26718

تحليل و طراحي پوشش هاي متامتريالي فريبنده براي هندسه داده شده

دكتري

مهندسي برق- مخابرات ميدان

1395-1400

1400/9/23

دكتر عبدالعالي

مهندسي برق

از دير باز ناپديد شدن، از آرزو هاي بشر بوده است. به دليل شگفت انگيز بودن ناپديد كردن اشياء، طراحي پوشش هاي نامرئي كننده الكترومغناطيسي و نوري در سالهاي اخير مورد توجه قرار گرفته است. تلاش هاي بسياري براي تحقق اين ايده صورت گرفته است بطوريكه حتي در حوزه هاي ديگر از جمله آكوستيك و حرارتي نيز نهانسازي مطرح گرديده است. هم اكنون نمونه هاي عملي در حوزه الكترومغناطيس از فركانس DC تا X-ray موجود بوده و بسرعت در حال پيشرفت مي باشد. در حالت ايده آل مي توان جسم مورد نظر را بصورت كامل در يك محدوده ي فركانسي معين از ديد ناظر بيروني پنهان ساخت بصورتي كه توسط هيچ رادار قدرتمندي شناسايي نشود. در واقع نهانسازي حالت خاصي از پوشش هاي فريبنده مي باشد. ويژگي اصلي اين پوشش ها، تغيير پترن پراكندگي جسم چه در ميدان-نزديك و چه در ميدان-دور مي باشد. هدف از تعريف اين رساله، طراحي و تحقق يك پوشش متامتريالي براي جسمي با هندسه دلخواه مي باشد تا بتوان پترن پراكندگي آن را به نحو دلخواه كنترل نماييم. در فصل اول، خلاصه اي از مصوبات پروپزال و كارهاي انجام شده ارائه مي شود. در فصل دوم، مروري بر پژوهش هاي انجام شده در موضوع پوشش هاي فريبنده و نهانساز در طي ساليان اخير كرده ايم. در ساير فصل ها به منظور دستيابي به پوششي فريبنده براي كنترل پراكندگي جسم با شكل دلخواه فعاليتهاي گوناگوني را انجام داده ايم. در فصل سوم، پوششي طراحي نموديم كه به دور جسمي استوانه اي با سطح مقطع و جنس دلخواه قرار مي گيرد. مستقل از جهت تابش موج، قبل رسيدن موج به هسته داخلي، آن را جذب نموده و در نتيجه سطح مقطع راداري آن را بشدت كاهش مي دهد. در فصل چهارم، به كمك ماده اي با مشخصات اكستريم، نهانسازي براي امواج سطحي طراحي نموديم كه جسم با هندسه دلخواه را از ديد موج انتشاري مخفي نگه مي دارد. در فصل پنجم، روشي را ارائه نموديم تا بتوان پترن پراكندگي يك سطح را به نحو دلخواه كنترل كرد. در واقع با توجه به جهت تابش موج، مي توان تعداد بيم هاي پراكندگي، جهتشان و سطح هر بيم نسبت به بقيه را كنترل نمود. كه در نتيجه مي توان از آن بعنوان پوشش هاي فريبنده بهره گرفت. در تمامي كارهاي انجام شده به منظور كنترل پترن پراكندگي، لازم بوده كه جسم توسط پوشش، بصورت كامل احاطه شود. اگرچه تلاشهايي در جهت طراحي نهانسازهاي خارجي انجام شده است، اما ماده سازنده آنها وابسته به جسم مورد نظر بوده و با تغيير هندسه و يا ماده جسم، پوشش نهانساز بايستي از ابتدا طراحي شود. در فصل ششم، ساختاري را ارائه نموديم كه اگر در مجاورت هرجسمي (با ابعاد مشخص) قرار بگيرد، آن