Loading...

Analysis and Design of Metagratings for Controlling Electromagnetic Waves

Rahmanzadeh, Mahdi | 2023

98 Viewed
  1. Type of Document: Ph.D. Dissertation
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 56693 (05)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Electrical Engineering
  6. Advisor(s): Khavasi, Amin; Rejaei, Behzad
  7. Abstract:
  8. Metagrating is a new concept for wavefront manipulation that, unlike phase gradient metasurfaces, does not suffer from low efficiency and also has a less complicated fabrication process. However, they have some drawbacks, which we are trying to resolve in this thesis. First, a compound metallic grating is proposed for anomalous reflection. We propose an analytical method for analyzing the electromagnetic response of this grating and show that the structure can have unprecedented near-to-unitary efficiency. Next, two-dimensional (2D) metagratings are proposed for diffraction pattern control. We first present an analytical method for diffraction analysis of 2D compound metallic grating. As a proof of principle, two applications are presented using the proposed analytical method. The first application is a perfect out-of-plane reflector that transfers a normal transverse-magnetic (TM) polarized plane wave to an oblique transverse-electric (TE) polarized plane wave in the $y−z$ plane. The second one is a five-channel beam splitter with an arbitrary power distribution between channels. The performance of the designed metagratings is better than previously reported structures in terms of power efficiency and relative distribution error. In Chapter 5, accurate analytical methods are proposed for diffraction analysis of tunable metagratings consisting of finite numbers of graphene ribbons. In contrast to previous analytical treatments, the proposed method can predict the electromagnetic performance of graphene ribbons not only in the subwavelength regime but also for wavelengths shorter than the array constant. Finally, some applications are designed at the THz regime using the method proposed. We designed these metagratings without requiring even a single optimization in a full-wave solver. In the last section of the thesis, we present accurate and fast methods for the analysis of scattering of electromagnetic waves from an array of time-modulated graphene ribbons. We derive a time-domain integral equation for induced surface currents. Using the method of harmonic balance, this equation is solved for a sinusoidal modulation. The solution of the integral equation is then used to obtain the transmission and reflection coefficients of the time-modulated graphene ribbon array. In contrast with previously reported analysis techniques, our method is extremely fast and can analyze structures with a much higher modulation frequency. Our method also offers a deeper insight into the physical properties of time-modulated graphene ribbons, which may be useful for devising different novel devices. The proposed method paves the path for analytical design of time-modulated graphene-based devices with widespread potential for THz and optical beam-manipulation applications
  9. Keywords:
  10. Subwavelength Apertures ; Analytical Method ; Graphene ; Time-varying Medias ; Metagratings

 Digital Object List

 Bookmark

  • مقدمه‌ای بر تئوری پراشه‌ها
    • تاریخچه پراشه‌ها
    • نحوه عملکرد پراشه‌ها
  • مروری بر روش‌های مهار امواج به کمک فراپراشه‌ها
    • مقدمه
    • فراسطوح
    • فراپراشه‌ها
      • مبانی و نحوه‌ی عملکرد
      • روش‌های تحقق و کاربردهای گوناگون
    • پراشه‌های متغیر با زمان
    • جمع‌بندی، خلاصه پیشنهادات و ساختار رساله
  • تحلیل پراشه‌های مرکب فلزی و کاربردها
    • مقدمه
    • پراکندگی از پراشه‌های فلزی مرکب ‌یک‌بعدی
    • کاربردها و نتایج
      • مثال‌های عددی
      • طراحی بازتابنده غیرعادی کامل
      • برخی ملاحظات عملی برای تحقق آزمایشگاهی
      • سایرکاربردها
    • جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
  • تحلیل پراشه‌های مرکب فلزی دوبعدی و کاربردها
    • مقدمه
    • روشی تحلیلی برای بررسی پراشه‌های مرکب فلزی دوبعدی
      • پراش یک موج عمود توسط پراشه مرکب فلزی دوبعدی
      • مثال‌های عددی
    • بحث، بررسی و کاربردها
      • بازتابنده غیرعادی برون صفحه‌ای
      • مقسم پرتو پنج جهته
      • برخی ملاحظات عملی برای تحقق آزمایشگاهی
    • جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
  • بررسی تحلیلی پراش نوارهای گرافینی و کاربردها
    • مقدمه
      • معرفی گرافین
    • بررسی پراش نوارهای گرافینی زیرطول‌موج به کمک روش تحلیلی
      • محاسبه جریان سطحی بر روی آرایه‌ای متناوب از نوارهای گرافینی
      • ضرایب بازتاب و انتقال مرتبه‌های مختلف پراش
      • مثال‌های عددی، بحث و بررسی
    • تحلیل پراش نوارهای گرافینی در حضور صفحه زمین و کاربردها
      • توزیع جریان بر روی نوارهای گرافینی زمین شده
      • ضرایب بازتاب مرتبه‌های پراش
      • مثال‌های عددی
      • طراحی یک مقسم توان تنظیم پذیر
      • طراحی یک بازتابنده برگشتی تنظیم پذیر
    • تحلیل پراش آرایه‌ای شامل چندین نوار گرافینی و کاربردها
      • محاسبه توزیع جریان
      • محاسبه ضرایب بازتاب و انتقال مرتبه‌های مختلف پراش
      • مثال‌های عددی
      • کاربردها
    • جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
  • تحلیل نوارهای گرافینی متغیر با زمان
    • مقدمه
      • رسانایی سطحی یک صفحه‌ی گرافین متغیر با زمان
    • تحلیل مسئله پراکندگی آرایه‌ای از نوارهای گرافینی متغیر با زمان تحت تقریب شبه‌ایستا
      • محاسبه جریان سطحی القایی بر روی آرایه‌ای متناوب از نوارهای گرافینی متغیر با زمان
      • محاسبه ضرایب بازتاب و انتقال
      • مثال‌‌های عددی، بحث و بررسی
    • تحلیل پراش آرایه‌ای از نوارهای گرافینی متغیر با زمان
      • محاسبه توزیع جریان القایی بر روی نوارهای گرافینی
      • محاسبه ضرایب بازتاب و انتقال مرتبه‌‌های مختلف پراش
      • مثال‌های عددی
    • جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
  • جمع‌بندی، نتیجه‌گیری و پیشنهادات آینده
  • مراجع
  • بدست آوردن بهره پراش برای ساختار دوبعدی
  • محاسبه اثر نیم فضای دی‌الکتریک بر مسئله پراش نوارهای گرافینی
  • اثبات رابطه‌ی 5-37
  • محاسبه اثر زیرلایه دی‌الکتریک بر مسئله پراش نوارهای گرافینی
  • اثر نیم فضای دی‌الکتریک بر مسئله نوارهای گرافینی متغیر با زمان
  • نحوه شبیه سازی گرافین متغیر با زمان در نرم‌افزار COMSOL
  • محاسبه اثر زیرلایه دی‌الکتریک بر مسئله پراش نوارهای گرافینی متغیر با زمان
...see more