تماس و مشورت با مدرس دوره : 09153516772

چکیده:

در این رساله ما به بررسی و ساخت جاذب می‌پردازیم. همانطور که از اسم جاذب بر می‌آید این ساختارها تمام یا بخشی از موج الکترومغناطیسی را جذب می‌کنند. کاربرد این جاذب‌ها در فیلترهای میان نگذر/میانگذر، خطوط انتقال، پزشکی، اتاق آنتن، آنتن‌ها و کاربردهای نظامی(رادارگریزها) می‌باشد. در کاربردهای نظامی جاذب‌ها در محدوده باند X (12/8 گیگاهرتز) قرار دارد. هدف در این رساله جذب تقریبا کل باند X می‌باشد. در این ساختار از ترکیب سه ساختار برای حذف باند X استفاده می‌کنیم.در ابتدا یک جاذب X شکل ارائه گردید که فرکانس ۹/۷ گیگاهرتز را جذب می‌کند سپس یک جاذب دایروی با قابلیت جذب تقریبا دو فرکانس ۱۰/۴ و ۱۱/۸ گیگاهرتز ارائه گردید سپس یک جاذب نیم حلال با خطوط موازی ارائه شد که فرکانس ۸/۶ گیگاهرتز را جذب کرد در پایان ترکیب این سه ساختار برای جذب تقریبا تمام باند X ارائه گردید. این ساختار برروی زیر لایه FR-4 با ضخامت ۱ میلی‌متر و با تلفات دی‌الکتریک ۰/۰۲ طراحی شده است. در نهایت پس از اتمام مراحل طراحی و شبیه‌سازی ساختار توسط نرم‌افزار HFSS ، نمونه ساخته شده از این جاذب مایکرواستریپی آماده و مورد تست و اندازه‌گیری قرار گرفت که نتایج این آزمایش دارای تطابق قابل قبولی با نتایج حاصل از شبیه‌سازی ساختار بود.

 

فهرست:

 