را از ديد ناظر سوم، مخفي نگه مي دارد. همانطور كه در اين فصل به تفصيل بيان نموديم، اگرچه تلاشهايي در حوزه الكترومغناطيس انجام شده است، اما ساختارهاي ارائه شده، مشكلاتي دارند كه در عمل قابل استفاده نمي باشند. در نتيجه ما در اين رساله ايده كلي را مطرح نموده و آن را در فيزيك آكوستيك تحقق داده ايم. در فصل هفتم، به كمك مواد با مشخصات اكستريم، براي اجسام قرار گرفته بر روي سطح زمين، نهانساز فرش را ارائه نموده ايم. ويژگي هاي اصلي اين نهانساز در مقايسه با كارهاي انجام شده، عدم وابستگي به زاويه، ضخامت فوق العاده كم مي باشد. در اين پژوهش كلي ترين حالت ممكن را ارائه نموديم و همانطور كه نشان داديم، مي توان از اين پوشش براي هر هندسه دلخواهي استفاده نماييم. در فصل هشتم، براي ساختارهاي استوانه اي با سطح مقطع دلخواه، پوششي از فراسطوح الكترومغناطيسي مبتني بر GSTC طراحي نموديم كه مستقل از هندسه شكل، آن را از ديد امواج الكترومغناطيسي مخفي نگه مي دارد. در همين فصل، با استفاده از مواد با مشخصات اكستريم، پوششي براي ساختارهاي استوانه اي طراحي نموديم كه پترن پراكندگي ميدان دور و ميدان نزديكشان را مي توانيم تبديل به هر جسم دلخواه ديگري بنماييم. پس از آنكه دريافتيم اين مواد با مشخصات اكستريم، خواص بسيار جالبي دارند، فقط بدين جاي رساله بسنده نكرده و بسراغ طراحي ادوات ديگري نيز رفتيم كه علاوه بر آنكه از ديد موج بيروني پنهان مي باشند، عملكرد هاي ديگري نيز بصورت همزمان دارند. در فصل نهم، ايده متمركزكننده امواج الكترومغناطيسي را با استفاده از اين مواد اكستريم راستي آزمايي كرديم. همانطور كه خواهيم ديد، نشان داديم با استفاده از مواد با مشخصات اكستريم، علاوه بر آنكهه خود وسيله ديده نمي شود، مي توان انرژي الكترومغناطيسي را در يك ناحيه با هندسه دلخواه، متمركز نمود. در فصل هاي دهم، يازدهم و دوازدهم، اين ايده را براي فيزيك هاي ديگر آكوستيك، جريان مستقيم و ترموديناميك نيز پياده سازي نموديم. در فصل دوازدهم، با استفاده از مواد اكستريم، علاوه بر طراحي متمركزكننده، ساختارهاي ديگري نيز همانند نهانساز حرارتي نيز پياده سازي نموديم. در واقع توانستيم تنها با استفاده از دو ماده ناهمسانگرد، نهانسازي همه جهته را ارائه دهيم كه برخلاف كارهاي قبلي از مواد ساده و قابل تحقق ساخته شده است. در فصل سيزدهم، با استفاده از مواد اكستريم مذكور، لنزي طراحي نموديم كه مي توان به كمك آن در حوزه آكوستيك، زير حد انكسار تصويربرداري نمود و جزئياتي كه كمتر از طول موج كاري قرار دارند را نيز شناسايي نماييم. در نتيجه، در اين رساله علاوه بر دستيابي به پوشش هاي مختلف براي نهانسازي اجسامي با هندسه دلخواه، توانستيم ادوات مختلف ديگري را نيز طراحي و در فيزيك هاي مختلف پياده سازي نماييم.

