ישנם הרבה שימושים עבור חומרים בולעים בתחום תדרי ה- RF. לדוגמא, בהתקנת חומר בולע בתא חסר הד, לצורך החלשת חתימה אלקטרומגנטית של מכ”מ (Radar Cross Section) ועבור שימוש חומר בולע בהתקנים שונים לצורך טיפול בהפרעות אלקטרומגנטיות (Electro-Magnetic Interferences). בדרך כלל משתמשים בחומרים בולעים מסוג ספוגים או חומרים מגנטיים. כיום, ישנה התעניינות גוברת בפיתוח חומרים בולעים משטחיים בתחום תדרי המיקרוגל. היתרון הוא יצור זול ומבנים קלי משקל.
ניתן להשתמש במבנים מחזוריים המודפסים על מצע דיאלקטרי דק. מבנה כזה נקרא FSS
(Frequency Selective Surface) או Metasurface, במידה ומחזור מספיק קטן יחסית לאורך הגל. ע”י שילוב של נגדים או פס התנגדות (Resistive Sheet) במבנה המחזורי, ניתן לממש בליעה של קרינה אלקטרומגנטית. בהנחה שמדובר על מקור הנמצא בשדה הרחוק, הביצועים של המבנה יהיו תלויים בתחום התדר, בקיטוב הגל הפוגע ובזווית הפגיעה.
בהמשך נראה תכן של מספר דוגמאות עבור חומר בולע מלאכותי. כל הסימולציות בוצעו ע”י שימוש בתוכנה ANSYS HFSS במישור התדר, בשיטת חישוב FEM (Finite Element Method).
בשלב הראשון, נשתמש בשיטת האלמנט הבסיסי (Unit Cell), שזהו אלמנט בסיסי עם תנאי שפה מחזוריים. גל מישורי פוגע במבנה בפגיעה ניצבת או בפגיעה בזווית. בעצם, אנו מבצעים סימולציה של הגל המישורי הפוגע במבנה מחזורי אינסופי (במישור XY), לכן אין פיזור מקצוות המבנה. בסימולציה הנ”ל ניתן לבדוק מה רמת הבליעה כתלות בתדרים שונים ובקיטובים שונים (קיטוב זהו כיוון השדה החשמלי של הגל המישורי).
באיור מס’ 1 ניתן לראות את הגיאומטריה של האלמנט הבסיסי. ישנם 4 מוליכים בצורת טרפז, כאשר בין שני הפסים הנמצאים אחד מול השני מותקן נגד 220 Ω. כל זוג פסים נמצא משני צדדים של החומר הדיאלקטרי דק ומעל המשטח המתכתי.
איור מס’ 1 – גיאומטריה של האלמנט הבסיסי, חומר בולע מס’ 1
הסיבה לכך שישנם שני זוגות פסים מאונכים, היא על מנת לבלוע את האנרגיה של הגל בשתי הקיטובים. איור מס’ 2 מציג את מקדם הבליעה באחוזים כפונקציה של התדר, עבור שני הקיטובים בפגיעה ניצבת (θ=0º).
איור מס’ 2 – גרפים של מקדם הבליעה במקרה של פגיעה ניצבת בשני הקיטובים, חומר בולע מס’ 1
כפי שניתן לראות מאיור מס’ 2, ישנה בליעה מעל 95% בתחום התדרים 3 GHz – 6.7 GHz. איור מס’ 3 מתאר את המקדם הבליעה במקרה של פגיעה בזווית עבור קיטוב אנכי, בתדרים שונים.
איור מס’ 3 – גרפים של מקדם הבליעה במקרה של פגיעה בזווית עבור קיטוב אנכי, בתדרים שונים, חומר בולע מס’ 1
עבור הקיטוב האנכי ותחום התדרים מ – 4 GHz עד 6 GHz, הבליעה הינה מעל 90% במקרה של פגיעה בזוויות בין 0º ל – 40º. דוגמא נוספת לחומר בולע, היא שימוש ב – Resistive Sheet על מנת לבלוע את האנרגיה. איור מס’ 4 מציג את האלמנט הבסיסי עבור הרעיון הנ”ל.
