كُلٌ مِنا صانع: التصنيع السريع لأسطح انتقائية التردد (FSS) مرنه وضيقة النطاق من أقمشة موصلة منخفضة التكلفة باستخدام القطع بالليزر

المؤلفون: ف. البراسين، م. ميرياك

تمتلك الأقمشة الموصلة الحديثة خصائص مميزة يمكن توظيفها في تطبيقات الحماية والتدريع منخفضة التكلفة، حيث تشمل الأمثلة الرائعة على التطبيقات المقترحة وسائل الحماية من الصواعق والأغطية منخفضة التكلفة للهواتف المحمولة . تتميز هذه الأقمشة بالمرونة وانخفاض التكلفة، فيمكن أن تكون مهمة بشكل أكبر إذا كان من الممكن الوصول إلى تطبيقات جديدة لها خلال العمليات التالية للمعالجة. في هذا البحث القصير، نشرح عملية تصنيع الأقمشة الموصلة التي يمكنها إنشاء أسطح انتقائية للتردد.

أ- مقدمة - الأسطح الانتقائية للتردد

تشير الأسطح الانتقائية للتردد إلى ترتيب وحدة خلايا الرنين الصغيرة كهربائياً التي تظهر خصائص الترشيح أو الامتصاص أو الاستقطاب عند إضاءتها بواسطة الموجات الكهرومغناطيسية [1]، [2]. تم ذكر عمليات تصنيع هياكل الأسطح الانتقائية للتردد على المواد الصلبة واللينة في العديد من الأوراق البحثية [2]، [3]. ومع ذلك، يشكل الوقت اللازم للتصنيع وتكاليفه تحدياً كبيراً، لا سيما عند التفكير في العمليات التكرارية والنماذج الأولية السريعة. فالعثور على منهجية تصنيع بسيطة وسريعة من شأنه أن يوفر طريقة مرنة وسريعة لإنتاج واختبار الأسطح الانتقائية للتردد لاستخدامها في تطبيقات مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، إن إجراء مثل هذه العمليات بتكاليف منخفضة وبوجود مواد متاحة بسهولة يمكن أن يقلل من النفقات العامة بشكل كبير ويحفز الابتكار المستدام.

تم دراسة أحد أشكال الأسطح الانتقائية للتردد المعروفة والتي تضم رنانات الحلقة المنقسمة (SRR) ونسختها التكميلية المعروفة باسم رنانات الحلقة المنقسمة التكميلية (CSRR) عن كثب خلال السنوات العديدة الماضية باعتبارها هياكل مدمجة لتطبيقات الأسطح الانتقائية للتردد [4] - [6 ]. يجب أن يكون حجم وحدة الخلية والفصل بين الخلايا أصغر بكثير من الطول الموجي لموجات الاصطدام [4]. تتميز هذه الرنانات بعدة سمات مهمة، منها قدرتها على الاستقطاب المتقاطع مما يجعلها مناسبة بشكل كبير لقبب الرادار وتطبيقات طلاء التخفي، على سبيل المثال. في المرجع [6]، اقترح المؤلفون مخططًا انسيابيًا لتصميم الأسطح الانتقائية للتردد لتصفية الموجة المنبعثة من مصادر الكهرومغناطيسية عالية القدرة (HPEM). نقترح فيما يلي دراسة إمكانية تصنيع هياكل الأسطح الانتقائية للتردد المعروضة في المرجع [6] على أقمشة موصلة مرنة ومنخفضة التكلفة.

ب. التصنيع بالليزر للأسطح الانتقائية للتردد

الشكل 1: يمكن رؤية عينة نسيج بها ثقوب ليزرية تتراوح من 3 ملم إلى 1.2 ملم - يتناقص حجم الثقوب بنسبة 10٪. استخدمنا ليزر ثاني أكسيد الكربون التجاري (VLS4.60 عالمي، 60 واط، 10.6 ميكرومتر) في وضع النقش لإنشاء هياكل الأسطح الانتقائية للتردد. بدأ النسيج في الانقطاع عند أحجام الفتحات 1.5 ملم في الجسور بسبب تفحم وتعطل نمط النسيج. بفضل الألياف الاصطناعية للنسيج الموصّل، منع الصهر الحراري للقِطع الناجم عن الليزر هذا النسيج من الاهتراء. يظهر الشكل 2 عرض مجهري للخيوط المنصهرة حرارياً.

