23508

طراحي فراسطوح براي كنترل امواح الكترومغناطيسي به روش متاگريتينگ

كارشناسي ارشد

مهندسي برق-مخابرات ميدان

95-98

1398/8/28

دكتر علي عبدالعالي

مهندسي برق

توانايي هدايت امواج الكترومغناطيسي همواره مورد علاقه دانشمندان و مهندسان بوده است. در سال هاي اخير شاهد ظهور فراسطوح بوده ايم كه عمدتا بر اساس قوانين اسنل تعميم يافته براي شكست و بازتاب عمل مي كنند. اخيرا نشان داده شد كه اين ساختارها با وجود توانايي ها و قابليت هايي كه در كنترل امواج الكترومغناطيسي از خود نشان داده اند، ذاتا با محدوديت بازده مواجه هستند. در ميان تلاش هاي صورت گرفته به منظور غلبه بر محدوديت هاي ناشي از فراسطوح داراي گراديان فازي، مسير جديدي براي تبديل جبهه موج تابشي به جبهه موج دلخواه معرفي شده است كه متاگريتينگ نام دارد. متاگريتينگ امكان دستيابي به بازده واحد را بدون نياز به المان هاي بسيار كوچكتر از طول موج فراهم مي كند و در نتيجه ديگر نيازي به گسسته سازي يك پروفايل فازي يا امپدانسي پيوسته نخواهد بود. در اين پايان نامه، از روش متاگريتينگ براي طراحي ادوات كنترل كننده ي موج با بازدهي بالا در باند تراهرتز بهره گرفته شده است. در فصل دوم مروي بر نهان سازهاي فرش مبتني بر فراسطوح داراي گراديان فازي، صورت گرفته است. در فصل بعد، پيشرفت هاي انجام شده در كنترل امواج الكترومغناطيسي با استفاده از متاگريتينگ ها شرح داده شده است. در فصل چهارم، براي اولين بار ايده ي بهره گيري از متاگريتينگ ها به منظور طراحي نهان سازهاي فرش الكترومغناطيسي امكان سنجي شده است. در اين فصل نشان داده شده است كه مي توان با بهره¬گيري از تنها يك المان در هر دوره تناوب، يك نهان ساز فرش طراحي كرد به گونه اي كه بازتاب از آن به خوبي، بازتابش از يك صفحه زمين مسطح را تقليد كند. طراحي نهان ساز براي تابش عمود و شيب 30 درجه صورت گرفته است. در ادامه با تعميم اين مفهوم، يك نهان ساز فرش مثلثي متشكل از دو المان در هر سلول واحد ارائه شده است كه قادر است تحت پيكربندي مثلثي با هر دو زاويه شيب 28 و 70 درجه، به ترتيب براي اجسام با ارتفاع كم و زياد، عملكرد موفقي از نهان سازي، تحت تابش عمود از خود نشان دهد. در فصل پنجم، با بهره گيري از خاصيت تنظيم پذيري گرافن در باند تراهرتز، يك متاگريتينگ بازتابي 5 كاناله متشكل از نوارهاي گرافني ارائه شده است كه قادر است با تغيير باياس نوارهاي گرافني، حالت هاي مختلفي از توزيع توان بين كانال هاي مختلفش را محقق كند. نتايج حاصل از شبيه سازي حاكي از اين است كه ساختار پيشنهادي مي تواند به خوبي و با بازده مطلوب بالاي 77درصد، به عنوان جداكننده ي توان ، بازتاب كننده ي غيرعادي و رترورفلكتور براي پورت هاي مختلف عمل كند. فصل انتهايي نيز به جمع بندي مباحث مربوطه و ارائه پيشنهادات براي ادامه ي پژوهش در زمينه ي موضوع پايان نامه مي پردازد.

1400/02/01

Design of Metasurfaces for Control of Electromagnetic Waves using Metagrating Method

11/19/2021 12:00:00 AM

The ability to conduct electromagnetic waves has always been of interest to scientists and engineers. In recent years, we have seen the emergence of metasurfaces that operate mainly based on the generalized Snell’s laws for reflection and refraction. Recently, it has been shown that these structures, despite their capabilities in controlling electromagnetic waves, are inherently limited in efficiency. Among the efforts made to overcome the limitations of the phase gradient metasurfaces, a new path has been introduced to transform the incident wavefront into an arbitrary wavefront called Metagrating. Metagrating allows us to achieve unitary efficiencies without the need for elements much smaller than the wavelength, thus there is no need to discretize a continuous phase or impedance profile. In this thesis, the metagrating method is used to design highly efficient wave control devices in the terahertz region. In the second chapter, a literature review of carpet cloaks based on phase gradient metasurfaces has been presented. The next chapter describes the recent progress in controlling electromagnetic waves using metagratings. In the fourth chapter, for the first time, the idea of ​​using metagratings to design electromagnetic carpet cloaks is verified. This chapter shows that it is possible to design a carpet cloak using only one element in each periodicity so that its reflection mimics the reflection of a flat ground plane. The cloak is designed for normal incidence with a slope of 30 degrees. By the generalization of the introduced concept, a triangular carpet cloak consisting of two elements in each supercell is presented which shows successful concealment of both short and tall objects under normal incidence using the triangular configurations with tilt angles of 28 and 70 degrees, respectively. In the fifth chapter, exploiting the tunable properties of graphene in the terahertz band, a 5-channel reflective metagrating consisting of three graphene ribbons is presented, which is able to achieve different scenarios of power distribution between different channels by changing the bias voltages of its graphene ribbons. The simulation results show that the proposed structure can successfully act as a power splitter, anomalous reflector, and retroreflector for different ports with an efficiency of more than 77%. The final chapter summarizes the relevant topics and provides suggestions for further research on the topic of the thesis.

متاگريتينگ , كنترل موج , نهان ساز فرش , چند كاناله , تنظيم پذير

metagrating , control of wave , carpet cloak , multichannel , tunable