في كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية ..م. محمد أسعد يحصل على مرتبة الشرف في رسالة دكتوراه

العدد: 9337

23-4-2019

حظي تصميم المواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية باهتمام متزايد في السنوات الأخيرة بسبب خصائصها الكهرومغناطيسية الفريدة. لكن هذه المواد عانت من تحديات كبيرة مثل تصميم الشكل أو الهيكل المكون لهذه المواد، كذلك محدودية عرض المجال الترددي التي تكون فيها قيم السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية سالبة. لذلك فقد توجهت الدراسات الحديثة لخلق تصاميم جديدة لهذه المواد من أجل الحصول على بنى تعطي قيماً سالبة للسماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية عند مجالات ترددية مختلفة، وكان أحد أهم هذه التصاميم هو استخدام الهندسة التجزيئية في تصميم البنى المكونة لهذه المواد. يأتي البحث، انطلاقاً من أهمية تصميم المواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية باستخدام الهندسة التجزيئية من ناحية، وللميزات الهامة التي تتمتع بها هذه المواد من ناحية ثانية، وبالنتيجة لأهمية التطبيقات التي يمكن الحصول عليها في مجالات عديدة أهمها الميكروي والضوئي. هذا ما تصدى له الباحث المهندس محمد مالك أسعد في بحث أُعدّ لنيل درجة الدكتوراه في كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية بعنوان (تصميم وتحليل البنى التجزيئية ثنائية وثلاثية الأبعاد المكونة من مواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية (Metamaterial) والمتوضعة ضمن المواد الطبيعية من أجل التطبيقات الميكروية والضوئية) بإشراف أ. د. السموءل صالح مشرف رئيس وأ. د. علي زيد مشرف مشارك .

– تم تطوير طريقة الفروق المحدودة في المجال الزمني (FDTD) لكي تكون قادرة على دراسة وتحليل سلوك البنى التجزيئية المكونة من مواد طبيعية، ودراسة تأثير معاملات الجسم التجزيئي ونوع المادة المدروسة على معاملات الإرسال والانعكاس لهذه البنى. بعدها تم تطوير نموذج رياضي يقوم بدراسة وتحليل سلوك البنى التجزيئية المكونة من مواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية. تم تطوير هذا النموذج بالاعتماد على تطوير العلاقات الرياضية في طريقة الفروق المحدودة في المجال الزمني واستخدام الأجسام التجزيئية (شريط كانتور) لبناء الشرائح السالبة، واستخدام نموذج درود الذي يصف النفاذية المغناطيسية والسماحية الكهربائية السالبتين بالنسبة للتردد. ويقدم هذه النموذج دراسة معمقة لأثر دمج الهندسة التجزيئية مع المواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية، من خلال استخلاص معاملات الإرسال والانعكاس للبنى التجزيئية المكونة من مواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية، وإيجاد تأثير تغيير البعد التجزيئي على هذه المعاملات، وتحليل سلوك الأمواج الكهرومغناطيسية المنتشرة في هذه البنى بحيث يقوم النموذج بإظهار سلوك الأمواج الكهرومغناطيسية المنتشرة ضمن البنى التجزيئية المقترحة، ومن ثم إجراء مقارنة بين هذه الطريقة والطرق الأخرى للتحقق من صحة النتائج.
– تم دراسة سلوك خلية الوحدة الأساس (Unit Cell) المكونة من (شريط معدني ورنانة الحلقة المشطورة) والتي تعتبر حجر الأساس في تصميم وبناء البنى المكونة من (Metamaterial)، عند تغيير البعد والشكل للعناصر المكونة للوحدة الأساس. ودراسة تأثير الهندسة التجزيئية على سلوك المواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية ثنائية البعد من خلال اقتراح تصميم بنية ثنائية الأبعاد مكونة من ترتيب تجزيئي لخلية الوحدة الأساس ومقارنتها بسلوك البنية الدورية ثنائية البعد، مع دراسة أثر تغيير بارامترات الرنانة في البنية المقترحة وأثر تغيير البعد التجزيئي، درجة التجزيء، معامل توزع المادة، وأثر تغيير اتجاه انتشار الأمواج للبنى المدروسة. تم التحري عن تأثير البعد بين الشرائح وتأثير زيادة عدد الشرائح ودراسة تأثير تدوير الرنانات على القيم السالبة للسماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية وعلى معاملات الإرسال والانعكاس للبنى التجزيئية ثلاثية الأبعاد المكونة من مواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية، ودراسة تأثير الهندسة التجزيئية في تصميم المواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية في مجال التيرا هيرتز .
– قدم استخدام الأجسام التجزيئية في تصميم البنى المكونة من (Metamaterial) درجات كبيرة وأعطت النماذج التصميمية المقترحة إمكانية الحصول على قيم سالبة للسماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية عند مجال واسع من الترددات، وبالنتيجة قدمت نتائج جيدة في مجال المرشحات الميكروية والضوئية والهوائيات .