۱٫فصل اول           ۱

۱-۱مقدمه               ۱

۱-۲اساس معرفی فرامواد   ۳

۱-۳ مواد دست چپی (LH)   ۴

۱-۴ تراکم انرژی وسرعت گروه          ۷

۱-۵ ضریب شکست منفی (NRI)         ۸

۱-۵-۱ شرایط مرزی در الکترومغناطیس             ۹

۱-۶ مقایسه قانون اسنل و نحوه شکست           ۱۲

۱-۶-۱عکس اثر داپلر            ۱۴

۱-۷ تمرکز موج توسط متامترال ¬های دست چپی           ۱۵

۱-۸گذردهی الکتریکی          ۱۵

۱-۹نفوذ پذیری مغناطیسی ۱۶

۲٫فصل دوم           ۱۷

۲-۱ مقدمه              ۱۸

۲-۲ موجبرمستطیلی به عنوان یک پلاسمای یک بعدی ودوبعدی ۲۱

۲-۳ ساخت ضریب نفوذپذیری مغناطیسی منفی              ۲۳

۲-۴مفهوم مواد ترکیبی راست/چپ دست (CRLH)و مدل مداری آن:         ۲۵

۲-۴-۱ آنالیزSRRهای کوپل شده کنارهم         ۲۷

۲-۴-۲ طراحیSRRهای دیگر ۳۱

۲-۴-۳ حلقه های کوپل شده به موازات هم (BC-SRR)    ۳۱

۲-۴-۴ حلقه¬های غیرکایرال               ۳۳

۲-۴-۵ حلقه¬های دوشکافه(۲-SRR)    ۳۴

۲-۴-۶ رزوناتورهای مارپیچی               ۳۵

۲-۵ کاهش ابعاد SRR برای رزونانس در فرکانسهای نوری و فروسرخ           ۳۶

۲-۶ ساخت مواد متامترال دست چپی بااستفاده از SRR 39

۲-۶-۱ متامترالد های تک بعدی دست چپی بااستفاده از SRR       ۳۹

۲-۶-۲ متامترالد¬های دوبعدی وسه¬بعدی دست¬چپی با استفاده از SRR 41

۲-۷ متامترالم های کایرالی ۴۲

۲-۷-۱ متامترالا های Bi-anisotropic 43

۲-۸ ترکیب مواد دست¬چپی وSRR درساختارهای صفحه¬ای        ۴۵

۲-۹ مشخصه¬های¬الکترومغناطیسی CSRR      ۴۷

۲-۱۰ نحوه تست رزوناتورهای حلقوی                ۵۰

۳٫فصل سوم          ۵۱

۳-۱ مقدمه              ۵۲

۳-۲ کاربردهای خط انتقالی   ۵۲

۳-۲-۱ ساختارهای خط انتقال متامتریالی دست چپی      ۵۲

۳-۲-۲ کاربردهای هدایت موجی متامتریال¬های CRLH-TL           ۵۴

۳-۲-۳ تزویج کننده جهتی موج پسرو نامتقارن ۵۵

۳-۲-۴ تشدیدکننده مرتبه صفر و کاربردهای آن در آنتن های کوچک        ۵۶

۳-۳ کاربردهای فیلتری متامتریالها    ۵۶

۳-۴ کاربردهای آنتن           ۵۹

۳-۵ساخت اَبرلنزها               ۶۲

۴٫فصل چهارم        ۶۳

۴-۱ جاذب متامتریالی دو بانده          ۶۴

۴-۲ جاذب سه باندی بسیار باریک راداری با استفاده از متامترال ۶۶

۴-۳ جاذب سه باندی حلقوی شکل با استفاده از متامترالا جهت کاربرد در باند X         ۶۸

۵٫فصل پنجم         ۷۰

۵-۱ مقدمه              ۷۱

۵-۲ طراحی و تئوری             ۷۱

۵-۳ جاذب Xشکل ۷۲

۵-۴ جاذب دایروی شکل با شکاف       ۷۴

۵-۵ جاذب متقارن ۷۵

۵-۶ جاذب ترکیبی               ۷۷

۵-۷ بررسی پارامتریک         ۷۸

۵-۸جریان های سطحی         ۸۰

۵-۹ طراحی جاذب مستقل از پلاریزاسیون        ۸۱

۵-۱۰مبانی نظری خواص جذب موج الکترومغناطیس     ۸۲

۵-۱۱ تانژانت تلفاتی            ۸۴

۵-۱۲زوایای مختلف              ۸۶

۵-۱۳ ساخت و تست جاذب پیشنهادی              ۸۷

۵-۱۴ نتیجه گیری وپیشنهادات          ۹۰

منابع      ۹۱

 

 

 

 

 

 

 

فهرست اشکال

شکل ‏۱ ۱ نمایی از یک فراماده فرضی با ماده دی¬الکتریک میزبان و لایه¬های فلزی میهمان ۴

شکل ‏۱ ۲تقسیم¬بندی مواد با علامت قسمت¬حقیقی µ و ɛ         ۵

شکل ‏۱ ۳ جهت انتشار موج(k) و جهت انرژی(S) در محیط¬های دست¬راستی(سمت¬راست) ودست¬چپی(سمت¬چپ)   ۶

شکل ‏۱ ۴ حالت¬های مختلف انتشار موج در برخورد با مرز بین دو محیط     ۹

شکل ‏۱ ۵ مولفه¬های مرزی ومماسی E و H در مرز یک محیط دست¬راستی با یک محیط دست¬چپی    ۱۱

شکل ‏۱ ۶ نحوه شکست موج در ورود از یک محیط دست¬راستی به یک محیط دست¬چپی        ۱۱

شکل ‏۱ ۷ مقایسه شکست دست¬راستی و دست¬چپی  ۱۲

شکل ‏۱ ۸ شکست موج در مرز دو محیط دست¬راستی     ۱۳

شکل ‏۱ ۹مقایسه شکست موج در مرز دو محیط دست¬راستی با یک محیط دست¬راستی با یک محیط دستچپی     ۱۴

شکل ‏۱ ۱۰اثر داپلر الف-حالت عادی در محیط¬های RH ب-حالت معکوس در محیط¬های .LH                ۱۵

شکل ‏۱ ۱۱ لنز تخت             ۱۵

شکل ‏۲ ۱ ساختار پیشنهادی پندری برای ایجاد الف) ۰>εو ب) ۰>μ            ۱۸

شکل ‏۲ ۲ اولین ساختارهای مواد LHساخته شده توسط اسمیت    ۱۹

شکل ‏۲ ۳ مدل مداری معادل برای حلقه هایSRR(الف)دو حلقهSRR(ب)تک حلقهSRR             ۲۰

