The left hand of electromagnetism: Metamaterials
Elektromanyetiğin sol eli: Metamalzemeler
- Tez No: 270089
- Danışmanlar: PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Physics and Physics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2010
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 187
Özet
Metamalzemeler elektromanyetik özellikleri onları oluşturan birim hücrelere bağlı olan periyodik yapay yapılardır. Bu tezde, ilk olarak metamalzemelerin negatif permeabilite ve negatif permitivite birim hücre özelliklerini inceledik. Negatif permeabilite sağlayan birim hücreleri özellikle elektriksel boyut ve rezonans gücü açılarından araştırdık. Çoklu yarıklı halka rezonatörlerinin (MSRR) ve sarmal rezonatörlerin (SR) deneysel ve sayısal çalışmasını sunduk. İletim ölçümlerinden bu yapıların rezonans frekansını belirledik ve SR'lar için ?0/82, MSRR'lar için ?0/17 minimum elektriksel boyutları elde ettik. Bu ölçümlerde ?0 serbest uzay dalga boyunu ifade etmektedir. Çok yarıklı yapılar için rezonans frekansını ayarlama yöntemi keşfettik. Çifte negatif kompozit metamalzemelerin ölçeklenebilirliğini kullanarak bu yapıları milimetre dalgaboyunda düşük kayıpla çalışır halde tasarladık ve ölçtük. Geçirgen banttaki zirve değeri -2,7 dB olan ve 100 GHz'de çalışan yapıları deneysel olarak gösterdik. Çifte negatif özelliği kanıtlamak için sayısal ve deneysel olarak iletim tabanlı etkisel ortam kuramını uyguladık. Bu sonuçları standart alım analizi ile destekledik. Prizma şeklindeki bir metamalzeme yapıp etkin kırınım indeksinin açısal tarama ölçümleri ile negatif olduğu doğruladık. Dahası, yarıklı halka rezonatör tabanlı düz bir metamalzemeyi eğik açıyla aydınlatıp iletilen gücü tarama deneyleri ölçerek ışığın negatif tarafa kırıldığını gözlemledik. Son olarak bu düz metamalzemeyi boynuz antenin önüne koyduğumuzda davranışının Yagi-Uda antene benzer olduğunu gördük.Sayısal ve deneysel olarak düzlemsel balık ağı metamalzemelerini yaklaşık 20 GHz ve 100 GHz'de çalıştığını gösterdik ve onların etkin kırınım indislerinin negatif olduğunu kanıtladık. Çalışmamız metamalzeme tabakaları ile yayılma vektörünün paralel olmadığı durumu da içermektedir. Eğik açılarla gelen dalgalar için yarıklı halka rezonatörü temelli metamalzemelerin yanıtı değişmemektedir. Ayrıca dalga boyu altı boyutlu periyodik deliklerden geçen güç dalga boyu altı rezonatörler kullanılarak arttırıldı ve tam iletim sağlanabileceği gösterildi.Metamalzeme tabanlı cihazlar, antenler, soğurucular ve arttırılmış iletim yapıları olarak sıralanabilir. Elektriksel olarak küçük, yarıklı halka rezonatörü ve tel antenden oluşan antenler tasarladık. Bu antenlerin elektriksel boyutu, kazancı ve verimliliği sırasıyla ?0/10, 2.38 ve % 43.6 idi. Bu antendeki yan yana dizilmiş SRR sayısı arttığında yaydığı radyasyonun yönü de değişmektedir. Bu küçük antenler fazlı dizi antenlerinin birim elemanı olarak kullanılabilir. Ayrıca, iki çoklu halka rezonatörü birbirine dik konumda kullanarak iki değişik frekansta ve polarizasyonda çalışan bir elektriksel olarak küçük anten gösterdik. Bu anten bir polarizasyon için 4.72 GHz'de diğer polarizasyon için 5.76 GHz'de çalışmaktadır. Verimliliği ise sırasıyla % 15 ve % 40, elektriksel boyutu ise sırasıyla ?/11.2 ve ?/9.5'tur. Son olarak, yuvarlak yama antenlerini minyatürleştirmek için bir yöntem gösterdik. Bu antendeki yama ve toprak düzlemi arasındaki boşluğa rezonatörleri dizerek ?/3.69 ve ?/8.26 elektriksel boyuta sahip yama antenler gösterdik. Bu antenin radyasyon yayılımı, normal yama anteninkine benzerken boyutu daha küçük ve verimi % 40'tır.Metamalzemelerin küçük elektriksel boyutlarından faydalanarak ince mikrodalga radyasyon soğurucular tasarladık. Bu soğurucular i) metal bir arka plaka ve yapay bir manyetik metamalzeme tabakasından, ii) metamalzeme arka plaka ve dirençli sac tabakadan oluşur. Soğurucu performansını çalıştığı kesirli bant genişliği ve elektriksel kalınlığı açılarından inceledik. Tip i) soğurucu için % 8 kesirli bant genişliği ve % 99.8 tepe soğurma değeri olan ?