بخشی از مقاله
چکیده
امروزه مصون نگهداشتن سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی در برابر امواج توانبالای ماکروویو موضوع مهمی است. در این پژوهش فرامواد غیرخطی بر پایه پلاسما برای این امر مورد استفاده شده است. این مدل از محافظ بر اساس تغییر پاسخ فرکانسی فراماده در توانهای بالا است. در توانهای بالا، میدان الکتریکی موج الکترومغناطیسی باعث یونیزه شدن بخشی از محیط شده و در نتیجه پاسخ فرکانسی فراماده دستخوش تغییر میشود. با تغییر امپدانس فراماده و تولید میکروپلاسما در اثر یونیزاسیون محیط، پاسخدهی آن برای عبور و بازتاب امواج تغییر میکند. با طراحی مناسب فراماده، این ساختار برای پالسهای توان پایین شفاف و برای پالسهای توان بالا یک بازتابنده است. در این مقاله فرامواد غیرخطی در باند S طراحی و شبیهسازی شده است. نمودار ضرایب عبور و بازتاب آنها در حالت توان پایین و توانبالا با استفاده از نرمافزارCST Microwave Studio شبیهسازی و موثر بودن چنین محافظی برای بازتاب دادن موج EM توانبالا به اثبات رسیده است.
کلمات کلیدی: محافظ/ لیمیتر، امواج توانبالا، HPM، فرامواد، فرامواد غیرخطی، میکروپلاسما، موجبر.
مقدمه
1 HPM یا ماکروویو توانبالا به امواج الکترومغناطیسی در بازه ماکروویو و بخشی از بازه رادیویی گفته میشود که توان قلهی منبع آن 100 MW تا ~100 GW باشد. [1,2] این وسیله برای ایجاد نویز و یا آسیب زدن به تجهیزات الکترونیکی، مانند ادوات الکترونیکی موجود در هواپیماها، رادارها، کامپیوترها و ... و یا ایجاد اختلال در ارتباطات رادیویی و مختل کردن ماهوارهها استفاده میشود. [1] روشهایی که برای حفاظت از تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی دربرابر HPM بهکار گرفته می شود شامل: شیلد کردن - shielding - ، جذب کردن - absorbing - ، زمین کردن - grounding - ، لیمیتر/ محافظها - limiters - ، ایزولاتورها - isolators - ، فیلترها - filters - و ... است. [3]
در سامانههای راداری از محافظ/ لیمیتر استفاده میشود. محافظهای متداول راداررا میتوان به سه دسته کلی تقسیم کرد: محافظهای - 1 حالتجامد/ دیودی، - 2 تیوپ تخلیه گاز، - 3 پلاسمایی. سه سیستم معرفی شده براساس دو پارامتر مهم، یعنی زمان فعالسازی و توان قابل کنترل بهطور خلاصه در جدول 1 مقایسه شدهاند.محافظ حالتجامد/ دیودی قابلیت تحمل توان بالا را نداشته و در بازه فرکانسی خاصی فعال میشود. [5,6,7] در تیوپهای تخلیه گاز که زمان پاسخدهی بالا دارند، به دلیل ناپایدار بودن فرایند تخلیه، به یک آغازگر مانند الکترودkeep-alive و یا مواد رادیواکتیو نیاز است. [4]
در محافظهای پلاسمایی علاوه بر آغازگر، از گاز غیر هوا و نیز سیستم تنظیم فشار استفاده میشود. [9,8] در این پژوهش بهمنظور رفع برخی عیوب موجود در محافظهای نامبرده، از جمله نیاز به آغازگر، سرعت پاسخدهی کم و عدمتحمل توانهای بالا و برای دستیابی به قابلت عملکرد در شرایط متداولی چون هوا و فشار اتمسفر، به جای استفاده از گازهای خاص یا نیاز به سیستم خلا برای تنظیم فشار، از فرامواد غیرخطی برپایه پلاسما استفاده شده است. ضمن اینکه این محافظها از سادگی و اختصاری بهره میبرند که در مباحث HPM حائز اهمیت است.
تئوری
فرامواد ساختارهایی کاملا مصنوعی با خواصی متفاوت از مواد طبیعی از جمله ضریبشکست منفی، چپگرد بودن بردارهای سه-گانه E و H و k ، مختلفالجهت بودن بردار پوئینتینگ - H E - S و بردار موج - k - ، عکس اثر دوپلر، عکس اثر چرنکوف و ... هستند. [10] همانطور که در شکل 1 نشان داده شده، این ساختار در هندسههای متنوعی قابل طراحی و ساخت است.از پایهایترین هندسههای پرکاربرد فرامواد، سیمهای نازک و تشدیدگرها - SRR - میباشند - شکل . - 2هر فراماده، بسته به جنس و هندسه، یک پاسخ فرکانسی بخصوصی دارد و بسته به پاسخ فرکانسی، گذردهی الکتریکی و مغناطیسی آن در فرکانس های مختلف متفاوت است و در نتیجه امپدانس در هر فرکانسی متفاوت است. پس با تغییر جنس، مثلا تغییر دیالکتریک - زیرلایه فراماده - ، و تغییر هندسه مانند پهنا و ارتفاع گپ، پاسخ فرکانسی عوض شده که درنتیجهی آن، ضرایب بازتاب و عبور از یک لایه فراماده نیز به راحتی تغییر میکنند.وقتی فراماده تشدیدی در فرکانس پاسخ خود - فرکانس تشدید - قرار میگیرد، میدان الکتریکی در داخل گپ بهشدت تقویت شده و به حد لازم برای یونیزه کردن هوا میرسد - شکل . - 3
