Electromagnetic wave propagation through multilayer chiral media

Abstract

öz ELEKTROMANYETİK DALGANIN ÇOK KATMANLI BAKIŞIMSIZ ORTAMDA YAYILMASI SABAH, Cumali Yüksek Lisans Tezi, Elektrik & Elektronik Mühendisliği Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Savaş UÇKUN Ocak 2004, 155 sayfa Bu tezde, düzlemsel bir dalganın çok katmanlı bakışımsız ortamda teorik olarak incelenmesi sunulmuştur. Özellikle, elektromanyetik dalganın çok katmanlı bakışımsız ortam ile etkileşimi kapsamlı olarak incelenmiştir. Analizde, kolaydan başlayıp karmaşığa gitmek ve sonuçları karşılaştırabilmek için, ilk olarak düzlemsel dalganın çok katmanlı dielektrik ortamdaki yayılımı incelenmiştir. Çok katmanlı dielektrik ortamın yayılma karakteristiği, birbirine bitişik iki dielektrik katmanın yüzeyinde sınır şartlarının kullanılmasıyla formülize edilmiştir. Daha sonra, N tane farklı materyal özelliklerine sahip ve farklı kalınlıklardaki dielektrik bakışımsız katmanlardan oluşan çok katmanlı bakışımsız ortamın yayılma karakteristiği elde edilmiştir. Gelen dalga herhangi bir polarizasyonlu düzlemsel monokromatik dalga olarak kabul edilmiştir. Bakışımsız ortam içinde farklı faz hızlarında sola ve sağa doğru yayılan iki dalga vardır. Bu yüzden elektrik alan, bakışımsız ortam içinde farklı faz hızlarında sol ve sağ el dairesel polarizasyonlu iki düzlemsel dalganın toplamı şeklinde tanımlanabilir. Böylece, m' inci bakışımsız katmanda; iki tane sağ ara yüzeye doğru ilerleyen, iki tane de sol ara yüzeye doğru ilerleyen toplam dört dalga bulunur. Birbirine bitişik iki bakışımsız katmanın yüzeyinde sınır şartlarını kullanarak, (m+l)'inci ara yüzeyde bulunan dört elektrik alanın büyüklüğü, 4x4 matris şeklinde m' inci ara yüzeyde bulunan elektrik alanlarınınbüyüklüğü cinsinden yazılabilir. Bu matrislerle yansıyan ve geçen elektrik alanların dik ve paralel bileşenleri kolaylıkla bulunabilir. Daha sonra yansıma ve geçme katsayıları ve yansıyan ve geçen dalgaların güç katsayıları kendi bileşenleri cinsinden yazılabilir. Bu araştırmada ilgi çeken bir husus da çok katmanlı bakışımsız ortamın karakteristiklerinin bazı frekans aralığında polarizasyon dönüştürücü filtre ve anti-yansıma filtresi olarak tespitidir. Çok katmanlı bakışımsız ortamın bazı frekans aralığında polarizasyon dönüştürücü filtre ve anti-yansıma filtresi olarak da kullanılabileceği nümerik sonuçlar yardımıyla görülmüştür. Ayrıca nümerik sonuçlar, bakışımsızlık parametresinin tasarım esnasında esnekliği arttıracağını göstermiştir. Anahtar kelimeler: Bakışımsızlık, çok katmanlı yapılar, filtre, polarizasyon, yansıma ve geçme.

ABSTRACT ELECTROMAGNETIC WAVE PROPAGATION THROUGH MULTILAYER CHIRAL MEDIA SABAH, Cumali M.Sc. in Electrical & Electronics Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Savaş UÇKUN January 2004, 155 pages In this thesis, a theoretical study of the plane waves in multilayer chiral medium is presented. In particular, the interaction of electromagnetic waves with multilayer chiral medium is investigated extensively. In order to move from the simple to the complex and compare the results, first of all propagation of a plane wave in a multilayer dielectric media is studied. Scattering characteristics of the multilayer dielectric media is formulated by using boundary conditions at the interface of two adjacent dielectric layers. Secondly, scattering characteristics of a multilayer chiral slab which is composed of N dielectric chiral layers of different material properties and thicknesses are obtained. It is assumed that the incident field is a plane monochromatic wave of any arbitrary polarization. Note that inside the chiral medium there is two modes propagation in each direction, left and right, with different phase velocities. Therefore, the electric field in the chiral medium can be desribed by the sum of left-circularly (LCP) and right-circularly (RCP) polarized plane waves of different phase velocities. Thus there are four waves in the m-th chiral layer, two propagating toward the right interface and the other two propagating toward the left interface. Imposing the boundary conditions at the interface of two adjacent chiral layers, the relations between the electric fields in the (m+l)-th layer are related to those in the m-th layer in the form of a 4x4 matrix. By means of thesematrices, the perpendicular and parallel components of the reflected and transmitted electric fields are found easily. Then the reflection and transmission coefficients, and power densities of the reflected and transmitted waves can be written in terms of their field components. One of the main reasons of interest in this resarch is to determine the characteristics of multilayered chiral slabs as a polarization-conversion transmission filter and an antireflection filter at some frequency band. From the numerical results, it is seen that the multilayer chiral medium may be used as both filter types. Furthermore, numerical results show that the chirality parameter increases the flexibility of the design process. Key words: chirality, multilayer structures, filter, polarization, reflection and transmission. VI