Constitutive Parameter Extraction of Isotropic Inhomogeneous Metamaterials Involving Coupling

Year 2019, Volume: 9 Issue: 2, 17 - 22, 06.02.2020

Uğur Cem Hasar , Hamdullah Öztürk , Mehmet Ertugrul

Abstract

An algorithm is proposed for accurate retrieval of electromagnetic parameters of isotropic inhomogeneous metamaterial(MM-a type of engineering materials) structures. It uses two sets of recursive scattering parameter relation (forward and backward directions) for obtaining average impedance. The effectiveness of the proposed method has been examined for the considered a three-layer inhomogeneous structure consisting of MMs with split-ring-resonators, and its accuracy has been compared with the other method which uses electromagnetic property extraction from scattering parameters only in forward direction.

Keywords

Metamaterials, extraction, isotropic, inhomogeneous

Etkileşim İçeren İzotropik Homojen Olmayan Metamalzemelerin Bünye Parametrelerinin Çıkarımı

Abstract

Metamalzeme(MM) karekterizasyonu, mükemmel lens ve görünmezlik pelerini gibi uygulamalarda kullanılan MM’ lerin farklı özelliklerini anlamada önemlidir. Literatürde ölçülen/benzetimi gerçekleştirilen saçılma(S-) parametre-lerine dayanan çeşitli çıkarım teknikleri bulunmaktadır. Tüm bu yöntemlerin ortak noktası, MM yapısının homojen olduğunu varsaymalarıdır. Bununla birlikte, farklı özelliklerdeki MM’lerin ardışıl eklenmesi ile çeşitli uygulamalarda kullanılabilecek yapılar oluşturulabilir. Fakat, bu durum homojen olmayan bir MM yapısının oluşmasına sebep olur. Homojen olmayan MM yapıları için önerilen yöntem, sadece bir tabakayı dikkate alır ve bundan dolayı çevresinde bulunan MM levhaları arasındaki birleştirme etkisini dikkate almaz.

Son zamanlarda, MM katmanları arasındaki etkileşimi hesaba katarak homojen olmayan izotropik ve bianizotropik MM yapılarının elektromanyetik özelliklerinin belirlenmesi için gerekli çıkarım prosedürleri geliştirilmiştir. Bu çalışmalarda, empedansı bulmak için sadece bir yönlü (ileri veya geri) tekrarlamalı S-parametre ifadeleri kümesi dikkate alınmıştır. Bununla birlikte, dalga empedansı için bir yönlü bir tekrarlamalı ifadeler kümesi, MM katmanları arasındaki etkileşimin çıkarılmasında çok etkili olmayabilir. Bu çalışma-da, daha doğru elektromanyetik parametreler elde etmek ve her bir homojen olmayan izotropik MM katmanının dalga empedansını bulmak için, çift yönlü (ileri ve geri) tekrarlamalı saçılma parametre ifadelerini (S11 ve S21 ile S22 ve S21) kullanan yeni bir algoritma önerilmektedir. Bu algoritma ile izotropik homojen olmayan metamalzeme yapılarının elektromanyetik parametrelerinin sonuçlarının daha doğru bir şekilde elde edilmesi amaçlanmıştır. Önerilen yöntemin literatürde çalışılan bir yönlü tekrarlamalı ifadeler kümesine dayalı yönteme göre avantajı, önerilen algoritma ile iki taraflı elektromanyetik çıkarım işlemi uygulanmasıdır. Önerilen yöntem ilk olarak ayrık halka rezonatör metamalzemelerden oluşan üç katmanlı homojen olmayan bir yapının benzetimi yapılarak saçılma parametreleri kullanılarak doğruluğu incelenmiş, daha sonra da literatürdeki mevcut olan aynı yöntemlerin sonuçları ile doğrulukları karşılaştırılmıştır. Amaçlanan yöntem ile literatürdeki yöntemlerin doğruluk derecelerini değerlendirmek için çıkarımı yapılan elektromanyetik özelliklerin kullanımı ile homojen olmayan MM yapısının tüm S-parametreleri incelenmiştir. S-parametrelerinin analizi için CST mikrodalga programı kullanılmıştır. Elde edilen incelemeler sonucunda, makalede önerilen çift yönlü tekrarlamalı saçılma parametre ifadeleri ile elde edilen sonuçların (özellikle empedans), literatürde önerilen tek yönlü tekrarlamalı saçılma parametre ifadeleri ile elde edilen sonuçlara göre daha yumuşak bir şekilde frekans ile değiştiği gözlemlenmiştir.

Keywords

metamateryal, çıkarım, izotropik, homojen olmayan

References

• [1] Nicolson, A. M. and Ross, G. F., “Measurement of the intrinsic properties of materials by time-domain techniques”, IEEE Transactions on instrumentation and measurement, vol. 19, no. 4, pp. 377-382, 1970.
• [2] Smith, D. R., Schultz, S., Markoš, P., & Soukoulis, C. M., “Determination of effective permittivity and permeability of metamaterials from reflection and transmission coefficients”, Physical Review B, vol. 65, no. 19, 195104, 2002.
• [3] Hasar, U. C., Barroso, J. J., Sabah, C., Kaya, Y., & Ertugrul, M., “Stepwise technique for accurate and unique retrieval of electromagnetic properties of bianisotropic metamaterials”, JOSA B, vol. 30, no.4, pp. 1058-1068, 2013.
• [4] Jing, X., Xia, R., Wang, W., Tian, Y., & Hong, Z., “Determination of the effective constitutive parameters of bianisotropic planar metamaterials in the terahertz region”, JOSA A, vol. 33, no. 5, pp. 954-961, 2016.
• [5] Hasar, U. C., Muratoglu, A., Bute, M., Barroso, J. J., & Ertugrul, M., “Effective constitutive parameters retrieval method for bianisotropic metamaterials using waveguide measurements”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 65, no. 5, pp. 1488-1497, 2017.
• [6] Smith, D. R., Vier, D. C., Koschny, T., & Soukoulis, C. M., “Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials”, Physical review E, vol.71, no. 3, 036617, 2005.
• [7] Shi, Y., Li, Z. Y., Li, K., Li, L., & Liang, C. H., “A retrieval method of effective electromagnetic parameters for inhomogeneous metamaterials”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 65, no.4, pp. 1160-1178, 2017.
• [8] Hasar, U. C., Buldu, G., Kaya, Y., & Ozturk, G., “Determination of effective constitutive parameters of inhomogeneous metamaterials with bianisotropy”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, no. 8, pp. 3734-3744, 2018.