Χρήση των μεταϋλικών σε προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας: απορροφητές μεταϋλικών

Abstract

This dissertation provides efficient models and analysis of new metamaterial absorbers utilising some conventional and new electrical resonators for multi-band and broadband high absorption. At the same time a novel technique is introduced that leads to setting up multi-band and extended-band absorber surfaces, incorporating non-orthogonal periodic lattices. Metamaterials are attractive not only for their exotic electromagnetic properties, but also their promise for applications. The main reason for choosing this field for research is that a particular branch–the metamaterial perfect absorber– has garnered interest due to the fact that it can achieve unity absorptivity of electromagnetic waves.The main focus is on the design and performance analysis of microwave absorbers. First of all, the design and simulation of an ultra-thin, polarization-insensitive, resonant ELC−CCR metamaterial absorber for operation at microwave frequencies is introduced, exhibiting improved bandwidth and wide-angle performance, as opposed to existing configurations. The absorption procedure is discussed in detail and comparisons are conducted to reveal the contribution of the different loss mechanisms to the proposed structure’s overall efficiency. A promising absorbing performance has also been revealed for two different cases of obliquely incident plane waves, making the structure appropriate for practical EMC applications.Also, a family of ultrathin, polarization-insensitive, S-ERR metamaterial structures that can achieve high absorption in multiple frequencies within the microwave regime is thoroughly investigated. To this end, an electric resonator and a pair of crossed wires are imprinted on the opposite faces of a dielectric substrate. More absorbing layers can be stacked along the propagation direction in order to fully absorb impinging radiation, while keeping the overall size of the arrangement relatively constrained. Furthermore, by exploiting the scalability property of metamaterials, multiple unit cells designed for different resonant frequencies, are placed adjacent to each other to form an extended unit cell that exhibits multiple absorption bands. The proposed concept is successfully exemplified in various dual- and triple-band structures. Furthermore, by utilising the scalability feature of the newly presented O-SRR elements, we have achieved multiple absorption peaks at the desired frequencies, thus extending our idea to multi-band structures. The proposed setups have been proven to exhibit several attractive characteristics by remaining electrically thin at the resonance frequency implementing a low-cost FR-4 dielectric substrate. Using this feature, these absorbers could be designed to work at other EM frequency range with nearly perfect absorption. Moreover, current distributions for several multiband structures verified our idea towards the realization of multi-band absorbers by combining unit cells with different absorbing frequencies and provided a better insight into the physics behind the multiple absorption.Finally, a low complexity novel idea of using non-orthogonal lattices to achieve multi- and extended- band highly absorber surfaces with conventional metamaterial structures, is proposed. By varying the lattice angle and keeping all the other parameters constant, we can either achieve multi- or extended band high absorption, shifting the resonance to the desired frequency. Possible extensions of the new methodology can be envisaged in terms of additional degrees of freedom to the presented design procedure. Hence, the aforementioned assets can render this technique a potential candidate for diverse real-world applications in the microwave spectrum such as bolometric pixel element or spectrum filter with the feature of designable, multi- and broad-operating frequency bands.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτάθηκαν, αναλύθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν νέες δομές απορροφητικών επιφανειών μεταϋλικών. Παρότι υπάρχουν δομές με απορροφητές από μεταϋλικά στη βιβλιογραφία, οι σύγχρονες πρακτικές εφαρμογές απαιτούν πιο εξελιγμένα χαρακτηριστικά. Οι προτεινόμενες δομές παρουσιάζουν υψηλή απορρόφηση για ευρεία γωνία πρόσπτωσης και είναι ταυτόχρονα και ανεξάρτητες της πόλωσης. Επίσης με κατάλληλη σχεδίαση, χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές, οι δομές αυτές μπορούν να οδηγήσουν σε διατάξεις πολυζωνικών και ευρυζωνικών απορροφητών. Αυτές οι ιδιότητες είναι χρήσιμες σε διάφορα προβλήματα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών /ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (EMI/ EMC).