عنوان پایان‌نامه
تفرق امواج الکترومغناطیسی از ساختار ها تناوبی متشکل از زیر لایه های نیمه هادی
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-مخابرات-میدان
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2585;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 66050
- تاریخ دفاع
- ۲۵ شهریور ۱۳۹۳
- دانشجو
- مینا حنیفه
- استاد راهنما
- محمود شاه آبادی
- چکیده
- هدف ما در این پایان نامه تحلیل تمام‌موج تفرق امواج الکترومغناطیسی توسط ساختارهای متناوب فلزی روی زیرلایه‌ی نیمه‌رسانای غیرخطی است. این تحلیل با توجه به گسترش روزافزون کاربرد ساختارهای پلازمونی با زیرلایه نیمه رسانا در مهندسی و علوم، می تواند حائز اهمیت فراوانی باشد. روند کلی در نظر گرفته‌شده در این تحلیل، تعمیم روش توازن هارمونیک‌ها به حل مسائل الکترومغناطیسی با محیط غیرخطی است. لازم به ذکر است که تاکنون روش توازن هارمونیک‌ها غالبا برای آنالیز مدارهای الکتریکی یا مدارهای مایکروویو غیرخطی بکار برده شده است. بر این پایه، در ابتدا مروری کلی بر ویژگی‌های غیرخطی نیمه‌رساناها و ویژگی‌های نوری فلزات انجام دادیم. در ادامه، برای تحلیل عددی ساختار مورد نظر، روش فرمول‌بندی خط انتقال را به عنوان هسته‌ی مرکزی تحلیل در نظر گرفتیم. این روش معادلات ماکسول را حتی در صورت غیرخطی بودن محیط به معادلات تلگراف که بر خطوط انتقال چند سیمه حاکم است، تبدیل می‌کند که می‌توان این معادلات را با روش توازن هارمونیک‌ها تحلیل کرد. در این تحلیل ساختار مورد بررسی در هارمونیک های فرکانس اصلی واقع در طیف فرکانسی مورد نظر به طور خطی آنالیز می شود. برای این منظور ویژگی های الکتریکی فلزات در هر یک از این هارمونیک بکار گرفته می شوند. در بازه‌ی فرکانسی که فلزات رسانای کامل نیستند، با استفاده از فرمول‌بندی خط انتقال چند ساختار متناوب فلزی شبیه‌سازی و طیف انتقال آنها تعیین شده است. با توجه به آنکه این روش بر پایه‌ی بسط فلوکه میدان‌های الکترومغناطیسی است، برای شبیه‌سازی ساختارهای متناوب متشکل از رسانای کامل از روش‌های ترکیبی تشکیل شده از روش خط انتقال و روش ممان بهره‌گرفتیم. با بهره‌گیری از نتایج این شبیه‌سازی‌ها، تقویت شدت میدان در مجاورت ساختارهای متناوب فلزی بررسی شده است. در انتها، برای شبیه‌سازی ویژگی‌های غیرخطی زیرلایه، روش پیشنهاد شده که ترکیبی از فرمول‌بندی خط انتقال و روش توازن هارمونیک‌ها است مورد استفاده قرارگرفته و نمونه‌ای از یک تیغه‌ی غیرخطی با استفاده از آن شبیه‌سازی شده است.
- Abstract
- Our objective in this thesis is to develop a full-wave electromagnetic analysis for periodic metallic structures on nonlinear semiconducting substrates. The importance of this analysis is mainly because of the growing applications of plasmonic structures in science and technology. The principal approach in our analysis is to generalize the well-known Harmonic Balance (HB) method to solve electromagnetic problems in nonlinear media. So far, the method of HB has been successfully applied to the analysis of nonlinear electrical or microwave circuits. To make use of the method of HB, we first investigate optical nonlinear properties of semiconductors as well as optical properties of typical metals used in plasmonic structures. Then, to analyze the structure numerically, Transmission Line Formulation (TLF) is chosen as the core computational technique. This method transforms Maxwell’s equations to the telegrapher’s equations governing multi-conductor transmission lines, even when the medium is nonlinear. We show that these equations can be solved using the HB method. Hereby, the linear part of the structure under investigation should be analyzed at the fundamental frequency and its harmonics. Consequently, at any harmonic frequency, electrical properties of metals must be known to be included in the analysis. To demonstrate the accuracy of the proposed method for the frequencies at which metals are not perfect electric conductors, a number of periodic metallic structures are simulated and their transmission spectrum is evaluated using the TLF. Considering the fact that this method is based on expanding electromagnetic fields in a Floquet series, we first exploit a hybrid numerical technique comprised of the Method of Moments (MoM) and the TLF for infinitely thin and highly conducting metallic gratings. We then develop a hybrid technique in which the MoM and TLF are combined to analyze thick metallic gratings. This is carried out after a modal analysis of the periodic layer of the structure in the frequency domain. Numerical results of these simulations verify field enhancement in the vicinity of metallic parts in the periodic structure under investigation. At the end, to include nonlinear properties of the substrate, the proposed hybrid method consisting of the TLF and the method of HB is applied to the simulation of a nonlinear slab.