أهداف البحث Research Objective
يقدم البحث تطويراً رياضياً لأحد الطرق العددية المستخدمة في حساب الحقول الكهرومغناطيسية المنتشرة خلال بنية ما بحيث يقدم خوارزمية رياضية ونموذج رياضي جديد يأخذ بعين الاعتبار وجود المواد الطبيعية إلى جانب المواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية (المواد التي تخضع لقاعدة اليد اليسرى) بتوزع تجزيئي محدد وبالنتيجة لديه القدرة على تحليل سلوك الحقل الكهرومغناطيسي في البنى التجزيئية أحادية البعد أو ثنائية الأبعاد المكونة من المواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية.
كما يسعى البحث لتصميم وتحليل سلوك البنى ثنائية وثلاثية الأبعاد المكونة من مواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية باستخدام الهندسة التجزيئية موزعة بشكل تجزيئي ضمن المواد الطبيعية.
الاستنتاجات:
قدم النموذج المقترح تصوراً معمقاً للبنى التجزيئية وتأثيراتها في الحصول على حزم تمرير ضمن حزم المنع الترددية وصولاً إلى تصميم مرشحات تجزيئية ذات كفاءة عالية . حيث تم التوصل إلى مايلي: تغيير نوع المادة المكونة للتركيب التجزيئي يؤدي إلى اختلاف مواقع توضع حزم التمرير ضمن حزم المنع، واختلاف توزع الحقل الكهربائي ضمن البنى المقترحة. تغيير البعد التجزيئي يؤدي إلى تغير مواقع حزم التمرير ضمن حزم المنع، بسبب تغيير أطوال الأجواف الطنينية للقطعة المدروسة نفسها. تغيير درجة التجزيء يؤدي إلى تغيير عدد حزم المنع والتمرير وتغيير عرضها. إمكانية تصميم وتطبيق المرشحات عالية الانتقائية، عن طريق تصميم بنية مكونة من تعاقب شرائح من مواد موجبة بشكل تجزيئي.
قدم النموذج الرياضي المطور المقترح دراسة معمقة لسلوك البنى التجزيئية المكونة من مواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية من خلال إظهار كيفية انتشار الأمواج في البنى المكونة من شرائح سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية وسلوك الأمواج الكهرومغناطيسية ضمن هذه البنى. كما قدم إمكانية تصميم البنى التجزيئية المكونة من مواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية وإمكانية التحكم في مواقع حزم التمرير مما يساهم في تصميم المرشحات ويمكن من الاستفادة من خصائصها لاستخدامها في مختلف أجهزة الاتصالات الميكروية والضوئية .
إمكانية الحصول على ما يسمى بالعدسات الفائقة من خلال البنية المكونة من مواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية التي تعطي معامل إرسال أعظمي مساوي للواحد.
تغيير ثخانة الشريط المعدني للرنانة يؤدي إلى تغيير موقع حزمة النقل وبتحليل الأشكال نلاحظ أن زيادة عرض السلك المعدني يؤدي إلى انزياح حزمة النقل إلى ترددات أقل.
تغيير شكل الشريط المعدني وتغيير شكل الرنانة أدى إلى ظهور حزم تمرير مختلفة في مواقع مختلفة وأعطى قيم سالبة للسماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية عند ترددات مختلفة عن القيم الناتجة في الوحدة الأساس القياسية.
تصغير أبعاد الخلية الوحدة الأساس أدى إلى ظهور ترددات الرنين عند قيم أكبر ومكن من الحصول على قيم سالبة للسماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية عند قيم أعلى.
يزداد تردد الرنين للبنية ثنائية البعد عند زيادة الفجوة بين الحلقتين، وزيادة عرض الانشطار للحلقة، وزيادة عرض المعدن للرنانة على كامل مستوى الشريحة .