قمنا بتدعيم النسيج الموصل ببطانات لاصقة قبل بدء عملية الليزر وذلك لتحسين معالجة ومرونة النسيج. حصلنا على نتائج جيدة باستخدام البطانات اللاصقة المؤقتة (ورق كرافت اللاصق) لتقوية النسيج الرقيق أثناء المعالجة بالليزر. ومع ذلك، إن استخدمنا نظام ليزر أكثر تقدماً له قاعدة مفرغة وأداة قطع بالليزر، يمكننا تجنب استخدام البطانات اللاصقة المؤقتة لدعم هياكل الأسطح الانتقائية للتردد كلما تطلب الأمر تقوية النسيج أثناء المعالجة بالليزر.

اختبرنا البطانات القطنية السميكة الدائمة والأقمشة الاصطناعية كمواد داعمة. عند استخدام الكتان غير الموصّل، يصبح من الممكن استخدام النقش بالليزر لإنشاء هياكل أسطح انتقائية للتردد عشوائية الشكل في طبقة النسيج الموصلة. يمكننا وجود بطانة غير موصلة من تبخير النسيج الموصل بشكل انتقائي فقط، وترك نسيج البطانة سليماً كدعم ميكانيكي. وبالتالي، تمنع البطانة الخلفية تلف الأسطح انتقائية التردد عند إزالة نسيج تلك الأسطح النهائي من طبقة الليزر، وذلك من خلال الحفاظ على الانتظام النسبي لهيكل الأسطح انتقائية التردد.

يمكننا تعزيز مرونة الأسطح انتقائية التردد وزيادة مرونتها الميكانيكية من خلال إضافة بطانة ثانية وإلصاقها باستخدام عملية الصهر كوسيلة دعم بعد عملية النقش بالليزر. تعتمد البطانة المصهورة على البوليستر ولها عادة طلاء رقيق يذوب بالحرارة مماثل للمادة المستخدمة في عصي الغراء الساخنة (إثيلين فينيل أسيتات أو إي في أيه). حيث يتم تسخين الطلاء الذي يذوب بالحرارة حتى يصل إلى نقطة الانصهار وذلك باستخدام مكواة الملابس أو آلة كي الأعلاف الصناعية. عند تعريض البطانة اللاصقة للضغط والحرارة، تندمج البطانة في الجزء الخلفي من النسيج الموصل للأسطح انتقائية التردد مما يثبت هياكل هذه الأسطح في مكانها ويمنع حركتها أثناء استخدامها. يؤدي الجمع بين البطانة وطبقة الذوبان المنصهرة أيضًا إلى تقوية بنية الأسطح انتقائية التردد الهشة.

في الخطوة الأخيرة، استخدمنا النقش بالليزر بدلاً من وظيفة القطع بالليزر. بدلاً من قطع القماش وإزالة القصاصات يدويا، قمنا بتقليل الطاقة وضبط مدة نبضة الليزر، بحيث يبخر الليزر الطبقة المعدنية فقط ويترك النسيج الموجود في الخلفية مكانه. نظرًا لأن استخراج القصاصات غير مطلوب، فإن الهيكل الناتج يتمتع بجودة أعلى لأننا نتجنب إتلاف القماش عن غير قصد أثناء إزالة القصاصات. تستحق النتائج الوقت الإضافي الذي تتطلبه عملية النقش بالليزر، والتي تعد أطول بكثير من عملية القطع بالليزر العادية. يظهر الشكلان 3 (أ) و 3 (ب) وحدة خلايا رنانات الحلقة المنقسمة التكميلية المصنعة من النسيج الموصل.

ج. المصادقة الكهرومغناطيسية التجريبية

تم حفر قسم واحد من ثماني وحدات خلايا رنانات الحلقة المنقسمة التكميلية المصممة مبدئيًا لتمرير نطاق يبلغ حوالي 1.5 جيجاهرتز [6]، من نسيج موصل واختباره في إعداد دليل موجي (معياري WR650) لتوصيف انعكاس الإرسال، كما هو موضح في الشكل 4 (أ). تم إغلاق القسم المستعرض المجوف الكامل من الدليل الموجي WR650 بشريط نحاسي لتجنب أي فتحة طنين داخل التجويف. تم اختبار جزء من النسيج الموصل غير المعالج بنفس الطريقة، كمعيار للتحقق من السلوك الموصل المتوقع للنسيج. تم معايرة إعداد قياس معلمات إس ثنائي المنافذ كما هو موضح في الشكل 4 (ب).