איור מס’ 4 – גיאומטריה של האלמנט הבסיסי, חומר בולע מס’ 2
המבנה מורכב מפסים עם Rs=30 Ω / square המותקנים מעל משטח מוליך מחזיר. באיור מס’ 5 ניתן לראות שישנה בליעה מעל 95% בתחום התדרים 3.7 GHz – 10.2 GHz כאשר הגל המישורי פוגע במבנה בזווית ניצבת.
איור מס’ 5 – גרף של מקדם הבליעה במקרה של פגיעה ניצבת בשני הקיטובים, חומר בולע מס’ 2
איור מס’ 6 מציג את המקדם הבליעה עבור הקיטוב האנכי, כפונקציה של הזווית הפגיעה, עבור מספר תדרים.
איור מס’ 6 – גרפים של מקדם הבליעה במקרה של פגיעה בזווית עבור קיטוב אנכי, בתדרים שונים, חומר בולע מס’ 2
כפי שרואים בגרפים באיור מס’ 6, ישנה בליעה מעל 90% בתחום התדרים 6 GHz – 10 GHz בזוויות פגיעה בין 0º ל – 45º.
לאחר השלב הראשון של תכן האלמנט הבסיסי, בשלב השני ניתן במידת הצורך לבצע סימולציה של המבנה בממדים סופיים, כפי שמוצג באיור מס’ 7.
(a) (b)
איור מס’ 7 – (a) מבנה בממדים סופיים עבור חומר בולע מס’ 1, (b) מבנה בממדים סופיים עבור חומר בולע מס’ 2
במקרה הזה, הסימולציה תכלול התייחסות לתופעות קצה. חשוב להבין שתכן מבנה בשיטת האלמנט הבסיסי היא נכונה עבור פגיעה של הגל המישורי, ז”א במצב של שדה רחוק. לעומת זאת, אם המקור נמצא בשדה הקרוב, נדרש לעשות אופטימיזציה של תכן המבנה הבולע יחד הם המקור בשדה הקרוב, על מנת לקבל ביצועים מיטביים.
מקורות:
[1] Q. Gao, Y. Yin, D-B Yan and N.C. Yuan, “Application of Metamaterials to Ultra-Thin Radar-Absorbing Material Design”, Electronics Letters, Vol. 41, Issue 17, 2005, pp. 936-937.
[2] Y. Jang, J. Lee and S. Lim, “Incident Angle Insensitive Double negative (DNG) Metamaterial Absorber”, Microwave Conference Proceedings (APMC), 2011, pp. 1870 – 1872.
[3] L. Yang, N. Bowler, “Analysis of Double-negative (DNG) Bandwidths for Metamaterials Composed of Three-Dimensional Periodic Arrays of Two Different Magnetodielectric Spheres Arbitrarily Arranged on a Simple Tetragonal Lattice”, Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, Vol. 10, 2011, pp. 1484 – 1487.
[4] V. Vulfin, S. Sayfan-Altman and R. Shavit, “Design of a Broadband Periodic Absorber for Microwave Frequencies”, IEEE Conference – 28th Convention, Eilat, Israel, Dec. 2014
[5] V. Vulfin, S. Sayfan-Altman and R. Shavit, “Design of Artificial Periodic Absorbers for L-Band”, IEEE / Israel EMC Conference, Apr. 2015
הכתבה באדיבות Electromagnetics Infinity LTD, ANSYS Channel Partner. לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות החברה.
על המחברים:
ולדימיר וולפין
מר ולדימיר וולפין בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. בעל ניסיון מעל 15 שנים בפיתוח בתחום אנטנות, רכיבי מיקרוגל פאסיביים וסימולציות אלקטרומגנטיות. מנכ”ל חברת Electromagnetics Infinity המשמשת כ – Channel Partner של חברת ANSYS ונותנת שירותי הנדסה בפיתוח מערכות RF ואנטנות, כמו כן מכירת רישיונות תוכנת ANSYS.
איתמר מדר
מר איתמר מדר מהנדס חשמל ואלקטרוניקה עם התמחות באנטנות וקרינה. ראש צוות פיתוח אנטנות בחברת Electromagnetics Infinity ומדריך קורסים של תוכנת סימולציה א”מ ANSYS HFSS.
