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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.18.2015.tde-26032015-084251
Document
Author
Full name
Achiles Fontana da Mota
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2015
Supervisor
Committee
Borges, Ben Hur Viana (President)
Carmo, João Paulo Pereira do
Marega Junior, Euclydes
Title in Portuguese
Análise de propagação de pulso em meios metamateriais
Keywords in Portuguese
Compensação de dispersão
Compressão temporal
Metamateriais
Propagação de pulsos
Telecomunicações
Abstract in Portuguese
Este trabalho tem por objetivo o estudo de dispersão de pulsos ultracurtos em estruturas metamateriais para a faixa de micro-ondas. Como é bem sabido, os metamateriais são estruturas altamente dispersivas em qualquer faixa de frequências. Essas características dispersivas são normalmente tratadas como deletérias para a propagação de pulsos. Entretanto, nesta dissertação é demonstrado que essas mesmas características podem produzir efeitos benéficos em certas aplicações. Para isso é realizada uma análise teórica detalhada das características de dispersão de células metamateriais de diferentes geometrias. Adicionalmente, é investigada a propagação de um pulso gaussiano em meios metamateriais infinitos com o objetivo de melhor compreender fenomenologia por trás dos efeitos de dispersão nesses materiais. É também apresentado um novo procedimento de homogeneização de metamateriais que permite descrever estes meios de maneira mais precisa e com menor custo computacional que métodos encontrados na literatura. Esse método é baseado em modelos materiais conhecidos, como os de Lorentz e Drude. Este trabalho também apresenta uma nova abordagem para compressão de pulsos e compensação de dispersão por meio da propagação de pulsos de micro-ondas chirpados em metamateriais no regime de refração negativa. Para conseguir esse efeito, são investigadas placas de metamateriais com espessuras de 1, 3, 5 e 7 células metamateriais utilizando o método das diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) juntamente com técnicas de extração de parâmetros. É demonstrado que com o controle do chirp inicial do pulso, em associação com a densidade/geometria das células metamateriais e de sua resposta em frequência, é possível não só compensar o alargamento temporal desses pulsos devido à dispersão cromática como também realizar a compressão temporal por um fator de 2.
Title in English
Analysis of pulse propagation in metamaterials media
Keywords in English
Dispersion compensation
Metamaterials
Pulse propagation
Telecommunication
Temporal compression
Abstract in English
The goal of this work is to study the dispersion of ultra-short microwave pulses in metamaterials structures. It is well known that metamaterials are highly dispersive structures in any frequency range. These dispersive characteristics are normally treated as deleterious to pulse propagation. However, in this dissertation it is demonstrated that these characteristics can produce beneficial effects in certain applications. This assertion is addressed through a theoretical analysis of the dispersion of metamaterials cells of different geometries. In addition, it is investigated the propagation of a gaussian pulse through an infinite homogeneous metamaterial structure aiming at improving our understanding of the phenomenology behind dispersion effects in such media. It is also presented a new homogenization procedure for metamaterials that allows these media to be described in a more realistic manner and with computational cost lower than those currently found in the literature. This procedure is based on well known material models, such as Drude and Lorentz models. This work also introduces an efficient technique for pulse compression and dispersion compensation via propagation of chirped microwave pulses through metamaterials in the negative refraction regime. To accomplish this, it is investigated infinitely wide metamaterial slabs with thicknesses of 1, 3, 5, and 7 cells with a finite difference in time domain method together with a parameter extraction technique. It is demonstrated that by controlling the chirp of the initial pulse, in association with the metamaterial cell density/geometry and frequency response, it is possible not only to compress the pulse (by a factor of 2), but also to compensate pulse broadening due to chromatic dispersion.
 
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Achiles.pdf (6.15 Mbytes)
Publishing Date
2015-04-07
 
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