بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به طراحی و شبیهسازی جاذب فرامادهای مستقل از فرکانس در محدوده فرکانسهای تراهرتزی پایین مبادرت شده است. جاذب پیشنهادی در فرکانس تشدید بوده به گونهای که در این فرکانس دارای حداکثر جذبی در حدود 1 میباشیم از اینرو فاقد هرگونه انتقال سیگنالی خواهیم بود. ساختار جاذب پیشنهادی ساده و ابعادش با توجه به فرکانس کاری اش کوچک بوده و با تغییر کوچک در اندازه ابعاد میتوان فرکانس جذب را به راحتی جابجا کرد. ضمن اینکه تاثیرات پارامترهای تشکیلدهنده ساختار از جمله طول و عرض تشدید کننده، طول و عرض زیرلایهها و جنس مواد دیالکتریک مورد استفاده در اینجا مورد بررسی دقیق قرار خواهد گرفت و نشان داده شده است که با تغییر هر کدام از این پارامترها نتایج تغییر خواهند داشت.
-1 مقدمه
جاذب فرامادهای نوعی فراماده است که جهت جذب موثر تابش الکترومغناطیسی به کار گرفته میشود. از آنجا که فرامادهها در حوزه علوم مواد الکترومغناطیسی پیشرو بوده، استفاده از این مواد در طراحی ساختارهای جاذبهای الکترومغناطیسی مزایایی همچون ساختار کوچک، انطباقپذیری وسیع، و اثر بخشی بالا را در پی خواهد داشت. کاربردهای جاذبهای الکترومغناطیسی شامل حذف کنندهها، آشکار کنندههای نوری، سنسورها و مدولهکنندههای نوری و ارتباطات بدونسیم است.
یک جاذب فرامادهای از محیط موثر طراحی فراماده، المانهای تلفی نفوذپذیری الکتریکی و مغناطیسی برای ایجاد یک ماده که دارای نسبت بالایی از جذب تابش الکترومغناطیسی است، استفاده میکند. یک جاذب الکترومغناطیسی دارای انعکاس و انتقال ناچیزی بوده بنابراین بخش زیادی از موج برخوردی به آن جذب خواهد شد. عملکرد یک جاذب به ضخامت، شکل و مواد به کار برده شده در ساختارش بستگی دارد. همچنین یک جاذب نزدیک به یک به جاذبی گفته می-شود که جذب الکترومغناطیسی کامل و در حدود یک ارائه میدهد.
1-1معرفی
جاذب مورد طراحی در این مقاله از یک پچ شبهستارهای در بالای ساختار ، یک صفحه زمین فلزی در پایین ساختار و یک ماده دیالکتریک بینشان تشکیل شده است ضمن اینکه کل این ساختار کامپوزیتی بر روی دیالکتریکی از جنس Glass قرار گرفته است. این جاذب به گونهای طراحی شده است که یک تشدید قوی در فرکانس تراهرتزی خواهد داشت. جاذب-های فرامادهای دارای پتانسیل کاربرد به عنوان المانهای جذب کننده در تصویر سازی تراهرتزی و سایر زمینههای تکنولوژی تراهرتزی را دارند.
در این مقاله به طراحی و شبیهسازی یک آرایه جاذب فرامادهای با عملکرد بالا و مستقل از قطبیشدگی در حوزه تراهرتزی اقدام شده است. سلول واحد این فراماده از تشدیدکننده شبه ستارهای ، یک صفحه زمین فلزی و ماده دیالکتریک بینشان تشکیل شده است ضمن اینکه کل ساختار کامپوزیتی بر روی یک دیالکتریک دیگر قرار گرفته است. نحوه شبیهسازی صورت گرفته در اینجا بدین صورت است که به علت مشخصههای انعکاس، انتقال و جذب مشابه یک سلول از آرایه با کل ساختار آرایه در شبیهسازی فقط یک سلول واحد آرایه در نظر گرفته شده و به بررسی نتایج حاصل از آن پرداخته شده است. ضمن اینکه شبیه سازی ساختار بوسیله نرمافزار شبیهساز 1HFSS انجام شده است.
