بخشی از مقاله
چکیده: در این مقاله، ابتدا معرفی کوتاهی از ساختارهاي فراماده و کاربرد آنها ارائه میگردد. پس از آن، نظر به اهمیت طراحی ساختارهایی با قابلیت عملکرد در چند محدوده فرکانسی مجزا، روشهاي چندباندي کردن ساختارهاي مبتنی بر فراماده بررسی میشود. ساختارهاي چند رزونانسی در پیادهسازي فیلترها، جاذبها، حسگرها و غیره، در محدوده فرکانسی تراهرتز و مایکروویو کاربرد دارند.
پس از آن دو جاذب چندباندي طراحی و شبیهسازي شده است. طرح پیشنهادي اول، بر اساس یکی از روشهاي رایج چندباندي کردن ارائه گردیده است که منجر به ساختاري با ابعاد بزرگ میشود. در طرح پیشنهادي دوم، با ارائه یک تک سلول که قابلیت عملکرد در چند باند فرکانسی مشابه را دارد، ساختاري کوچک و چند باندي با کاربرد جاذب پیشنهاد گردیده است. مزیت اصلی ساختار دوم پیشنهادي نسبت به ساختار اول، کاهش ابعاد آن به میزان 48% است. به علاوه، این ساختار داراي انعطافپذیري نسبی در تعیین محل رزونانسها به کمک تغییر ابعاد فیزیکی بازوها است.
مقدمه
ساختارهاي فراماده، ساختارهایی مصنوعی هستند که براي رسیدن به مادهاي با ضریب گذردهی الکتریکی و ضریب نفوذپذیري مغناطیسی خاص ساخته میشوند. ساخت این مواد با استفاده از ترکیبی از مواد طبیعی نظیر هاديها، نیمه هاديها و عایقها در آرایشهاي هندسی متفاوت امکانپذیر است .[1] این مواد داراي پاسخ الکترومغناطیسی متفاوت با مواد طبیعی هستند و از همین حیث، از اهمیت ویژهاي برخوردارند.
با توجه به ویژگیهاي ذکر شده براي فرامواد، از آنها در کاربردهاي بسیاري همچون مواد داراي ضریب شکست منفی [2]، سوپرلنزها [3]، پنهان کنندهها [4] و تشعشع کنندههاي دمایی استفاده میشود .[5] از جمله کاربردهاي فراماده، میتوان به امکان طراحی ساختارهاي فیلتري اشاره کرد که قابلیت کاربرد در دو یا چند باند فرکانسی را داشته باشند. از چنین ساختارهایی میتوان در طراحی حسگرها و جاذبها بهره برد .[9-6]
امروزه فناوري تراهرتز یکی از مباحث پرطرفدار در رشتههاي فیزیک و موج و میدان به شمار میرود که پیشرفتهاي چشمگیر اخیر، شاهدي بر این موضوع است 10]،.[11 به دلیل بی خطر بودن امواج تراهرتز براي بدن انسان نسبت به پرتوهاي مخرب X، توجه به محدوده تراهرتز در سال هاي اخیر افزایش یافته است. تاکنون ایدهها و روشهاي مختلفی جهت چندباندي نمودن ساختارهاي فیلتري، حسگرها و جاذبها به کار گرفته شده است. ازجمله این روشها میتوان به چندلایه کردن سلول واحد [12]، کنار هم قرار دادن سلولهاي واحد مشابه با اندازه متفاوت [8] و طراحی ساختار تک لایه داراي قابلیت چندباندي اشاره نمود .[13]
در این مقاله، به منظور حصول ساختارهایی با قابلیت عملکرد در چند باند فرکانسی، در ابتدا ساختاري متشکل از حلقههاي فلزي که پاسخی سه باندي دارند طراحی شده است. این ساختار میتواند به عنوان یک جاذب مورد استفاده قرار گیرد، که از جذب قابل قبولی در هر باند فرکانسی برخوردار است. سپس با طراحی ساختاري دیگر متشکل از حلقه و کمانهاي فلزي، به پاسخی مشابه با ساختار اول رسیدهایم که از مزیت کوچکتر بودن ابعاد نسبت به ساختار اولیه برخوردار است.
در ساختار پیشنهادي دوم، به جاي استفاده از چند المان مشابه با اندازههاي مختلف، تنها به وسیله یک تک المان به سه رزونانس دست یافتهایم. این رویه فلزي شامل کمانهایی با اندازههاي مختلف است. با تنظیم دقیق زاویه کمانها، میتوان به رزونانسهاي دلخواه و در نتیجه باندهاي جذب متفاوت دست یافت. مراحل مختلف طراحی این ساختارها با استفاده از نرم افزار CST انجام شده است.