1401/04/14

Analysis and Design of Illusory Metamaterial Coatings for Given Geometry

12/14/2022 12:00:00 AM

Invisibility has long been a human desire. The astonishing invisibility of objects, the design of invisible electromagnetic and optical coatings has been considered in later years. More research has been done on this idea, which has even been refined in other areas, including acoustics and thermodynamics. Practical examples in the field of electromagnetism from DC to X-ray are now available and in development. Ideally, the object can be completely hidden from the outside observer within a certain frequency range so that it cannot be detected by any powerful radar. In fact, moderation is a deceptive cover. The main feature of these coatings is the change of the scattering pattern of the object, both in the near-field and in the far-field. The purpose of this dissertation is to design and create a metamaterial coating for an object with the desired geometry so that it can choose its scattering pattern as desired. In the first chapter, a summary of the approvals of the proposal and the work done is provided. In the second chapter, we have reviewed the researches conducted on the subject of illusionary and concealing coverings in recent years. In other chapters, we have done various activities in order to achieve an illusionary coating layer to control the scattering pattern of the object with the desired shape. In the third chapter, we designed a cover that is placed around a cylindrical object with a desired cross-section and material. Regardless of the propagation direction, before the wave reaches the inner core, it absorbs the EM fields, and as a result, it greatly reduces the radar cross section. In the fourth chapter, with the help of a material with extreme characteristics, we designed a concealment for surface waves, which keeps an object with a desired geometry hidden from the view of the propagating wave. In the fifth chapter, we presented a method to arbitrarily control the scattering pattern of a surface. In fact, according to the direction of wave radiation, it is possible to control the number of scattering beams, their direction and the level of each beam relative to the others. As a result, it can be used as an illusionary cover. In all the works done in order to control the scattering pattern, it was necessary to completely surround the object by the cover. Although efforts have been made to design external cloaking devices, their material depends on the desired object, and by changing the geometry or material of the object, the cloaking cover must be designed from scratch. In the sixth chapter, we presented a structure that, if placed in the vicinity of any object (with specific dimensions), keeps it hidden from the view of the third observer. As we explained in detail in this chapter, although efforts have been made in the field of electromagnetics, the presented structures have problems that cannot be used in practice. As a result, in this treatise, we have presented the general idea and realized it in acoustic physics. In the seventh chapter, with the help of materials with extreme characteristics, we have presented a carpet cloak for objects placed on the ground. The main features of this cloak, compared to the work done, are the lack of dependence on the angle, and extremely low thickness. In this research, we presented the most general possible case and as we have shown, we can use this cover for any desired geometry. In the eighth chapter, for cylindrical structures with an arbitrary cross-section, we designed a cover of electromagnetic metasurfaces based on GSTC, which keeps it hidden from the view of electromagnetic waves, regardless of the geometry of the shape. In the same chapter, using materials with extreme characteristics, we designed a cover for cylindrical structures whose far field and near field scattering patterns can be transformed into any other desired object. After we found out that these materials with extreme characteristics have very interesting properties, we didn't stop with this thesis and started to design other devices that, besides being hidden from the view of the external wave, also have other functions at the same time. In the ninth chapter, we verified the idea of concentrator of electromagnetic waves using these extreme materials. As we will see, we have shown that by using materials with extreme characteristics, in addition to the fact that the device itself cannot be seen, it is possible to concentrate electromagnetic energy in an area with an arbitrary geometry. In the tenth, eleventh and twelfth chapters, we implemented this idea for other physics of acoustics, static electric fields and thermodynamics. In the twelfth chapter, using extreme materials, in addition to the concentrator design, we also implemented other structures such as thermal cloak. In fact, we were able to provide omnidirectional concealment using only two anisotropic materials, which is made of simple and realizable materials, unlike previous works. In the 13th chapter, using the aforementioned extreme materials, we designed a lens that can be used to image in the acoustic field, below the diffraction limit, and to identify details that are less than the wavelength. As a result, in this treatise, in addition to obtaining different coatings to hide objects with desired geometry, we were able to design and implement various other tools in different physics.

نهانساز , متامتريال

metamaterial , invisibility cloak

Mohammad Hosein Fakheri

Ali Abdolali