الأسطح غير الخطية القابلة للضبط للتطبيقات الكهرومغناطيسية

تحليل الأسطح غير الخطية القابلة للضبط للتطبيقات الكهرومغناطيسية

تتكون الأسطح السطحية القابلة للضبط غير الخطية أو النشطة من سطح مقاومة اصطناعي يتضمن مكونات دائرة غير خطية، بحيث يتم إنشاء أسطح المعاوقة الاصطناعية باستخدام خلايا وحدة معدنية دورية مستوية ذات أطوال موجية فرعية في المقياس، كما تم تصميم خلايا الوحدة هذه بحيث يكون لها مقاومة سطحية معينة عن طريق نمذجة مجموعة موصلة منقوشة ثنائية الأبعاد على ركيزة عازلة مؤرضة.

كما يمكن تصميم الممانعة السطحية للتحكم في الموجات السطحية لدعم الانتشار أو تشتيتها أو امتصاصها أو لتوفير أنواع أخرى من التفاعل، بحيث يمكن تطبيق هذه الوظائف الكهرومغناطيسية الجديدة التي توفرها أسطح المعاوقة الاصطناعية على موجهات الموجات السطحية، وذلك من خلال تحديد مناطق مقاومة عالية وأسطح مقاومة متباينة الخواص.

كذلك من خلال تحديد مصفوفة موتر المعاوقة والأسطح الثلاثية الأبعاد، وعن طريق تعديل الممانعة السطحية لإشعاع موجات متسربة كهوائيات سطحية منخفضة، كذلك عن طريق تعيين ممانعات غير منتظمة، بحيث يمكن استخدامها أيضاً كأسطح مقاومة عالية، ومن خلال تشكيل مسارات موصلة عبر الفتحات بين البقع ومستوى الأرض؛ فإنه يتم تحقيق هذه التطبيقات الرائعة من خلال الهياكل السلبية الهندسية.

ومع ذلك؛ فإن تطبيقاتها مقيدة بالقيود الموروثة مثل المقايضة بين عرض النطاق وسماكة السطح، وذلك فضلاً عن تأثيرات الخسائر، ومن خلال إضافة إمكانية إعادة التكوين وقابلية الضبط إلى الأسطح الوصفية؛ فإنه يمكن التخفيف من هذه القيود. هناك عدة طرق لتحقيق التوليف المطلوب، وذلك بدءاً من تطبيق العناصر القابلة للضبط على السطح إلى إدخال عناصر غير خطية مع مكونات الدائرة الكهربائية النشطة مثل الثنائيات والمتغيرات والترانزستورات وما إلى ذلك.

كما أن التطورات الأخيرة في الأسطح القابلة للضبط والقابلة لإعادة التشكيل مع الدوائر الإلكترونية النشطة امتدت إلى الوظائف والخصائص الكهرومغناطيسية الفريدة، والتي لا يمكن تحقيقها باستخدام الأساليب السلبية التقليدية.

وفي هذه الدراسة؛ فإنه يتم التطورات الحديثة في السطوح غير الخطية والقابلة للضبط النشط بالإضافة إلى تطبيقاتها الفريدة التي يمكن تحقيقها عند تقديم اللاخطية، وذلك باستخدام الثنائيات البسيطة، بحيث يتم إنشاء نوع جديد من الممتص المعتمد على الطاقة، والذي يستجيب لقوة الموجات الساقطة، كما تمتص هذه الأسطح غير الخطية إشارات الطاقة العالية لتجنب التأثيرات الضارة المحتملة، وذلك مع تجاهل إشارات الطاقة المنخفضة مثل تلك الصادرة عن أنظمة الاتصالات.

ومن خلال تمشيط المقومات مع الأسطح الخارقة؛ فإنه تم توضيح ماص يعتمد على شكل الموجة، والذي يمكنه تحويل موجات الميكروويف السطحية المنتشرة إلى شحنات ثابتة تتبدد في المقاومات إما بالتوازي مع المكثفات التحويلية أو في سلسلة مع المحاثات، مما ينتج عنه الامتصاص الانتقائي لشكل الموجة الأول (metasurface).

عملية الامتصاص القابلة للتحويل والمعتمدة على الطاقة الكهربائية

يمكن لامتصاص المواد الخارقة المعتمدة على الطاقة التبديل بين حالتين اعتماداً على حجم الموجات الواردة، وعلى سبيل المثال، وذلك من خلال وضع هذه الأسطح على السطح الخارجي لحاوية موصلة، بحيث يمكن أن تخفف التهديدات المحتملة التي قد تتسبب في حدوث خلل أو تلف للأجهزة الإلكترونية عند إضاءتها بواسطة أجهزة ميكروويف عالية الطاقة، وفي المقابل لا يتفاعل السطح الخارق مع إشارات الطاقة المنخفضة مثل أنظمة الاتصالات.

