Ультратонкий трехзонный поглотитель из метаматериала со стабильностью при большом угле падения для конформных приложений в полосах частот X и Ku

Введение

В последние годы метаматериалы вызывают широкое беспокойство из-за их экзотических свойств, таких как отрицательный показатель преломления [1], идеальное отображение [2] и обратные эффекты Доплера [3]. Благодаря этим свойствам метаматериалы были предложены для использования в различных устройствах, таких как электромагнитная (ЭМ) маскировка [4], сверхчувствительное зондирование [5], фильтры [6, 7] и поглотители [8,9,10, 11,12]. В частности, поглотители из метаматериалов (МА), по сравнению с традиционными поглотителями микроволнового излучения, используются в самых разных областях, от военной до бытовой электроники. МА обычно легкие и тонкие.

В 2008 году идеальная МА была впервые представлена ​​Landy et al. [13]. Впоследствии различные типы МА, такие как однополосные [14, 15], двухдиапазонные [16,17,18,19,20,21], многодиапазонные [22,23,24,25,26,27 ] и широкополосные поглотители [28,29,30,31,32,33,34,35,36], были представлены различными исследователями. Среди этих МА многополосные МА обеспечивают идеальное поглощение на нескольких дискретных частотах, что позволяет использовать такие приложения, как многополосное зондирование. В общем, многодиапазонный MA можно настроить двумя способами. Первый метод широко известен как метод компланарного построения, при котором несколько резонаторов разного размера формируются в суперблочную структуру [37, 38]. Второй метод предполагает вертикальное наложение чередующихся многослойных структур [39, 40]. