Loading...

Multiscale Multiphysics Analysis of Deformable Microwave Metasurfaces Under Large Deformations and Prototype Fabrication

Karimi Mahabadi, Rayehe | 2022

1095 Viewed
  1. Type of Document: Ph.D. Dissertation
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 54834 (08)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Mechanical Engineering
  6. Advisor(s): Naghdabadi, Reza; Sohrabpour, Saeed; Goudarzi, Taha
  7. Abstract:
  8. Electromagnetic metamaterials are designed artificial materials with sub-wavelength resonant inclusions. They can exhibit extraordinary properties such as negative permittivity, negative permeability, and anomalous reflection/refraction. Metasurfaces are 2D counterparts of metamaterials. Here, we proposed a framework for the multiscale multiphysics analysis of deformable metasurfaces. Nonlinear mechanical analysis (Geometry and material behavior), periodic boundary conditions, homogenization, multiscale analysis, and electromagnetic analysis are implemented in this framework. Benefiting from the framework, we proposed a multifunctional hyperelastic structured surface that can generate various transparency patterns at microwave regime under applied mechanical deformations. The bottom-up design of such a surface requires a deep investigation of mechanical and electromagnetic behavior by taking advantage of analytical formulations, numerical simulations, and experimental measurements. Therefore, we proposed an original cost-effective technique to fabricate the structured surface. Moreover, using our custom-made setup, we experimentally captured its intriguing functionalities. Moreover, we studied the deformable metamaterials under various strains and revealed that for large deformations, the linear mechanical constitutive relation is unable to correctly predict the mechanical and electromagnetic responses of a deformable metamaterial. Moreover, it is also unable to correctly find the frequency region for the negative permeability. Furthermore, we showed the effects of two key factors on the tunability of deformable metasurfaces; the resonator geometry and substrate stiffness. In addition, we proposed a design for a hyperelastic structured surface using the Genetic Algorithm optimization method. This multiphysics, multifunctional, hyperelastic structured surface offers two simultaneous functionalities; tunability and switchability. Mechanical strains up to 16.8 % can continuously tune the resonant frequency of this structured surface from 11.8 GHz to 10.9 GHz. In addition to a big shift in the resonant frequency (7.6 %), this structured surface shows a considerable change in its scattering parameter S21. Applying an average strain of 2.7 % increases the scattering parameter S21 of this design at the undeformed resonant frequency by 46.5 dB and decreased the scattering parameter S21 at frequencies lower than the undeformed resonant frequency up to 49.3 dB. Taking advantage of the multiscale multiphysics framework, we revealed other capabilities of the structured surface, generating various transparency patterns. Concludingly, the proposed multiscale multiphysics framework is capable of analyzing the metasurfaces under uniform and non-uniform displacement fields. It opens a new window into designing and controlling the metasurface functionalities as it benefits from nonlinear mechanical analysis and considers the whole surface in the analysis instead of one unit cell
  9. Keywords:
  10. Metamaterial ; Metasurfaces ; Microwave ; Large Deformation ; Multi-Scale Analysis ; Deformable Structured Surface

