بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، ساختار جاذب فراماده چند لایه در باند فرکانسی ترا و باند گیگاهرتز طراحی و با استفاده از روش FEM مورد تجزیه وتحلیل قرار میگیرد. سازه از نظر هندسی، شکل بسیار سادهای دارد. از مهمترین ویژگیهای این سازه که در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است میتوان به پهنای باند زیاد، جذب ماکزیمم و ضخامت بسیار کم آن در هر دو محدودهی فرکانسی اشاره نمود . تحلیل این سازه در هر دو ناحیهی فرکانسی ترا و گیگاهرتز در تابش عمودی امواج الکترومغناطیسی، در هر دو قطبش TM و TE مورد بررسی قرار گرفته است. چنین ساختاری پتانسیلهای مناسبی در طراحی سلولهای خورشیدی، آشکارسازی، تصویربرداری، کشف مواد منفجره، اختفا و فیلترها دارد.
واژههای کلیدی:جاذب فراماده، باند پهن، سطح مقطع راداری
-1 مقدمه
در سالهای اخیر فرامواد به خاطر ویژگیهای شگفتآوری که در برابر امواج الکترومغناطیسی دارند توجه محققین را به خود جلب کرده است. ساختار هندسی، ابعاد و چیدمان فرامادهها موجب رفتار غیر عادی آنها میشود که مواد طبیعی موجود فاقد این ویژگیها هستند. فرامواد میتوانند متناوب، شبیه یک محیط همگن و غیر متناوب، شبیه به یک محیط غیر-همگن باشند. وابستگی خصوصیات فرامواد به ساختار هندسی عناصر، انعطافپذیری زیادی را برای کنترل آنها فراهم میکند. میتوان با استفاده از این ویژگیها مواد جدیدی ساخت که در طبیعت وجود ندارد. این خصوصیت بزرگترین مزیت فرامواد است.[1-2]
مقادیر ضریب گذردهی الکتریکی و ضریب نفوذپذیری مغناطیسی، پارامترهایی هستند که پاسخ فراماده به امواج الکترومغناطیسی را تعیین میکنند. مواد طبیعی دارای ضریب گذردهی الکتریکی و تراوائی مغناطیسی نسبی مثبت هستند. میتوان موادی را که دارای ضریب گذردهی الکتریکی یا تراوائی مغناطیسی منفی باشند درست نمود. [2 ]فرامواد به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند گستره وسیعی از تحقیقات را امروزه به خود جلب کرده است، همانند ضریب شکست منفی، معکوس بودن اثر داپلر و .... که از جمله ویژگیهای این ساختارها است و به دلیل وجود پتانسیلهای خاص که نشآت گرفته از ویژگی-های منحصر به فردشان است کاربرد وسیعی در پوششهای نامریی کننده در فرکانس های مختلف [3-10] ، منیاتورسازی آنتنها، طراحی فیلترها [11]، عدسیها و سازگاری الکترومغناطیسی [7] دارند.
جاذبهای امواج الکترومغناطیسی در فرکانسهای مختلف یکی از مهمترین کاربردهای این مواد است که مورد توجه خاص صنایع تجاری و بهخصوص نظامی قرار گرفته است. اولین جاذب فراماده توسط لندی و همکارانش [16] بر روی زیرلایه FR4 شبیهسازی و ساخته شد که این جاذب دارای جذب %99 و فرکانس مرکزی 11.48 GHz و پهنای باند تقریبی %4 را داشت. [12] تحقیقات بیشتر در زمینه جاذبهای فراماده در حال حاضر، تمرکز به چند بانده و باند پهن کردن آنها، بهطوری که نسبت به نوع قطبش - TE و - TM و تغییر زاویه تابش غیرحساس باشد، ادامه دارد. بسیاری از محققان تحقیقاتی را در مورد فرامواد باند پهن ارایه کردهاند، اگرچه، مقالات در مورد فرامواد باند پهن هنوز نادر است .[13-15]
این مقاله از چهار بخش تشکیل شده است، در ادامه، در بخش دوم، مشخصات هندسی و الکتریکی جاذب فراماده در فرکانس تراهرتز شبیهسازی و مورد مطالعه قرار گرفته است. در بخش سوم، ساختار مورد نظر طراحی شده، در باند X که بسیار مورد توجه صنایع نظامی است شبیهسازی خواهد شد. در این بخش آنالیز حساسیت سازه به برخی از پارمترهای ابعادی جاذب طراحی شده و میدانهای الکتریکی و مغناطیسی سازه مطالعه میشود و در نهایت در بخش چهارم، نتیجهگیری از طراحی و شبیهسازی جاذب فراماده باند پهن در فرکانس تراهرتز و باند X ارائه خواهد شد.
-2 طراحی و شبیه سازی جاذب فراماده در باند فرکانسی تراهرتز
طرح کلی جذب کننده پیشنهادی که در شکل - 1 - نشان داده شده است، شامل سه فیلم فلزی و یک زمین فلزی جهت انعکاس امواج الکترومغناطیسی است. این ساختار در مقاله [16] فقط در محدوده تراهرتز با استفاده ازروش FDTD مورد تحلیل گرفته است. در این مقاله این ساختار با استفاده از روش - FEM نرمافزار HFSS ساخت شرکت ANSYS ویرایش - 17 در محدوده ترا و گیگاهرتز شبیهسازی و مورد تجزیه تحلیل قرار میگیرد. از مهمترین ویژگیهای این ساختار میتوان به پهنای باند زیاد، عدم حساسیت به پلاریزاسیون و دارای جذب کامل در زوایای دید پهن اشاره نمود. در این مقاله سازه فقط در برابر تابش امواج الکترومغناطیسی بهصورت عمود مورد مطالعه قرار میگیرد.
میزان FWHM در چند لایه با توجه به شبیهسازیهای انجام شده به میزان زیادی بهبود یافته و به مقدار 42 درصد که 2.6برابر بزرگتر از حالت ساختار تک لایه است رسیده است مکانیزمی که پهنای باند را زیاد می کند به تزویج طولی بین لایهها مرتبط است.دوره تناوب ساختار ، ابعاد فیلمهای فلز نقرهای مربعی شکل با ضریب هدایت S/m و ضخامت تقریبی 2 m است. همچنین ضخامت محیطهای دیالکتریک بین صفحات فلزی از جنس پلیمید با ثابت دیالکتریک برابر t1 = 7 m، t2 = 2 m و t3 = 1 m است. نتایج توسط روش FEM محاسبه و با موج صفحهای در تابش عمودی تحریک شده است طوری که شدت میدان الکتریکی E درجهت موازی با محور x است. لایههای تطبیق شده کامل در راستای محور z قرار داده شده و شرایط مرزی پریودیک در راستای محورهای x و y قرار دارند.
جهت تحریک و مشاهده پارامترهای پراکندگی و محاسبه میزان جذب، ساختار درون موجبری با شرایط مرزی مناسب PEC1 و PMC2 قرار داده میشود. وجود این شرایط مرزی موجب ایجاد موج صفحهای از نوع مود TEM خواهد شد. شکل 2 - الف - و 2 - ب - به ترتیب میزان S11 و طیف جذب ساختار را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود جذب خیلی زیاد با سطحی صاف بزرگتر از %99 با پهنای باند 275 گیگاهرتز با فرکانس مرکزی در محدوده 2.1 ترا هرتز را در نمودار 2 - ب - نمایش داده شده است. میزان جذب با توجه به رابطهی A =1-T-R محاسبه می-شود که A میزان جذب، T ضریب انتقال و R ضریب انعکاس امواج را نمایش میدهند. میزان