-2 ساختارهاي پیشنهادي
در این بخش، دو ساختار چند رزونانسی مبتنی بر فراماده در باند فرکانسی تراهرتز پیشنهاد میشود. ساختار اول مشابه با طرح پیشنهاد شده در مرجع [8] است و از کنار هم قرار دادن چند عنصر رزونانسی مشابه اما با ابعاد مختلف حاصل شده است. لازم به ذکر است که این ساختار نسبت به ساختار باند مایکروویو در مرجع [8]، داراي شکل سلول واحد متفاوتی بوده و کاربرد در باند فرکانسی تراهرتز را برآورده مینماید.
در طرح پیشنهادي دوم، ساختاري با طراحی نوآورانه به وسیله یک تک سلول و با طراحی مناسب بخشهاي مختلف آن، بدست آمده که پاسخی مشابه با پاسخ سهباندي ساختار اول دارد. مزیت اصلی بدست آمده به کمک ساختار دوم، کوچک شدن ابعاد کل ساختار فراماده و جاذب است. به علاوه، به کمک درجات آزادي قرار داده شده در ساختار پیشنهادي دوم، میتوان کنترل مطلوبی بر روي محل رزونانسهاي حاصله بدست آورد. شایان ذکر است که نوآوري ساختار پیشنهادي دوم نسبت به ساختار اولیه کنترل مسیر جریانها در فرکانسهاي مختلف به وسیله تنها یک المان است.
-1-2 جاذب چندباندي بر اساس کنار هم قرارگیري سلولهاي واحد با اندازههاي متفاوت در اولین مرحله، با توجه به شکل - 1 - ، سلول واحدي با ابعاد W که داراي ضخامت h است، طراحی شده است. در این ساختار شعاع درونی و بیرونی حلقه به ترتیب برابر با R1 و R2 است. جنس لایه عایق و فلز مورد استفاده، به ترتیب پلیمر با ضریب گذردهی الکتریکی نسبی 3/5 و طلا با مقدار هدایت الکتریکی Ω S/m 4/1×107 و مقاومت سطحی _ _ 0/2+j0/22 در پهناي باند عبور است 8]،.[14 نمودار مربوط به پارامترهاي این ساختار در شکل - 2 - ، آورده شده است.
بر طبق نمودار شکل - 2 - ، ساختار مورد نظر دراي یک باند جذب در فرکانس 0/72 THz است. حال با توجه به ایده مطرح شده در [8] براي چند باندي کردن جذب ساختار، سلولهاي واحد با ضرایب متفاوت - k1=1 و k2=0.8 و - k3=0.63 را مطابق شکل - 3 - ، کنار هم قرار میدهیم. چیدمان سلولها در شکل - 3 - از الگوي استفاده شده در [8] الهام گرفته شده است. با توجه به نتایج حاصل شده در شکل - 4 - ، مشاهده میکنیم که با این روش به یک ساختار سهباندي در فرکانسهاي مرکزي 0/74 THz، THz 0/92، 1/16 THz رسیدیم. عیب اصلی این روش از نظر عملی، افزایش ابعاد ساختار است که با ساختار پیشنهادي دوم سعی بر حل این مشکل شده است.
-2-2 جاذب چندباندي پیشنهادي با ابعاد سلول واحد کوچک شده
همانگونه که در قسمت قبل مشاهده شد، ایده استفاده از سلولهاي واحد مشابه با اندازههاي مختلف جهت چند باندي کردن رفتار فراماده، منجر به افزایش ابعاد ساختار میشود. بنابراین در این بخش به دنبال طراحی یک تک سلول واحد با قابلیت عملکرد چند باندي هستیم که در پی آن ابعاد کلی سلول افزایش پیدا نکند. نکته مهم در مورد ساختار پیشنهاد شده، قابل تغییر بودن باندهاي فرکانسی است، به طوري که میتوانیم با تغییر زاویه کمانها، باندهاي جذب مورد نظر را بر هم منطبق کنیم و یا آنها را با توجه به یک کاربرد خاص در فرکانسهاي معینی ایجاد نماییم. ساختار پیشنهادي در شکل - 5 - مشاهده میشود.
نمودارهاي مربوط به پارامتر پراکندگی ضریب بازگشت - - S11 در شکل - 6 - آورده شده است. همچنین میدانیم که به دلیل وجود صفحهي فلزي در سمت دیگر ساختار میزان پارامتر پراکندگی ضریب انتقال - - S21 برابر با صفر است. با توجه به نمودارهاي شکل - 6 - ، مشاهده میکنیم که با افزایش طول کمانها، رزونانسهاي ایجاد شده به فرکانسهاي پایینتر یا طول موجهاي بالاتر منتقل میشوند. دلیل این موضوع از لحاظ مداري طولانیتر شدن مسیر جریانها و تولید رزونانس در فرکانسهاي پایینتر است.