كما تم توضيح آلية السطح الخفي القابل للتحويل في الشكل التالي (1-A)، وذلك من خلال ربط الثنائيات المزدوجة في اتجاهات معاكسة في موقع الفتحات الموصلة الرأسية التي تربط البقع العلوية المنقوشة بمستوى أرضي، بحيث يمكن تعريف الثنائيات على أنها دائرة مفتوحة أو قصيرة اعتماداً على مستوى الطاقة الواردة، وهي شبكة من المقاومات مترابطة بين الرقع لتوفير الامتصاص.

وفي الطاقات المنخفضة؛ فأنه يتم إيقاف تشغيل الثنائيات ويظهر السطح الخارق كسطح انتقائي للتردد العادي، بحيث يتم تشغيل الثنائيات عند إضاءتها بقوة عالية ويتحول السطح الخارق كهربائياً إلى سطح ممانعة عالية محملة بالمقاومة، والتي يمكن أن تكون ضائعة للغاية بالقرب من تردد الرنين الخاص بها، كما يمكن التحقق من الانتقال الكهربائي بين هاتين الحالتين من خلال مخطط التشتت للإدخالات الموضحة في الشكل (1-A).

ومن خلال التبديل من حالات (OFF) إلى (ON) عند إضاءتها بموجات عالية الطاقة، يتم تحويل حافة النطاق في مخطط التشتت إلى تردد التشغيل المقصود البالغ (2.4) جيجا هرتز، كما يُظهر الشكل (1-B) و (C) هندسة خلية الوحدة وصورة لعينة ملفقة فعلية، كما يوضح الشكل (1-D)، وهي محاكاة مشتركة للدائرة (EM) لصف من خلايا الوحدة التسع بشروط حد دورية، وفي محاكاة الدائرة؛ فإنه تم استخدام بيانات (SPICE) لنموذج الصمام الثنائي المعبأ، أيضاً (Avago HSMS-286c)، بما في ذلك جميع القيم الطفيلية.

كما يظهر في الشكل التالي (2) نتائج محاكاة وقياس الامتصاص ومسح المجال القريب ومجال التسرب في حاوية معدنية، كما ويحسب الامتصاص على أنه (A (ω) = 1 – T (ω) –R)، وهنا [A (ω)ٍ]تعني الامتصاص، أما [T (ω)] تعني الإرسال و [R (ω)] يعني الانعكاس مع الاعتماد على التردد (ω)، بحيث لوحظ أن الانعكاس لا يكاد يذكر في جميع الحالات. في الشكل (2-A)، كما تُظهر مخططات الامتصاص خصائص مختلفة اعتماداً على مستوى الطاقة الواردة.

كما ويتم التحقق من الانتقال المقابل للامتصاص مقابل مستويات طاقة الإدخال عند التردد الكهربائي المطلوب عند (2.4) جيجا هرتز، بحيث يمكن أيضاً رؤية هذا الانتقال في قياس مجال السطح كما هو موضح في الشكل التالي (2-C-2،D) عند الطاقة المنخفضة، كما يمكن أن تنتشر الموجات السطحية المطلقة عند حافة السطح الخفي عبر السطح بعيداً عن المصدر بتوهين بسيط كما هو موضح في الشكل (2-C)، وذلك عند الطاقة العالية ويتم إضعاف الموجات السطحية بشدة كما هو موضح في الشكل (2-D).

عملية امتصاص سطح الترانزستور القائم

لقد تمت دراسة أول سطح مائي لامتصاص الموجات السطحية القابل للضبط والتحويل على أساس الترانزستور، بحيث يمكن التحكم في السطح يدوياً في حالات التشغيل أو الإيقاف أو إلى أي حالة امتصاص حسب الحاجة عن طريق التحكم ببساطة في التحيز إلى بوابات الترانزستورات، كما يوفر قمعاً لموجة السطح لحماية الأجهزة الإلكترونية من تسرب إشارات الطاقة العالية أو التيارات السطحية من خلال الانقطاعات في الهيكل المغلق.

كذلك تم تقديم طوبولوجيين في هذا العمل ومبادئ عملهما موضحة في الشكل التالي (3) وكلاهما مصمم بناءً على تصحيحات دورية مع طريق في المركز، وبالنسبة للطوبولوجيا (A)، يتم وضع أطراف التصريف والمصدر لزوج من الترانزستورات في تحويلة مع المقاومات الممتصة عند فجوات خلايا الوحدة. عندما تكون البوابات منحازة بشكل سلبي، بحيث تظهر قناة التصريف إلى المصدر كدائرة مفتوحة وسيتم امتصاص الموجات السطحية بالتردد المطلوب بواسطة المقاومات من خلال كل دورة يتردد صداها في التجويف.

ومع ذلك؛ فإنه عندما تكون الترانزستورات منحازة بشكل إيجابي يكون قناة التصريف إلى المصدر ستبدو مثل دائرة كهربائية قصيرة، وبالتالي تقصر مقاومات الفجوة وتحويل السطح من بقع دورية إلى ورقة موصلة مستمرة يمكنها دعم انتشار موجة (TM)، وذلك مع الحد الأدنى من الامتصاص ، هو مبين في الشكل (3-A).