سمینار برق بررسی کاربرد مواد Metamaterial در آنتن ها

سمینار برق بررسی کاربرد مواد Metamaterial  در آنتن ها 

لطفا از این پروژه در راستای تکمیل تحقیقات خود و در صورت کپی برداری با ذکر منبع استفاده نمایید.

چکیده: 

در چند سال اخیر، تلاش هایی برای بهبود خصوصیات تشعشعی آنتن ها صورت گرفته است. با معرفی مواد متامتریال و بررسی ویژگی های منحصر به فرد این مواد، تحقیقات زیادی در مورد کاربرد این مواد در سیستم های تشعشعی صورت گرفته است. بهبود گین، دایرکتیویتی وقدرت انتشار آنتن، از جمله مهمترین اهداف می باشد. در این سمینار تاثیرات استفاده از این مواد در آنتن ها بررسی و مطالعه می شود. ابتدا چند ساختار متامتریال معرفی شده و مورد ارزیابی قرار می گیرد، سپس تاثیرات تک تک این ساختار ها در بهبود گین آنتن دو قطبی، بررسی می شود. یکی از جالب ترین ویژگی های این مواد اینست که در برخی فرکانس ها ضرایب نفوذ پذیری الکتریکی و مغناطیسی شان صفر یا کوچکتر از صفر می شود. طبق قوانین الکترو مغناطیسی می دانیم که یکی از ضرایب نفوذ پذیری الکتریکی یا مغناطیسی در یک فرکانس مشخص صفر شود منجر به صفر شدن ضریب شکست شده و در نتیجه باعث خواهد شد که جهت امواج خروجی از ماده، به بردار نرمال سطح نزدیکتر شود که از این خصیصه برای بهبود دایرکتیویتی و گین آنتن، استفاده خواهیم کرد. از سوی دیگر، چون این مواد قادر به پشتیبانی امواج وارونه هستند، می توانند سیستم تشعشعی را چند بانده کنند. 

مقدمه: 

متامتریال ها عموما ترکیبی از هادیها که روی دی الکتریک چاپ می شوند، می باشند. پارامترهای پراکندگی این مواد در یک موجبر با خصوصیات معادل پلاسما یا ساختار تشدید آنالیز و مقایسه می شوند. متامتریال ها مواد مصنوعی هستند که با استفاده از ایجاد برخی خصوصیات ویژه در مواد معمولی بوجود آمده و خصوصیات الکترو مغناطیسی آنها کمی متفاوت با مواد معمولی می باشد. این مواد همچنین بعنوان ساختارهای الکترومغناطیسی همگن مصنوعی با خصوصیات غیر عادی که به سهولت در طبیعت یافت نمی شوند نیز شناخته می شوند. خصوصیت جالب توجه متامتریال ها اینست که ضریب شکستشان می تواند منفی یا نزدیک به صفر شود. طبق قوانین الکترو مغناطیسی اگر ضریب شکست ماده ای نزدیک به صفر شود، پدیده فوق شکست رخ داده و امواج بازتابشی به جهت بردار نرمال سطح نزدیک شده و باعث متمرکز شدن میدانها شده و خصوصیات تشعشعی بطور موثری بهبود می یابد. بدین منظور ماده متامتریال با ضریب شکست نزدیک به صفر در فرکانس مورد نظر به صورت لایه فوقانی در بالای صفحه تشعشعی آنتن قرار گرفته و تاثیر آن در بهره آنتن بررسی خواهد شد. 

فصل اول 

کلیات 

1-1) هدف 

پس از معرفی مواد متامتریال و بررسی خصوصیات این مواد، می خواهیم تاثیر استفاده از این مواد را در سیستم های تشعشعی بررسی کنیم. این مواد دارای خصوصیات منحصر به فردی می باشند که بواسطه این خصایص می توان راندمان سیستم های تشعشعی را بطور موثری بهبود بخشید. مهمترین ویژگی این مواد اینست که ضرایب نفوذ پذیری الکتریکی و مغناطیسی شان در برخی از فرکانس ها صفر یا کوچکتر از صفر شده و در نتیجه ضریب شکست نیز دچار تغییر می شود. طبق قوانین الکترو مغناطیسی اگر ضریب شکست ماده ای نزدیک به صفر باشد، جهت موج خروجی از سطح به جهت بردار نرمال نزدیک شده (پدیده فوق شکست) و در نتیجه منجر به متراکم شدن میدان های الکترو مغناطیسی شده و دایرکتیویتی و گین آنتن افزایش می یابد. ویژگی دیگر این مواد اینست که به علت پشتیبانی از امواج وارونه، منجر به چند بانده شدن آنتن می شوند، یعنی آنتن در چند باند فرکانسی مختلف عملکرد تقریبا یکسانی خواهد داشت. در این سمینار تاثیر استفاده از این مواد در آنتن ها، بررسی خواهد شد.

2-1) پیشینه تحقیق 

اولین مطالعه تئوری متامتریال ها توسط veselago در سال 1960 انجام گرفت، اواثر انتشار موج تخت را روی زیر لایه فرضی که با خصوصیات نفوذ پذیری مغناطیسی و نفوذ پذیری الکتریکی منفی شبیه سازی شده بود، بررسی کرد. وی متوجه شد که بردار سمت یک موج تخت با سمت سرعت فاز آن موج موازی نمی باشد که بر خلاف قاعده مرسوم انتشار موج تخت در محیط های معمولی می باشد. در سال 1996 Pendry نشان داد که محیط متشکل از رشته های فلزی نازک که بصورت متناوب هستند، وقتیکه ساختار شبکه و قطر رشته در مقیاس با طول موج، کوچک باشند، بعنوان یک ماده همگن با فرکانس پلاسمای خاصی رفتار می کند. تحقیقات وی بیانگر این مطلب بود که، حلقه های مشدد شکافته (SRR) می توانند روی ضریب نفوذ پذیری مغناطیسی منفی موثر، در فرکانسهای خاصی تاثیر بگذارند. در سال 2000 میلادی، Smith برای اولین بار به صورت عملی روی متامتریال های چپ گرد متمرکز شده وضریب شکست منفی را نشان داد.