يتم عرض النتائج في الشكل 5 كمعلمات التبعثر إس (S) لإعداد الدليل الموجي. تمثل معلمات S11 و S21 الانعكاس واستجابة الإرسال، على التوالي. يُظهر جدار النسيج غير المعالج عزلًا عاليًا بدرجة كافية بين المنفذ 1 والمنفذ 2، كما هو موضح في الشكل 5 (أ)، مثل S12 ،21 <-70 ديسيبل و S11.22 ≈ 0 ديسيبل عبر النطاق المقاس. هذا يؤكد خاصية الموصلية العالية للنسيج. يوضح الشكل 5 معلمات انعكاس الإرسال لقسم الأسطح انتقائية التردد، بما في ذلك المعلمات المحاكاة من مجموعة برامج CST. بالنسبة إلى الأسطح انتقائية التردد لنطاق التمرير، ينبغي توقع معلمة S11 منخفضة (قيمة سالبة للغاية بوحدة ديسيبل)، وS21 عالية (قريبة من ديسيبل قدر الإمكان). النتائج المقاسة تتوافق بشكل جيد مع المحاكاة. يمكن أن تُعزى استجابة الترشيح غير المثالية إلى سماكة المعدنة غير الصفرية والخسائر في الأسطح انتقائية التردد، المرتبطة بالموصل وبطانة التقوية.

د- النتائج والعمل المستقبلي

تم تقديم عملية تصنيع بديلة لترتيبات الأسطح انتقائية التردد على أساس النسيج الموصل. تعتمد قوة التقنية المقدمة على الأقمشة الموصلة المتوفرة بسهولة وآلات القطع بالليزر. تستخدم قواطع الليزر التجارية في وضع النقش لنقش خلايا الوحدة المكونة للأسطح انتقائية التردد. تم تصنيع عينة من الأسطح انتقائية التردد بمرور النطاق، استنادًا إلى ثماني وحدات خلايا رنانات الحلقة المنقسمة التكميلية واختبارها للتحقق من فعالية عملية التصنيع وجدوى استخدام الأقمشة الموصلة لبناء الهياكل الرنانة في نظام الموجات الراديوية والميكروويف.

يتم الآن استخدام التصميمات المبتكرة التي تتضمن الهياكل القائمة على الأسطح انتقائية التردد في بناء النماذج الأولية السريعة والتوصيف التجريبي عبر التطبيقات الحديثة مثل قبب الراديو الذكية والهوائيات التي يمكن للارتداء والملابس الذكية وأغطية الامتصاص الكهرومغناطيسية، وغيرها. نهدف الآن إلى دراسة دمج مجموعة متعددة من طبقات الأسطح انتقائية التردد وطبقات العزل الكهربائي للتطبيقات المذكورة أعلاه.

هـ. شكر وتقدير

يود المؤلفون أن يشكروا إ. نيرا و ج. أبيه و ف. فيغا و ن. مورا وش. قاسمي على مساهمتهم في هذا العمل.

و. المراجع

[1] B. A. Munk, Frequency Selective Surfaces: Theory and Design. New York: John Wiley & Sons, 2005.

[2] F. Costa, A. Monorchio, and G. Manara, “Analysis and Design of Ultra Thin Electromagnetic Absorbers Comprising Resistively Loaded High Impedance Surfaces,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 58, no. 5, pp. 1551–1558, May 2010, doi: 10.1109/TAP.2010.2044329.

[3] J. D. Ortiz, J. D. Baena, V. Losada, F. Medina, and J. L. Araque, “Spatial Angular Filtering by FSSs Made of Chains of Interconnected SRRs and CSRRs,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 23, no. 9, pp. 477–479, Sep. 2013, doi: 10.1109/LMWC.2013.2274997.

[4] R. Marqués et al., “Ab initio analysis of frequency selective surfaces based on conventional and complementary split ring resonators,” J. Opt. A: Pure Appl. Opt., vol. 7, no. 2, pp. S38–S43, Jan. 2005, doi: 10.1088/1464-4258/7/2/005.

[5] J. D. Baena et al., “Equivalent-circuit models for split-ring resonators and complementary split-ring resonators coupled to planar transmission lines,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 53, no. 4, pp. 1451–1461, Apr. 2005, doi: 10.1109/TMTT.2005.845211.

[6] F. Albarracin-Vargas, F. Vega, C. Kasmi, D. Martinez, and L. O. Fichte, “Enhanced integrated multiband HPM radiator, combining a hyperband source with a high-Q frequency selective surface,” Comptes Rendus. Physique, vol. 22, no. S1, pp. 73–82, 2021, doi: 10.5802/crphys.63.