Επιπρόσθετα, παρουσιάστηκε μια νέα καινοτόμα τεχνική όπου με τη χρήση μη ορθογωνίων πλεγμάτων μπορούν να δημιουργηθούν αποτελεσματικές διατάξεις απορρόφησης με συμβατικές δομές μεταϋλικών. Μεταβάλλοντας την γωνία πλέγματος ω και κρατώντας όλες τις άλλες παραμέτρους σταθερές, μπορούμε είτε να επιτύχουμε ευρεία είτε πολλαπλή ζώνη υψηλής απορρόφησης, μετατοπίζοντας τον συντονισμό στην επιθυμητή συχνότητα. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά, μελετήθηκαν και αναλύθηκαν τα χαρακτηριστικά και η απόδοση απορροφητών που χρησιμοποιούν ηλεκτρικούς συντονιστές στην συχνοτική περιοχή των μικροκυμάτων. Η πρώτη οικογένεια απορροφητών που παρουσιάστηκε βασίζεται στον μεταλλικό ηλεκτρικό LC συντονιστή σχήματος περιγεγραμμένου σταυρού (ELC−CCR), που βρίσκεται εντυπωμένος στην μπροστινή όψη ενός διηλεκτρικού στρώματος. Στη συνέχεια με τη χρήση της μεθόδου FEM και εφαρμογή των κατάλληλων περιοδικών οριακών συνθηκών επιτεύχθηκε σχεδόν τέλεια απορρόφηση. Πραγματοποιήθηκε επιπλέον διερεύνηση της περίπτωσης της πλάγιας πρόσπτωσης μεταβάλλοντας τις γωνίες θ και φ. Η συγκεκριμένη διάταξη χαρακτηρίστηκε ως ευρείας γωνίας. Συμπεράσματα εξάχθηκαν και από τη μελέτη του μηχανισμού απωλειών όπου και διαπιστώθηκε ότι όταν είναι παρόντες και οι δυο μηχανισμοί απωλειών πυκνότητας ισχύος, οι απώλειες που οφείλονται στο διηλεκτρικό είναι οι κυρίαρχες ενώ στην περίπτωση τέλειου διηλεκτρικού οι ωμικές απώλειες δεν είναι ασήμαντες.Στη συνέχεια ερευνήθηκε και προσομοιώθηκε ένας τετραγωνικού τύπου δακτύλιος ηλεκτρικού συντονιστή (S-ERR) σε συνδυασμό με δυο κάθετες σταυροειδείς γραμμές μικροταινίας. Προσθέτοντας περισσότερα στρώματα της ίδιας διάταξης, παρότι δεν παρατηρήθηκε περαιτέρω βελτίωση της ήδη υψηλής κορυφής απορρόφησης, εμφανίστηκαν στο φάσμα συχνοτήτων δευτερογενής απορροφητικές περιοχές, οδηγώντας σε μια απόδοση παρόμοια με έναν απορροφητή διπλής ζώνης. Διατηρώντας τον ίδιο συντονιστή, αντικαταστάθηκε η σταυροειδής πίσω πλευρά της διάταξης με ένα φύλλο χαλκού έτσι ώστε να μηδενιστεί η ανάκλαση. Εξετάσθηκε και διαπιστώθηκε η ικανότητά της ως αποτελεσματικού απορροφητή τόσο προσομοιωτικά όσο και πειραματικά με δομή που κατασκευάσθηκε και μετρήθηκε στο εργαστήριο. Δοκιμάστηκε επίσης η απόδοσή της για ευρεία γωνία πρόσπτωσης, όπου οι καμπύλες έδειξαν υψηλή απορρόφηση, με κέντρο σχεδόν στην ίδια συχνότητα με εκείνη που αναφέρεται στην κανονική πρόσπτωση, ακόμα και για μεγάλες γωνίες πρόσπτωσης. Επιπλέον μελετήθηκε και επεξηγήθηκε ο μηχανισμός απορρόφησης της δομής τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά.Ακολούθησε η σχεδίαση και μοντελοποίηση απορροφητικών διατάξεων διπλής και τριπλής ζώνης υψηλής απορρόφησης όπου χρησιμοποιήθηκε η ιδιότητα μεταβλητών διαστάσεων (scalabity) των μεταϋλικών. Πολλαπλασιάζοντας τις διαστάσεις του αρχικού συντονιστή με διάφορους συντελεστές (s>1 και s<1) μετατοπίστηκε η συχνότητα συντονισμού αφήνοντας ανεπηρέαστο το σχήμα της καμπύλης απορρόφησης. Συστοιχίες τέτοιων τροποποιημένων ERR τοποθετήθηκαν κατά –x και –y σε συνδυασμό με ένα φύλλο χαλκού στο πίσω μέρος της διηλεκτρικής πλάκας. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής παρουσίασαν σχεδόν τέλεια απορρόφηση σε πολυζωνικές δομές απορρόφησης. Επίσης χρησιμοποιήθηκε και η τεχνική των ένθετων συντονιστών, αφού παρουσιάστηκε πρώτα ένας καινούριος συντονιστής οκτγωνικού τύπου, που σχεδιάστηκε για τη δημιουργία ενός νέου απορροφητή μεταϋλικού. Παρουσιάστηκαν και συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα της τεχνικής των ένθετων αυντονιστών (nested) και της τεχνικής των τοποθετημένων κατά –x και –y (side by side). Προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα από την εξέταση των δυο τεχνικών αυτών, όπου η πρώτη περίπτωση επέδειξε υψηλά ποσοστά απορρόφησης, για πολλαπλές δομές, σε πιο συμπυκνωμένη και ηλεκτρικά μικρή δομή σε σύγκριση με τη δεύτερη.Τέλος, παρουσιάστηκε μια χαμηλής πολυπλοκότητας εναλλακτική προσέγγιση στη σχεδίαση ευρυζωνικών διατάξεων απορροφητών που βασίστηκε στη γεωμετρία των πλεγμάτων. Η νέα τεχνική ενσωμάτωσε τη χρήση των συμβατικών δομών μεταϋλικών (SRR), για τη δημιουργία πολλαπλών και ευρυζωνικών απορροφητών, χρησιμοποιώντας μη ορθογωνικά πλέγματα. Εισάγοντας επιπλέον βαθμούς ελευθερίας στην παρουσιαζόμενη διαδικασία σχεδιασμού, μπορούμε να επεκτείνουμε το εύρος ζώνης αλλά πιθανώς και τις συχνότητες συντονισμού. Με αξιοποίηση των προαναφερθέντων στοιχείων η τεχνική αυτή θα μπορούσε να τελειοποιηθεί και να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες ρεαλιστικές εφαρμογές.