Συνδυαστικές επαναπροσδιοριζόμενες δομές σύνθετων περιοδικών μέσων και μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων με εφαρμογές στα υλικά ηλεκτρομαγνητικού διακένου και τα μεταϋλικά

Abstract

The scope of this doctoral thesis is the development of novel structures that combine radio frequency microelectromechanical systems (RF-MEMS) with artificially engineered electromagnetic media, such as electromagnetic bandgap (EBG) structures and metamaterials, to obtain reconfigurability and efficiently tackle the inherent bandwidth restrictions. Therefore, an efficient technique that utilizes the Generalized-Pencil-of-Function (GPOF) algorithm as a post processing procedure in the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method is introduced to facilitate the study of EBG devices and accurately derive their dispersion characteristics. Moreover, correction criteria are developed to deal with erroneous eigenfrequencies associated with computational noise. The performance of the proposed method exhibits acceptable levels of accuracy, achieving a remarkable decrease in computational time. Additionally, a novel set of reconfigurable microwave filters based on EBG-loaded microstrip lines is proposed, whereas tunability is achieved by means of RF-MEMS switching elements located at properly selected positions. Several configurations, also fabricated in a prototype form, are thoroughly investigated using both a combined FDTD - GPOF technique and experimental testing, while the data obtained from these tests support the numerical outcomes satisfactorily. Furthermore, a reconfigurable mu-negative (MNG) material, obtained from the combination of two-hot-arm electrothermal actuators with a split-ring resonator (SRR), is developed. The proposed device, which acts as a fundamental building block of metamaterials, overcomes the undesired bandwidth constraints of existing structures and establishes significant levels of tunability. It is emphasized that the actuator is realized as an integrated part of the resonator, while a novel double parallel actuated structure is developed to simplify the design of bias networks. The proposed implementations are numerically verified through several setups which prove their MNG behavior. Additionally, a controllable SRR is designed that allows altering the essence of the associated resonance by applying electrical current. Specifically, a rearrangement of the device's topology is feasible resulting in transition between double-positive (DPS) behavior and MNG performance. On the other hand, an investigation is performed regarding the exclusive exploitation of RF-MEMS components as unit cells in the synthesis of controllable periodic media. In this context, the double parallel actuated structure is utilized to compose a tunable DPS material, while a MEMS microgripper is adopted as a thermally reconfigurable SRR to implement a tunable MNG medium.

