عنوان پایان‌نامه
تفرق امواج الکترومغناطیسی در برخورد به ساختارهای متناوب متشکل از مواد با ضریب شکست منفی
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-مخابرات-میدان
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2139;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 55094
- تاریخ دفاع
- ۲۴ تیر ۱۳۹۱
- دانشجو
- راحله محمدی منفرد
- استاد راهنما
- محمود شاه آبادی
- چکیده
- مواد با ضریب شکست منفی دارای ضریب گذردهی الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی توأماً منفی هستند. این مواد در طبیعت یافت نمی‌شوند و به این دلیل تا کنون ساختارهای مصنوعی متنوعی برای دستیابی به ضریب شکست منفی معرفی شده‌اند. هدف این پایان‌نامه، بررسی و تحلیل تفرق از ساختارهای متناوبی است که ضریب شکست منفی از خود نشان می‌دهند. به این منظور ساختارهای متناوب عایقی و ساختارهای متناوب فلزی به شرح ذیل مورد بررسی قرار می‌گیرند. برای تجزیه و تحلیل مسأل? تفرق امواج از ساختارهای متناوب عایقی از روش خطوط انتقال معادل در شکل سه بعدی آن استفاده می‌شود. پارامترهای مؤثر این ساختارها از معادل‌سازی ناحی? متناوب ساختار با یک ناحی? همگن استخراج می‌شوند. برای بررسی صحت و دقت عملکرد روش ارائه شده، نتایج این روش با نتایج روش تفاضل محدود در حوزه زمان ، نتایج اندازه‌گیری و نتایج نرم‌افزار COMSOL مقایسه شده‌اند. در ساختارهای متناوب فلزی مورد نظر در این پایان‌نامه، فرکانس کار از فرکانس پلاسمای فلز مورد استفاده در ساختار متناوب کمتر انتخاب می‌شود. در این فرکانس‌ها ضریب گذردهی الکتریکی فلزات، عددی منفی است. با فاصله گرفتن از فرکانس پلاسما و افزایش طول موج، بخش حقیقی ضریب گذردهی الکتریکی، عددی منفی و بسیار بزرگ و بخش موهومی، عددی منفی و بسیار کوچک خواهد شد. در این شرایط روش‌های مبتنی بر تبدیل فوریه از جمله روش خطوط انتقال معادل، همگرایی مناسبی ندارند. در این پایان‌نامه برای بهبود عملکرد این روش در تحلیل ساختارهای متناوب فلزی سه بعدی، پس از تجزی? لایه‌های فلزی به لایه‌های بسیار نازک، روشی ترکیبی که از ترکیب روش خطوط انتقال معادل با روش اویلر بهبود یافته حاصل شده است، پیشنهاد می‌شود. همچنین خواهیم دید که ساختارهای متناوب فلزی دو بعدی با حل مجموعه‌ای از معادلات فوق‌جبری برای استخراج مقادیر ویژ? مودهای انتشار و سپس استفاده از این مقادیر در روش خطوط انتقال معادل تحلیل می‌شوند. در یک نگاه کلی، کارهای انجام شده در این پایان‌نامه به صورت زیر خلاصه می‌شوند: الف) تحلیل ساختارهای متناوب متشکل از مواد طبیعی که دارای ضریب‌های گذردهی الکتریکی و ضریب نفوذپذیری مغناطیسی همزمان مثبت هستند. این ساختارها می‌توانند دارای ضریب‌های گذردهی الکتریکی مؤثر منفی، ضریب نفوذپذیری مغناطیسی مؤثر منفی و یا ضریب شکست منفی در یک باز? فرکانسی باشند. ب) تحلیل ساختارهای متناوب متشکل از موادی نظیر برخی از فلزات که در باند فرکانسی ویژه‌ای دارای ضریب گذردهی الکتریکی منفی هستند. به کمک طراحی مناسب، این ساختارها می‌توانند از خود ضریب شکست منفی نشان دهند.
- Abstract
- Both permittivity and permeability of negative refractive index materials are negative. These materials are not found in nature; therefore, different artificial structures have been introduced to achieve negative refractive index. The purpose of this thesis is to investigate and analyze diffraction from periodic structures showing negative refractive index. To this end, various dielectric and metallic periodic structures are investigated in this work. To analyze scattering from dielectric periodic structures, three-dimensional (3-D) method of equivalent transmission lines method is used. Effective parameters of these structures can then be estimated by substituting the periodic region with an equivalent homogeneous one showing the same scattering behavior. To verify the accuracy of the presented method, we compare the numerical results of this method with those of the Finite-Difference Time-Domain (FDTD), measurements, and the results obtained using COMSOL. For metallic periodic structures investigated in this work, the operation frequency is assumed to be lower than the metal plasma frequency. At these frequencies, permittivity of metal is negative. By decreasing plasma frequency and increasing wavelength, real and imaginary part of permittivity while being negative will grow very large and very small, respectively. Under these conditions, methods based on the Fourier transformation such as the method of equivalent transmission lines do not converge appropriately. In this thesis, in order to improve the convergence of the method for analyzing 3-D periodic metallic structures, after decomposition of metallic layers into very thin layers, a combination of the method of equivalent transmission lines with the improved Euler method for a system of differential equations is proposed. Moreover, it will be shown that two-dimensional (2-D) periodic metallic structures can be analyzed using the solutions of a set of transcendental equations which correspond to the eigen-modes. This analysis is then followed by the standard computations of the method of equivalent transmission lines. The main contributions of this thesis are as follows: a) Analysis of periodic structures composed of natural materials with simultaneous positive permittivity and permeability. Effective permittivity, permeability, thus refractive index of these periodic structures
