرعت فاز وگروه خطوط انتقال PLH (a) و CRLH (b) …ا…………………………………………………….. 31

شکل 4 – 7 ساختار موجبری صفحه موازی …………………………………………………………………………………….. 32

شکل 4 – 8 پارامتر های ساختمانی خط انتقال CRLH ..ا………………………………………………………………………. 33

شکل 4 – 9 ضریب شکست خط انتقال CRLH …….ا…………………………………………………………………………. 33
شکل 4 – 10 مدل مداری خط انتقال CRLH متعادل …………………………………………………………………………. 35

شکل 4 – 11 ثابت انتشار خط انتقال متعادل ……………………………………………………………………………………. 36

شکل 4 – 12 امپدانس مشخصه خط انتقال متعادل ……………………………………………………………………………… 36

شکل 4 – 13 پارامترهای ساختمانی خط انتقال متعادل …………………………………………………………………………. 37

شکل 4 – 14 ضریب شکست خط انتقال متعادل ……………………………………………………………………………….. 37

شکل 4 – 15 سرعت فاز گروه خط انتقال متعادل ……………………………………………………………………………… 37

شکل5- 1 تصویر FE‐SEM از نمونه ساخته شده.……………………………………….…………………………40

شکل5- 2 طیف تجربی و بهیه سازی شده برای پلاریزاسیون های اولیه…………………………………….………………41

شکل5- 3 طیف تجربی و بهیه سازی شده برای پلاریزاسیون های اولیه.……………………………………….……………41

شکل5- 4 ضریب شکست برای پیاریزاسیون اولیه.………………………………………………….…………………42

شکل5- 5 قسمت حقیقی ε وμ برای پلاریزاسیون اولیه..……………………………………………….…………………42

شکل5- 6 ضریب شکست موثر برای پلاریزاسیون ثانویه..……………………………………..…………………………43

شکل5- 7 قسمت حقیقی نفوذپذیری الکتریکی ومغناطیسی را برای پلاریزاسیون ثانویه.………………………………….…………43

شکل 6- 1 متامتریال شامل آرایه ای فلزی از استوانه ها.…………………………………………………….…………… 47

شکل 6- 2 توزیع میدان های الکتریکی و مغناطیسی برای موجبر با صفحات موازی.………….…………………………………47

شکل 6- 3 مدار معادل آرایه سیم نازک……………………………………………….…….…………………………48

شکل 6- 4 آنتن منوپل با پوشش ساختار های متامتریال..……………….……………………………………………………50

شکل 6- 5 منحنی VSWR برای آنتن میکرواستریپ با و بدون متامتریال.…………….……………………….………………50

شکل 6- 6 پترن های تشعشعی برای گین با و بدون حضور متامتریال.…………………….………………..…………………51

شکل 6- 7 آنتن میکرواستریپ با پچ مستطیلی با و بدون پوشش متامتریال………………………………………………………………52

شکل 6- 8 VSWR اندازه گیری شده آنتن پچ MTM و آنتن پچ متعارف…………….………………………………..………52

شکل 6- 9 پترن تشعشعی آنتن میکرواستریپ در صفحات x‐z و ……………………………………ا……………………….53
.شکل 6- 10 مدل نشتی ساختار.CRLH ..ا…………………………………………………………………………………………54
شکل 6- 11 CRLH یک بعدی موج نشتی.……………………………………………….…………..…………………55

شکل 6- 12 منحنی های تضعیف و پراگندگی.…………………………………………..………………..………………55

شکل 6- 13 نمونه ساخته شده آنتن با ورکتور توزیع شده.……………………………………………………….……………56

شکل 6- 14 پترن تشعشعی نمونه ساخته شده آنتن با ورکتور توزیع شده……………..………………………………..…………56

شکل 6- 15 ساختار قارچی Sievenpiper………….………….………………………………………ا………..…….57
شکل 6- 16 پترن های تشعشعی برا رنج هایRH و LH ……………..………………………ا……………….….………..58
شکل 6- 17 موجبر ورقه ای با یک هادی الکتریکی کامل……………………….…….………………………….……………59

شکل 6- 18 نواحی مجاز برای هر دو مد عملیاتی بر حسب ثابت انتشار نرمالیزه شده.……………………………………..……….60

شکل 6-19 توزیع میدان الکتریکی جانبی مدOS………ا…………..……………………………………….……………….61

شکل 6-20 توزیع میدان الکتریکی جانبی مد SP..…………ا……………………………………………….……..…………61

شکل 6- 21 طرح بردارهای پویینتینگ نزدیک فصل مشترک میان ورقه و فضای آزاد..………………………………………….…… 61

شکل 6-22 سرعت و بردار توان برای حالت NGV…………….…………………………………ا………………………..62
شکل 6- 23 سرعت و بردار توان برای حالت NPV…..ا………………………………………………………………………………62
شکل 6-24 منحنی های پراگندگی برای مد TM با موجبر ورقه DPS…………………….…ا……………………….…………64

شکل 6-25 منحنی های پراگندگی برای مد TM با موجبر ورقه DNG………………….…………..……ا…………………….64

شکل 6-26 منحنی های پراگندگی برای مد TE با موجبر ورقه DPS…………ا…….…………………….……..…………….66

شکل 6-27 منحنی های پراگندگی برای مد TE با موجبر ورقه DNG…………ا…….………………………………..………..66

فهرست جدول ها

جدول 6- 1 مقایسه پارامترهای آنتن با و بدون متامتریال.…………………………………………………………….……………51

جدول 6- 2 مقایسه پارامترهای آنتن میکرواستریپ با و بدون پوشش متامتریال……….…………………………………………………53

جدول 6- 3 مقادیر پارامتر های نفوذپذیری نسبی الکتریکی و مغناطیسی .…………………………………………………..…………59

جدول 6-4 معادلات مشخصه و توابع مربوط به مدهای TM نامتقارن و TE متقارن در دو مد عملیاتی.60 جدول 6-5 فرکانس های قطع مدهای مرتبه بالاتر برای هر دو حالت DNG و DPS…………………ا……… 65

ABSTRACT

In the recent year, novel structures have introduced in electromagnetic and microwave that have called, Metamaterial. These structure do not existence in nature and are produced artiffically and have appealing futures such as  negative permittivity and permeability index that result negative or near zero refraction coefficient. Metamaterials produce interesting behaviors in reaction with electromagnetic waves. In this thesis, Metamaterial structures and  their fundamental principles and applications are introduced in electromagnetic


مقطع : کارشناسی ارشد


خرید فایل pdf

خرید فایل word