شکل ‏۲ ۴ تحقق پلاسمای¬الکتریکی،(الف)پلاسمای¬تک¬بعدی،(ب)پلاسمای¬دوبعدی،(پ)پلاسمای-سه¬بعدی             ۲۲

شکل ‏۲ ۵ شبیه¬سازی رسانه¬سیم¬پریودیک(بالا)،معادل¬خط¬انتقالی(پایین)       ۲۳

شکل ‏۲ ۶ یک ساختار پیشنهادی برای تولید مواد دست چپی       ۲۵

شکل ‏۲ ۷ مدل مداری برای موادCRLH             ۲۶

شکل ‏۲ ۸ نمودار پراکندگی موادCRLH              ۲۷

شکل ‏۲ ۹ ساختارSRRهای کوپل¬شده کنارهم ۲۷

شکل ‏۲ ۱۰ ساختارحلقه¬هایSRR (الف)، مدارمعادل(ب)،نمودارجریان¬حلقه¬ها(پ)،نمودار   ۲۸

شکل ‏۲ ۱۱ جهت¬گیری¬های مختلف قرارگرفتن حلقه¬های متامتریالی داخل موجبر برای اندازه¬گیری فرکانس¬نوسان)            ۳۱

شکل ‏۲ ۱۲ ساختارحلقه¬های کوپل¬شده به موازات هم(BC-SRR)              ۳۲

شکل ‏۲ ۱۳ نمودار فرکانس رزونانس برحسب فاصله بین حلقه¬داخلی وخارجی در EC-SRR     ۳۳

شکل ‏۲ ۱۴ ساختار متامتریال NB-SRR             ۳۴

شکل ‏۲ ۱۵ ساختار ومدارمعادل متامتریال۲-SRR          ۳۴

شکل ‏۲ ۱۶ ساختار دو SRR همسانگرد سه بعدی.              ۳۵

شکل ‏۲ ۱۷ ساختار۲-SR .     ۳۶

شکل ‏۲ ۱۸ ساختارSRRسه دوری.       ۳۶

شکل ‏۲ ۱۹ ساختارحلقه تک فلز           ۳۷

شکل ‏۲ ۲۰ ساختار اولیه یک متامتریال دست¬چپی      ۴۰

شکل ‏۲ ۲۱ نمودار توان اندازهگیری شده         ۴۰

شکل ‏۲ ۲۲ متامتریال دست¬چپی با صفحه موازی به جای سیم¬ها             ۴۰

شکل ‏۲ ۲۳ نمودارS12 متامتریال شکل ۲-۱۴ ۴۱

شکل ‏۲ ۲۴ مقایسه اثر قرارگرفتن حلقه¬های SRR در داخل دو موجبر با دهانه غیرهم اندازه در نتیجه فرکانس قطع متفاوت               ۴۱

شکل ‏۲ ۲۵ ساختار متامتریال تک¬بعدی(سمت چپ)،متامتریال دوبعدی(سمت راست)        ۴۱

شکل ‏۲ ۲۶ متامتریال دست چپی با حلقه¬های BC-SRR و صفحات موازی فلزی        ۴۲

شکل ‏۲ ۲۷ مدارمعادل خط انتقال دست¬راستی(ب)،خط انتقال دست¬چپی(الف)    ۴۵

شکل ‏۲ ۲۸ نمودار ثابت فاز دست¬راستی         ۴۷

شکل ‏۲ ۲۹ ساختار ومدار معادل SRR و CSRR 48

شکل ‏۲ ۳۰ نحوه توزیع میدان¬های الکتریکی ومیدان¬های مغناطیسی برای SRR(سمت چپ)،CSRR(سمت راست)          ۴۸

شکل ‏۲ ۳۱ نحوه توزیع میدان¬های الکتریکی ومیدان¬های مغناطیسی برایSRR و CSRR درحضور دی¬الکتریک              ۴۹