شبیهسازی عددی ساختار مورد طراحی نشان میدهد که بیشترین جذب در حدود یک بوسیله بهینهسازی ابعاد و ساختار جاذب مورد طراحی قابل دستیابی است. جاذب مورد طراحی دارای چندین مزیت از جمله جذب بسیار قوی در حدود یک، باند جذب نازک ، مستقل بودن از قطبیشدگی، و راحتی ساخت است از اینرو این ساختار دارای پتانسیل بالا در حوزه کاربرد عملی خواهد بود. ایده اصلی برای طراحی جاذب فرامادهای کمینه کردن انعکاس از طریق تطبیق امپدانس و کمینه کردن انتقال بوسیله بهینهسازی جذبی است که بوسیله ضریب نفوذپذیری الکتریکی - - و ضریب نفوذپذیری مغناطیسی - - ساختار تعیین میشود-4@ .[5ساختار جاذب و ابعاد و اندازههای سلول واحد و همچنین نمایی از آرایه ساختار در شکل .2-1 نشان داده شده است.
فراماده مورد طراحی از 4 لایه تشکیل شده است. لایه اول تشدیدکننده شبه ستارهای ، لایه دوم ماده دیالکتریکی از جنس دیاکسید سیلیکون با ثابت نفوذپذیری 4/6 که در شبیهسازی FR4 در نظر گرفته میشود، لایه سوم صفحه زمین فلزی و در نهایت لایه 4 ماده دیالکتریک از جنس Glassبا ثابت 5/5 بوده که کل ساختار کامپوزیت بر روی آن قرار گرفته است. ضمن اینکه در اینجا صفحه زمین فلزی به منظور کمینه کردن انتقال هنگام ضخیمتر شدن عمق نفوذ موج تراهرتزی میباشد.
-2-1 نتایج
در طی شبیهسازی آلومینیوم به یک دیالکتریک به ضخامت 8 میکرو با ثابت دیالکتریکی 4/66 و تانژانت تلفات 0/02 به عنوان فاصلهدهنده بین ساختار تشدید کننده بالا و صفحه زمین پایین به کار گرفته شده است. شرایط مرزی به صورت شرایط مرزی الکتریک کامل - PE - و مغناطیس کامل - PM - در جهات X و Y برای موج تراهرتز برخوردی به ساختار تشدید کننده مورد طراحی در نظر گرفته شدهاند.
در شکل .2-1منحنیهای انتقال، انعکاس و جذب موج سلول واحد ساختار جاذب فرامادهای مورد طراحی نشان داده شده است. همانگونه که قبلا گفته شد ساختار جاذب فرامادهای کلی شامل آرایهای از این سلولها است اما بدلیل سادگی و سهولت و با در نظر داشتن این مهم که مشخصههای انعکاس انتقال و جذب یک سلول با مشخصات انعکاسی آرایهای از سلولها برابر است ما در اینجا به بررسی نتایج تنها یک سلول اقدام کردهایم.
شکل .2-1 منحنیهای انتقال، انعکاس و جذب موج سلول واحد ساختار جاذب فرامادهای همانگونه که از شکل بالا میتوان دریافت جاذب مورد نظر در فرکانس 0/61 تراهرتز دارای کمینه انعکاس و بیشترین جذب میباشد. همچنین با دقت در شکل جذب، پهنای باند جذب - 37 - FWHM گیگاهرتزی با درصد پهنای 5/8 - پهنای باند فرکانس بین نقاطی که جذب دارای مقادیری به دامنه نصف جذب حداکثری با بالا بوده قابل دستیابی است.
ضمن اینکه همانگونه که قبلا هم ذکر شد به علت استفاده از صفحه زمین فلزی انتقال آنتن در کلیه فرکانسها صفر خواهد شد .همچنین مطابق با شکل بالا در فرکانس تشدیدمان شاهد بیشترین جذب موج تابشی خواهیم بود که تقریبا برابر بیشترین حالت ممکن یعنی یک - - 0/99 است. در شکل 3-1 به نحوه توزیع و آرایش میدانهای الکتریکی و مغناطیسی و همچنین جریان الکتریکی اطراف و بر روی المان تشعشعکننده یا همان لایه بالایی - پچ - در فرکانس تشدید یعنی 0/61 تراهرتز پرداخته شده است.