Κύριος στόχος της παρούσας διατριβής είναι ο συνδυασμός των μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων ραδιοσυχνοτήτων (radio frequency microelectromechanical systems – RF-MEMS) με περιοδικές διατάξεις σύνθετων υλικών, όπως τα υλικά ηλεκτρομαγνητικού διακένου (electromagnetic bandgap – EBG) και τα μεταϋλικά, προκειμένου να καταστεί δυνατή η επίτευξη αναδιατάξιμων ιδιοτήτων, καθώς και η άρση των εγγενών συχνοτικών περιορισμών. Αναλυτικότερα, παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός αξιόπιστου υπολογιστικού εργαλείου για τον ταχύτερο υπολογισμό των διαγραμμάτων διασποράς των EBG διατάξεων, αλλά και την αντιμετώπιση του προβλήματος των πολλαπλών προσομοιώσεων, που προκύπτει κατά την ανάλυση μιας επαναπροσδιοριζόμενης δομής. Έτσι, προτείνεται η αξιοποίηση της τεχνικής generalized pencil-of-function (GPOF) ως στάδιο μεταεπεξεργασίας της μεθόδου των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (finite-difference time-domain method – FDTD), επιτρέποντας τον απευθείας υπολογισμό των ιδιοσυχνοτήτων από τα χρονικά δείγματα. Επιπλέον, εισάγονται νέα κριτήρια αξιολόγησης και επιλογής των εκάστοτε ιδιοσυχνοτήτων, ενώ η συνδυασμένη τεχνική FDTD – GPOF αποδεικνύεται χρήσιμη και για την πρόβλεψη της χρονικής εξέλιξης ενός ηλεκτρομαγνητικού σήματος. Ακολούθως, η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται για τον καθορισμό των διαγραμμάτων διασποράς προγραμματιζόμενων EBG δομών, που σχεδιάζονται μέσω RF-MEMS διακοπτικών στοιχείων. Αποδεικνύεται ότι καθίσταται περιττή αφενός η προσομοίωση μεγάλου αριθμού χρονικών βημάτων, αφετέρου η πρόβλεψη της χρονικής εξέλιξης των υφιστάμενων σημάτων, μειώνοντας σημαντικά το εμπλεκόμενο υπολογιστικό κόστος. Επιπλέον, προτείνονται ηλεκτρομαγνητικά φίλτρα μικροταινίας με ενδιαφέρουσες επαναπροσδιοριζόμενες ιδιότητες, μέσω περιοδικής φόρτισης της γραμμής με EBG μοναδιαία κελιά και RF-MEMS διακόπτες. Ακόμη, σχεδιάζονται διατάξεις με περισσότερους βαθμούς ελευθερίας, επιτρέποντας τη συγκέντρωση πρόσθετων ιδιοτήτων σε μια μόνο δομή. Στη συνέχεια, η απόκριση των δομών αυτών τεκμηριώνεται πειραματικά, μέσω της κατασκευής και μέτρησης αντίστοιχων πρωτοτύπων, επιδεικνύοντας αξιοσημείωτη ακρίβεια σε σύγκριση με τα αριθμητικά αποτελέσματα της συνδυασμένης τεχνικής FDTD – GPOF. Ακολούθως, προτείνεται ένα σύνολο νέων επαναπροσδιοριζόμενων συντονιστών διακεκομμένου δακτυλίου (split-ring resonator – SRR), μέσω RF-MEMS στοιχείων, ώστε να επεκταθεί το εύρος ζώνης λειτουργίας των μεταϋλικών, αξιοποιώντας την ικανότητα αναδιάταξης. Έτσι, αναλύεται διεξοδικά η συμπεριφορά του ηλεκτροθερμικού ενεργοποιητή θερμών βραχιόνων, μέσω προσομοιώσεων συζευγμένων φυσικών πεδίων, με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (finite element method – FEM). Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η αξιοποίηση αυτού του RF-MEMS στοιχείου για τη σχεδίαση ενός προγραμματιζόμενου μαγνητικού συντονιστή, αποδεικνύοντας την άρση των υφιστάμενων συχνοτικών περιορισμών. Ακόμη, εισάγεται ο διπλός ηλεκτροθερμικός ενεργοποιητής θερμών βραχιόνων, ώστε να μειωθεί η πολυπλοκότητα των δικτύων πόλωσης, ενώ σχεδιάζεται μια αντίστοιχη συνδυαστική δομή SRR με ελεγχόμενο εύρος ζώνης λειτουργίας. Επιπροσθέτως, η σχεδίαση επεκτείνεται σε διατάξεις μεταϋλικών με περισσότερους βαθμούς ελευθερίας, καταδεικνύοντας, έτσι, τις δυνατότητες της τεχνολογίας RF-MEMS. Στη συνέχεια, προτείνεται για πρώτη φορά μια αναδιατάξιμη δομή μεταϋλικού διττής φύσης, που διαθέτει την ικανότητα μετάβασης ανάμεσα σε δύο διακριτές φύσεις με θετική και αρνητική μαγνητική διαπερατότητα, αντίστοιχα. Με αυτόν τον τρόπο, αποδεικνύεται ότι είναι δυνατό να μεταβληθεί η ηλεκτρομαγνητική φύση ενός σύνθετου υλικού, μέσω της εφαρμογής ηλεκτρικών ρευμάτων. Από την άλλη πλευρά, καταδεικνύεται η δυνατότητα αποκλειστικής χρήσης των RF-MEMS δομών ως μοναδιαίων στοιχείων για τη σύνθεση περιοδικών μέσων με ρυθμιζόμενες αποκρίσεις. Έτσι, προτείνεται η χρήση του διπλού ηλεκτροθερμικού ενεργοποιητή για τη σχεδίαση μιας αναδιατάξιμης δομής συμβατικής φύσης. Στη συνέχεια, σχεδιάζεται μια MEMS διάταξη σύλληψης μικροδομών, η οποία αξιοποιείται ως επαναπροσδιοριζόμενος συντονιστής SRR, μέσω ενός εξωτερικά επιβαλλόμενου θερμικού πεδίου, για τη σύνθεση υλικών με αρνητική μαγνητική διαπερατότητα.