شکل ‏۲ ۳۲ مدارمعادل چند نوع SRR ومدارمعادل دوگان آنها      ۴۹

شکل ‏۲ ۳۳ نمودار فرکانس نوسانCSRR برحسب ضخامت دی¬الکتریک     ۴۹

شکل ‏۲ ۳۴ نمودار فرکانس نوسان CSRR برحسب ضریب دی¬الکتریک      ۵۰

شکل ‏۲ ۳۵ نحوه تست رزونانس SRR در موجبر               ۵۰

شکل ‏۲ ۳۶ نحوه تست رزونانس CSRR درموجبر             ۵۰

شکل ‏۳ ۱ خط انتقالCRLH مبتنی بر سلول واحد.LC      ۵۳

شکل ‏۳ ۲ منحنی پاشندگی خط انتقال CRLH مبتنی بر سلول واحد LC در حالت¬های متعادل و نامتعادل.        ۵۳

شکل ‏۳ ۳ الف- سلول واحد CRLH-TL یک بعدی. ب- ساختار CRLH قارچی شکل دوبعدی.    ۵۴

شکل ‏۳ ۴ تزویج کننده خط شاخ¬های دو بانده و پارامترهای پراکندگی آن.               ۵۵

شکل ‏۳ ۵ تزویج کننده جهتی موج پسرو نامتقارن.          ۵۵

شکل ‏۳ ۶ ساختار یک تشدیدکننده مرتبه صفر. ۵۶

شکل ‏۳ ۷ الف- آنتن مایکرواستریپ معمولی. ب- آنتن .ZOR   ۵۶

شکل ‏۳ ۸ ساختار متامتریال بهینه شده برای افزایش پهنای باند فیلتر       ۵۷

شکل ‏۳ ۹ نمودارS11 و S21 برای ساختار شکل ۳-۵        ۵۷

شکل ‏۳ ۱۰ مقایسه اندازه خط انتقالEBG با فیلترمتامتریالی(a)،ساختار فیلترمتامتریالی بهینه شده برای افزایش پهنای باند           ۵۷

شکل ‏۳ ۱۱ نمودارS11 و S21 برای خط انتقالEBG و فیلترمتامتریالی بهینه شده       ۵۸

شکل ‏۳ ۱۲ ساختار فیلترمتامتریالی با CSRR روی زمین خط انتقال(الف)،پارامترهای پراکندگی(ب)     ۵۸

شکل ‏۳ ۱۳ ساختار فیلترمتامتریالی با CSRR روی خط تغذیه(الف)،پارامترهای پراکندگی(ب) ۵۹

شکل ‏۳ ۱۴ آنتن موج نشتی               ۶۰

شکل ‏۳ ۱۵ مقایسه زاویهθ برای تشعشع دست¬راستی(RH)و تشعشع دست¬چپی(LH)         ۶۰

شکل ‏۳ ۱۶ تشعشع موج پیشرو          ۶۱

شکل ‏۳ ۱۷ تشعشع موج پسرو-end fire           ۶۱

شکل ‏۳ ۱۸ تمرکز امواج انتشاری توسط لنزهای معمولی ۶۲

شکل ‏۳ ۱۹ یک سوپرلنز نوری.           ۶۳

شکل ‏۴ ۱ جاذب دو بانده     ۶۴

شکل ‏۴ ۲ نتایج شبیه سازی مقدار جذب و انعکاس          ۶۵

شکل ‏۴ ۳ نتایج اندازه گیری شده مقدار جذب و انعکاس                ۶۶

شکل ‏۴ ۴ ساختار جاذب سه بانده       ۶۷

شکل ‏۴ ۵ جذب در ساختار فوق          ۶۷

شکل ‏۴ ۶ جاذب حلقوی و ابعاد آن    ۶۸

شکل ‏۴ ۷ جذب در جاذب فوق            ۶۹

شکل ‏۵ ۱ جاذب X شکل      ۷۲

شکل ‏۵ ۲ تاثیر تغییرات پارامتر eو f وg بر روی نرخ جذب            ۷۴

شکل ‏۵ ۳ جاذب دایرهای     ۷۴

شکل ‏۵ ۴ نمودار جذب برای شکاف¬های مختلف            ۷۵

شکل ‏۵ ۵ تاثیر تغییرات پارامتر a بر روی نرخ جذب      ۷۵

شکل ‏۵ ۶ جاذب متقارن       ۷۶

شکل ‏۵ ۷ تاثیر تغییرات پارامترn و w بر روی نرخ جذب               ۷۶

شکل ‏۵ ۸ جاذب متقارن ترکیبی ساختار جاذب متامتریالی پیشنهادی همراه با پارامترهای طراحی        ۷۷

