Χρήση των μεταϋλικών σε προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας
Authors: Κολλάτου Θεοφανώ 
Published: September 2021

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.