أن تغيير البعد التجزيئي في البنية ثنائية البعد يؤدي إلى تغيير مواقع حزم التمرير وحزم المنع وتغيير عرضها وعددها، وبالتالي إمكانية تصميم مرشحات عند ترددات مختلفة.
نلاحظ أن معامل توزع المادة يؤثر على مواقع حزم التمرير، ومن أجل معامل توزع محدد يمكن لهذه الحزم أن تتقارب لتشكل حزمة نقل عريضة واحدة. بالتالي يمكننا من خلال التحكم الدقيق بهذا المعامل ضبط مواقع حزم التمرير لتشكيل مجال ترددي عريض .
استخدام البنية ثلاثية البعد أدى إلى ظهور حزم تمرير ترددية ضمن حزم المنع الترددية لا تعطيها البنى ثنائية البعد عند نفس درجة التجزيء وعند نفس البعد التجزيئي.
زيادة المسافة بين الشرائح في البنى ثلاثية الأبعاد تؤدي إلى زيادة عرض حزمة التمرير وظهور حزم تمرير
نلاحظ أن تدوير الرنانات في البنى الثلاثية الأبعاد التجزيئية أعطى اختلافاً واضحاً في مواقع حزم التمرير والمنع وأثر على عرض حزم التمرير وعددها، كما أدى إلى اختلاف في قيم السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية السالبتين عند ترددات مختلفة. وساهم في الحصول على قيم سالبة للسماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية على كامل المجال الترددي وساهم في الحصول على قيم كبيرة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية لم يتم الحصول عليها مسبقاً.
إن استخدام شريط كانتور كنموذج عن الجسم التجزيئي في مجال التيرا هيرتز لم يقدم نتائج جيدة بسبب الفجوات الكبيرة التي يقدمها هذا النموذج، لذلك تم الاعتماد على نموذج سيبرينسكي في التصميم والذي قدم إمكانية التحكم في مواقع حزم المنع والتمرير في مجال التيرا هيرتز
المقترحات لتطوير البحث:
تطوير النموذج الرياضي بحيث يتم تطبيق الهندسة التجزيئية في البنى ثلاثية الأبعاد المكونة من مواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية .
استخدام نماذج تجزيئية مختلفة في تصميم البنى ثلاثية الأبعاد المكونة من (Metamaterial)، الأمر الذي يمكن أن يقدم إمكانية التحكم بانتشار الأمواج.
استخدام النماذج المقترحة في تصميم الهوائيات والتطبيقات المختلفة
تطوير برمجية متكاملة ذات واجهة تعامل رسومية، يمكن أن تستخدم كبرنامج لمحاكاة البنى التجزيئية المكونة من مواد سالبة السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية بطرق مختلفة اعتماداً على النماذج المقترحة.
وقد نال الباحث علامة قدرها 95% ومرتبة الشرف.
وتألفت لجنة الحكم المؤلفة من السادة:
أ. د. شحادة موسى الأستاذ في قسم هندسة الالكترونيات والاتصالات بكلية الهمك في جامعة البعث – عضواً .
أ. د. معين يونس الأستاذ في قسم هندسة الاتصالات والالكترونيات بكلية الهمك في جامعة تشرين اختصاص هندسة الأمواج الميكروية وانتشار الأمواج – عضواً.
أ. د. ياسر عملة الأستاذ في قسم هندسة الالكترونيات والاتصالات بكلية الهمك في جامعة البعث اختصاص اتصالات و معالجة إشارة – عضواً.
أ. د. السموءل صالح الأستاذ في قسم هندسة الاتصالات والالكترونيات بكلية الهمك في جامعة تشرين اختصاص اتصالات ميكروية – عضواً ومشرفاً.
د.م. غدير ماضي الأستاذ المساعد في قسم هندسة الاتصالات والالكترونيات بكلية الهمك في جامعة تشرين اختصاص /تقنيات MIMO استشعار عن بعد – عضواً .

رنا رئيف عمران