شکل ‏۵ ۹ نمودارهای شبیه سازی شده انعکاس و جذب. ۷۸

شکل ‏۵ ۱۰ مدل فیزیکی استفاده شده بر مبنای تلفات. ۷۸

شکل ‏۵ ۱۱ تاثیر تغییرات پارامترd w g n بر روی نرخ جذب         ۸۰

شکل ‏۵ ۱۲ جریان سطحی برای فرکانس ۳/۸ گیگاهرتز  ۸۰

شکل ‏۵ ۱۳ جریان سطحی برای فرکانس ۳/۱۰ گیگاهرتز ۸۱

شکل ‏۵ ۱۴ جریان سطحی برای فرکانس ۸/۱۰ گیگاهرتز ۸۱

شکل ‏۵ ۱۵ جریان سطحی برای فرکانس ۱۲ گیگاهرتز    ۸۱

شکل ‏۵ ۱۶ نمودار جذب برای مد¬های مختلف                ۸۲

شکل ‏۵ ۱۷ نمایی از یک جاذب تک لایه]۷۶[    ۸۳

شکل ‏۵ ۱۸ نمایی از برخورد امواج الکترومغناطیس به جاذب ]۷۷[ ۸۴

شکل ‏۵ ۱۹ نمودار جذب برای tan تلفاتی¬های مختلف ۸۶

شکل ‏۵ ۲۰ جذب برای زوایای مختلف               ۸۶

شکل ‏۵ ۲۱ تصویر نمونه ساخته شده جاذب.     ۸۸

شکل ‏۵ ۲۲ تصویر یک سلول از نمونه ساخته شده           ۸۸

شکل ‏۵ ۲۳ نتایح اندازه گیری شده و شبیه سازی شده نرخ جذب برای زوایای مختلف.            ۸۹

شکل ‏۵ ۲۴ نحوه اندازه گیری جذب برای زوایای مختلف.              ۸۹

 

 

مقدمه:

از دیرباز علاقه بشر به ساخت مواد جدید همواره او را به سمت تولید تکنولوژی های جدید سوف داده است. اخیرا در تمام رشته های تحقیقاتی نیاز به وجود موادی به جز مواد موجود در طبیعت دیده می شود، موادی که در پیرامون زندگی ما وجود دارد محدود بوده و نمی تواند پاسخگوی تمام نیازهای ماباشد.

 

پیشرفت تکنولوژی بسیار سریع صورت می گیرد. بعضی از تکنولوژی های موجود در زمان حال، برای محققان، آرزویی در زمان گذشته به شمار می آمد. در پی این پیشرفت تکنولوژی و ساخت دستگاههای پیشرفته، نیاز به تامین مواد جدیلی که بتواند نیاز یک سیستم را تامین کند احساس شد و بشر فهمید که با عناصری که در طبیعت یافت می شود و یا حتی با ایجاد ترکیات فیزیکی و شیمیایی آنها نمی تواند تمام نیازهای خود را تأمین کند. از این دو روش های ایجاد مواد مصنوعی مورد توجه قرار گرفت

برای اولین بار مطالعه در راستای ایجاد مواد مصنوعی به سال ۱۸۹۸ باز می گردد که اولین آزمایش مایکروویو در در راستای ساختار و هندسه توسط آقای چاندر مطرح گردید که روی مواد مصنوعی مطالعه نمود. در سال ۱۹۱۶، لیند من مواد مصنوعی مشابه ای با استفاده از سیم های کوچک به صورت مارپیچ را مطرح کرده و پس از آن کوک” در سال ۱۹۹۸ عدسی مایکروویو با هادی های کروی و منحهای با ساختار تکرار شونده را طراحی نمود.

