The left hand of electromagnetism: Metamaterials

Metamalzemeler elektromanyetik özellikleri onları oluşturan birim hücrelere bağlı olan periyodik yapay yapılardır. Bu tezde, ilk olarak metamalzemelerin negatif permeabilite ve negatif permitivite birim hücre özelliklerini inceledik. Negatif permeabilite sağlayan birim hücreleri özellikle elektriksel boyut ve rezonans gücü açılarından araştırdık. Çoklu yarıklı halka rezonatörlerinin (MSRR) ve sarmal rezonatörlerin (SR) deneysel ve sayısal çalışmasını sunduk. İletim ölçümlerinden bu yapıların rezonans frekansını belirledik ve SR'lar için ?0/82, MSRR'lar için ?0/17 minimum elektriksel boyutları elde ettik. Bu ölçümlerde ?0 serbest uzay dalga boyunu ifade etmektedir. Çok yarıklı yapılar için rezonans frekansını ayarlama yöntemi keşfettik. Çifte negatif kompozit metamalzemelerin ölçeklenebilirliğini kullanarak bu yapıları milimetre dalgaboyunda düşük kayıpla çalışır halde tasarladık ve ölçtük. Geçirgen banttaki zirve değeri -2,7 dB olan ve 100 GHz'de çalışan yapıları deneysel olarak gösterdik. Çifte negatif özelliği kanıtlamak için sayısal ve deneysel olarak iletim tabanlı etkisel ortam kuramını uyguladık. Bu sonuçları standart alım analizi ile destekledik. Prizma şeklindeki bir metamalzeme yapıp etkin kırınım indeksinin açısal tarama ölçümleri ile negatif olduğu doğruladık. Dahası, yarıklı halka rezonatör tabanlı düz bir metamalzemeyi eğik açıyla aydınlatıp iletilen gücü tarama deneyleri ölçerek ışığın negatif tarafa kırıldığını gözlemledik. Son olarak bu düz metamalzemeyi boynuz antenin önüne koyduğumuzda davranışının Yagi-Uda antene benzer olduğunu gördük.Sayısal ve deneysel olarak düzlemsel balık ağı metamalzemelerini yaklaşık 20 GHz ve 100 GHz'de çalıştığını gösterdik ve onların etkin kırınım indislerinin negatif olduğunu kanıtladık. Çalışmamız metamalzeme tabakaları ile yayılma vektörünün paralel olmadığı durumu da içermektedir. Eğik açılarla gelen dalgalar için yarıklı halka rezonatörü temelli metamalzemelerin yanıtı değişmemektedir. Ayrıca dalga boyu altı boyutlu periyodik deliklerden geçen güç dalga boyu altı rezonatörler kullanılarak arttırıldı ve tam iletim sağlanabileceği gösterildi.Metamalzeme tabanlı cihazlar, antenler, soğurucular ve arttırılmış iletim yapıları olarak sıralanabilir. Elektriksel olarak küçük, yarıklı halka rezonatörü ve tel antenden oluşan antenler tasarladık. Bu antenlerin elektriksel boyutu, kazancı ve verimliliği sırasıyla ?0/10, 2.38 ve % 43.6 idi. Bu antendeki yan yana dizilmiş SRR sayısı arttığında yaydığı radyasyonun yönü de değişmektedir. Bu küçük antenler fazlı dizi antenlerinin birim elemanı olarak kullanılabilir. Ayrıca, iki çoklu halka rezonatörü birbirine dik konumda kullanarak iki değişik frekansta ve polarizasyonda çalışan bir elektriksel olarak küçük anten gösterdik. Bu anten bir polarizasyon için 4.72 GHz'de diğer polarizasyon için 5.76 GHz'de çalışmaktadır. Verimliliği ise sırasıyla % 15 ve % 40, elektriksel boyutu ise sırasıyla ?/11.2 ve ?/9.5'tur. Son olarak, yuvarlak yama antenlerini minyatürleştirmek için bir yöntem gösterdik. Bu antendeki yama ve toprak düzlemi arasındaki boşluğa rezonatörleri dizerek ?/3.69 ve ?/8.26 elektriksel boyuta sahip yama antenler gösterdik. Bu antenin radyasyon yayılımı, normal yama anteninkine benzerken boyutu daha küçük ve verimi % 40'tır.Metamalzemelerin küçük elektriksel boyutlarından faydalanarak ince mikrodalga radyasyon soğurucular tasarladık. Bu soğurucular i) metal bir arka plaka ve yapay bir manyetik metamalzeme tabakasından, ii) metamalzeme arka plaka ve dirençli sac tabakadan oluşur. Soğurucu performansını çalıştığı kesirli bant genişliği ve elektriksel kalınlığı açılarından inceledik. Tip i) soğurucu için % 8 kesirli bant genişliği ve % 99.8 tepe soğurma değeri olan ?/4.7 kalınlıkta bir soğurucu gösterdik. Kullanılan rezonatörün elektriksel boyutuna bağlı olarak soğurucu kalınlığı değişmektedir. Bu kavramlar optik frekanslar için de geçerlidir ve güneş pili gibi birçok uygulama için ümit vericidir.Periyodik yarıklı halka rezonatörleri kızılötesi ve görünür bantlarda da çalışılabilir. Biz bu çalışmada i) rezonatör şeklini değiştirerek manyetik rezonans frekansının değiştiğini, ii) periyodik dizilimde rezonatör yoğunluğunun etkisini iii) metal kaynaklı kayıpları ve metal plazma frekansının etkisini gösterdik. Optik rejimde arttırılmış iletim için dalga boyu altı yarıklı halka rezonatör antenleri ve kuplörleri kullanarak elektriksel boyutu ?^2/25 olan bir delikten 400 kat arttırılmış iletim elde ettik. Bu güç uzak alana 300 THz frekansta 3.9 dBi yönlülük ile aktarılmaktadır.