/4.7 kalınlıkta bir soğurucu gösterdik. Kullanılan rezonatörün elektriksel boyutuna bağlı olarak soğurucu kalınlığı değişmektedir. Bu kavramlar optik frekanslar için de geçerlidir ve güneş pili gibi birçok uygulama için ümit vericidir.Periyodik yarıklı halka rezonatörleri kızılötesi ve görünür bantlarda da çalışılabilir. Biz bu çalışmada i) rezonatör şeklini değiştirerek manyetik rezonans frekansının değiştiğini, ii) periyodik dizilimde rezonatör yoğunluğunun etkisini iii) metal kaynaklı kayıpları ve metal plazma frekansının etkisini gösterdik. Optik rejimde arttırılmış iletim için dalga boyu altı yarıklı halka rezonatör antenleri ve kuplörleri kullanarak elektriksel boyutu ?^2/25 olan bir delikten 400 kat arttırılmış iletim elde ettik. Bu güç uzak alana 300 THz frekansta 3.9 dBi yönlülük ile aktarılmaktadır.
Özet (Çeviri)
Metamaterials are artificial periodic structures whose electromagnetic response is solely dependent on the constituting unit cells. In the present thesis, we studied unit cell characteristics of metamaterials that has negative permeability and permittivity. We investigated negative permeability medium elements, especially in terms of their electrical size and resonance strength. Experimental and numerical study of µ-negative (MNG) materials: multi split ring resonators (MSRRs), spiral resonators (SRs) and multi-spiral resonators are presented. The resonance frequency of the structures is determined by the transmission measurements and minimum electrical size of ?0/17 for the MSRRs and of ?0/82 for the SRs observed. We explain a method for tuning the resonance frequency of the multi-split structures. We investigated scalability of MNG materials and designed a low loss double negative composite metamaterial that operates at the millimeter wave regime. A negative pass-band with a peak transmission value of -2.7 dB was obtained experimentally at 100 GHz. We performed transmission based qualitative effective medium theory analysis numerically and experimentally, in order to prove the double negative nature of the metamaterial. These results were supported by the standard retrieval analysis method. We confirmed that the effective index of the metamaterial was indeed negative by performing far field angular scanning measurements for a metamaterial prism. Moreover, we illuminated the split-ring resonator based metamaterial flat lens with oblique incidence and observed from the scanning experiments, the shifting of the beam to the negative side. The first device was a horn antenna and metamaterial lens composite whose behavior was similar to Yagi-Uda antenna.We numerically and experimentally investigated planar fishnet metamaterials operating at around 20 GHz and 100 GHz and demonstrated that their effective index is negative. The study is extended to include the response of the metamaterial layer when the metamaterial plane normal and the propagation vector are not parallel. We also experimentally studied the transmission response of a one dimensional rectangle prism shaped metamaterial slab for oblique incidence angles and confirmed the insensitivity of split-ring resonator based metamaterials to the angle of incidence. After the demonstration of complete transmission enhancement by using deep subwavelength resonators into periodically arranged subwavelength apertures, we designed and implemented a metamaterial with controllable bandwidth.The metamaterial based devices can be listed under the categories of antennas absorbers and transmission enhancement. We studied electrically small resonant antennas composed of split ring resonators (SRR) and monopoles. The electrical size, gain and efficiency of the antenna were ?0/10, 2.38 and 43.6%, respectively. When we increased the number of SRRs in one dimension, we observed beam steerability property. These