علاقه به ساخت مواد مصنوعی جدید همچنان ذهن دانشمندان را به خود معطوف ساخت و تلاش برای ایجاد مواد با خواص فراتر از مواد طبیعی مورد توجه تحقیقات عملی قرار گرفت، دو پارامتر با عنوان ضریب گذردهی الکتریکی (ع) که ثابت دی الکتریک نیز گفته می شود و ضریب نفوذ پذیری مغناطیسی (س) در تمام مواد طبیعی قابل تعریف بوده و عموما با مقادیری ثابت و مثبت شناخته شده می باشد،

در تمام مواد طبیعی این مقادیر مثبت بوده و فقط برخی از فرومغناطیسها لمقدار عکس العمل مغناطیسی شان به اندازه کافی قوی بوده که بتواند نفوذپذیری منفی را ایجاد کند. طبق این ایده که موادی می توان ساخت که فراتر از مواد طبیعی، دارای عکس العمل مغناطیسی به گونه ای باشند که ضرایب دی۔ الکتریک و نفوذپذیری منفی ایجاد کنند، منجر به ایجاد شاخه ای جدید در علوم مهندسی، الکترومغناطیس نانو تکنولوژی و فیزیک گردید، با وجود اینکه معمولا یک ماده با یک مقدار ثابت و هم مشخص می شود، ولی در واقع تمام ویژگی های مواد به فرکانس وابسته است. مدل های مختلفی برای توصیف پاسخ فرکانسی مواد وجود دارند .

در سال ۱۹۹۷ وسلاگو انتشار موج الکترومغناطیسی در محیط با ضرایب دی الکتریک و نفوذپذیری مغناطیسی منفی را مطرح نمود و به بررسی نوع انتشار در این محیط پرداخت. پس از آن پندری در سال ۱۹۹۹ نشان داد که با استفاده از میله های نازک و موازی با هم می توان به ضریب گذردهی منفی رسید. در ادامه با روش های نوین ساختارهای جلدیاد تری شکل گرفتند و هدف آنها معرفی موادی جدید با خواصی بود که مواد طبیعی قابلیت آنها را نداشتند.

در این حین فعالیت های آزمایشگاهی با بررسی پدیده – های جدید و قابلیت کاربردی چنین مواد مصنوعی، شرایط رشد چشمگیر این زمینه نو ظهور را فراهم کردند. در نهایت تمام این تلاش ها یک علم جانیان وعنوانی تو در علوم مهندسی مغناطیسی با عنوان متامتریال یا فرامواد معرفی گردید که در کنار آن شاخه های دیگری مانند فتونیک کریستال ها و EBG نیز به وجود آمدند.

کلمه منا یک کلمه یونانی به معنای ورای مواد معمول یا فرامواد گفته می شود. علاقه دانشمندان و محققان در این زمینه به سرعت افزایش یافت، به صورتی که اولین کنفرانس فرامواد در سال ۲۰۰۲ برگزار شد. در این راستا تعاریف متعددی برای فرامواد در نظر گرفته شده که در واقعه ناشی از خواص آن ها می باشد. برای مثال و فرامواد در واقع مواد مرکب با ساختاری دست ساز هستند که می توانند خواصی الکترومغناطیسی مطلوبی را بوجود آورند.

مقدار نفوذ پذیری و گذردهی آنها از شکل ساختارشان ناشی می شود و فرامواد گروه جدیدی از مواد دارای تنظم همگونی هستند که خواص استثنایی را نمایش می دهند و به سهولت در طبیعت یافت نمی شوند. اما ما در این فصل به تئوری مواد دست چپی و نحوه عملکرد آنها خواهیم پرداخت.

 

نتیجه گیری :

در این فصل طریقه ی طراحی یک جاذب متامتریالی با ساختار متقارن با عملکرد چهار باندی در باندهای مایکروویو شرح دادیم. جاذب متامتریالی پیشنهادی چهارنقطه با نرخ جذب خوب را درباند فرکانسی X را نشان داد.

نشان داده شد که پدیده جذب الکترومغناطیسی روی داده، ناشی از تلفات زیرلایه به عنوان عامل جذب موج الکترومغناطیسی در جاذب معرفی شده است. نتایج شبیه سازی، محاسبات عددی بر اساس تئوری تداخل و اندازه گیری تجربی با همدیگر موافقت داشتند. نشان داده شد که با تغییر ابعاد هندسی جاذب پیشنهادی می توان فرکانس های جذب را تنظیم نمود.

 

————————————————————————————————————————————–

شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

رایگان – خرید

————————————————————————————————————————————–