 Digital Object List

 Bookmark

  • مقدمه
    • فرامواد و فراسطوح
    • کاربردها
      • کرنش‌سنج بی‌سیم
      • تصویربرداری
      • شناسایی سرطان
    • فرامواد تنظیم‌پذیر
      • فرامواد تنظیم‌پذیر الکتریکی
      • فرامواد تنظیم‌پذیر حرارتی
      • فرامواد تنظیم‌پذیر مکانیکی یا فرامواد تغییرشکل‌پذیر
    • تحلیل چندمقیاسی
    • پیشینه پژوهش فرامواد تغییرشکل‌پذیر
    • هدف پژوهش و سرفصل مطالب
  • روابط الکترومغناطیسی حاکم بر فرامواد و فراسطوح
    • معادلات ماکسول
      • میدان‌ها در محیط‌های انتشار موج الکترومغناطیسی
      • میدان‌ها در محل تلاقی مواد به طور کلی
      • میدان‌ها در تلاقی با یک محیط دی‌الکتریک
      • میدان‌ها در تلاقی با یک رسانای الکتریکی کامل
      • میدان‌ها در تلاقی با یک رسانای مغناطیسی کامل
      • شرط مرزی تکرارشونده
    • همگن‌سازی الکترومغناطیسی
      • همگن‌سازی به کمک میانگین‌گیری از میدان‌ها
      • همگن‌سازی به کمک پارامترهای پراکنش
      • همگن‌سازی با استفاده از رابطه کرامر-کرونیگ
      • روش تحلیلی، مدار معادل سلف-خازن
  • مدل‌سازی چندمقیاسی چندفیزیکی فراسطح تغییرشکل‌پذیر در بازه ریزموج
    • همگن‌سازی مکانیکی
      • روش‌های همگن‌سازی
      • شرایط مرزی
    • تحلیل چندمقیاسی یک سطح ناهمگن
      • روابط مقیاس بزرگ
      • روابط مقیاس کوچک
      • اجرای عددی
      • تحلیل چندمقیاسی در نرم‌افزار آباکوس
    • شبیه‌سازی چندفیزیکی
      • شبیه‌سازی
      • کاهش زمان محاسبات به روش ارزیابی مجانبی موج
    • شبیه‌سازی عددی چندفیزیکی چندمقیاسی
  • ساخت نمونه و طراحی ست‌آپ آزمایشگاهی
    • ساخت نمونه آزمایشگاهی
      • ماده
      • فرآیند ساخت نمونه آزمایشگاهی
    • ست‌آپ آزمایشگاهی طراحی شده
  • ارائه نتایج و بحث در آنها
    • اثر مدل‌سازی غیرخطی مکانیکی بر پاسخ الکترومغناطیسی فراماده تنظیم‌پذیر در بازه ریزموج
      • نتایج اثر رفتار غیرخطی مکانیکی و بحث روی آنها
    • اثر هندسه تشدیدگر و سفتی بستر بر تنظیم‌پذیری الکترومغناطیسی فراسطح
      • نتایج اثر هندسه تشدیدگر و بحث روی آنها
      • نتایج اثر سفتی بستر و بحث روی آنها
    • طراحی بهینه یک سطح ساختارمند چندمنظوره هایپرالاستیک با قابلیت تنظیم‌پذیری و تغییر شفافیت
      • بررسی تشدیدگرهای مختلف
      • بهینه‌سازی طراحی تشدیدگر
      • نتایج برای سطح ساختارمند‌ هایپرالاستیک چندمنظوره ارائه شده و بحث روی آنها
    • تحلیل چندمقیاسی سطح ساختارمند هایپرالاستیک چندمنظوره
      • نتایج تحلیل چندمقیاسی سطح ساختارمند هایپرالاستیک و بحث روی آنها
  • جمع‌بندي و نتيجه‌گيري
    • خلاصه
    • نتیجه‌گیری
    • پیشنهادها برای تحقیقات آتی
  • چالش‌های مواجه شده در شبیه‌سازی چندفیزیکی
    • چالش‌های مواجه شده برای شبیه‌سازی چندفیزیکی با چند نرم‌افزار تجاری
      • وارد کردن مش تغییرشکل یافته به نرم‌افزار سی‌اس‌تی استودیو سوییت
      • خروجی گرفتن هندسه تغییرشکل یافته از آباکوس و ورود آن به نرم‌افزار سی‌اس‌تی
    • چالش‌های مواجه شده در شبیه‌سازی چندفیزیکی به دلیل حضور لایه های هوا
  • چالش‌های مواجه شده در کدنویسی چندمقیاسی
    • نکاتی مهم در کدنویسی چندمقیاسی
      • موازی کردن کدهای چندمقیاسی
      • پیدا کردن محل فایل خروجی
      • چاپ ماتریس
      • خروجی گرفتن از نتایج
  • چالش‌های مواجه شده در بخش تجربی
    • چسباندن تشدیدگرهای مسی به صفحه پی‌دی‌ام‌اس
      • تقویت چسب پشت تشدیدگرها
      • استفاده از محلول مرکپتو و فعال‌سازی پی‌دی‌ام‌اس
    • فعال‌سازی نمونه پی‌دی‌ام‌اس با ابعاد بزرگ
  • مقالات مستخرج از رساله
    • مقاله اول
    • مقاله دوم
    • مقاله سوم
    • مقاله چهارم
...see more