achievements provide a way to create rather small steerable resonant antennas. We also demonstrated an electrically small antenna that operates at two modes for two perpendicular polarizations. The antenna was single fed and composed of perpendicularly placed metamaterial elements and a monopole. One of the metamaterial elements was a multi split ring resonator and the other one was a split ring resonator. When the antenna operates for the MSRR mode at 4.72 GHz for one polarization, it simultaneously operates for the SRR mode at 5.76 GHz, but for the perpendicular polarization. The efficiencies of the modes were 15% and 40% with electrical sizes of ?/11.2 and ?/9.5. Finally, we experimentally verified a miniaturization method of circular patch antennas. By loading the space between the patch and ground plane with metamaterial media composed of multi-split ring resonators and spiral resonators, we manufactured two electrically small patch antennas of electrical sizes ?/3.69 and ?/8.26. The antenna efficiency was 40% for the first mode of the multi-split ring resonator antenna with broad far field radiation patterns similar to regular patch antennas.We designed, implemented, and experimentally characterized electrically thin microwave absorbers by using the metamaterial concept. The absorbers consist of i) a metal back plate and an artificial magnetic material layer; ii) metamaterial back plate and a resistive sheet layer. We investigated absorber performance in terms of absorbance, fractional bandwidth and electrical thickness, all of which depend on the dimensions of the metamaterial unit cell and the distance between the back plate and metamaterial layer. As a proof of concept, we demonstrated a ?/4.7 thick absorber of type i), with a 99.8% absorption peak along with a 8% fractional bandwidth. We have also demonstrated experimentally a ?/4.7 and a ?/4.2 thick absorbers of type ii), based on SRR and MSRR magnetic metamaterial back plates, respectively. The absorption peak of the SRR layout is 97.4%, while for the MSRR one the absorption peak is 98.4%. We conveyed these concepts to optical frequencies and demonstrated a metamaterial inspired absorber for solar cell applications.We finalized the study by a detailed study of split ring resonators at the infrared and visible band. We studied i) frequency tuning, ii) effect of resonator density, iii) shifting magnetic resonance frequency by changing the resonator shape, iv) effect of metal loss and plasma frequency and designed a configuration for transmission enhancement at the optical regime. By using subwavelength optical split ring resonator antennas and couplers we achieved a 400-fold enhanced transmission from a subwavelength aperture area of the electrical size ?2/25. The power was transmitted to the far field with 3.9 dBi directivity at 300 THz.
Benzer Tezler
- Applications of electromagnetic phenomena in periodic structures
Periyodik yapılarda beliren elektromanyetik fenomenlerin uygulama sahaları
ATİLLA ÖZGÜR ÇAKMAK
Doktora
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Metamalzeme tabanlı iki modlu anten tasarımı
Metamaterial based dual mode antenna design
GÖKAY DİŞKEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. EVREN EKMEKÇİ
- Düzlemsel metamalzemeler ve uygulamaları
Planar metamaterials and their applications
YUSUF ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ASIM EGEMEN YILMAZ
- Elektromanyetik silah sistemlerinin incelenmesi ve bir uygulama örneği
An investigation on electromagnetic weapon systems and a case study
İSMAİL YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADNAN KAKİLLİ
- Circularly polarized array antenna design with emphasis to enhance the antenna performance for C-band applications
C-bandı uygulamaları için anten performasını geliştiren dairesel polarizasyonlu dizi anten tasarımı
SAEİD KARAMZADEH
Doktora
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MESUT KARTAL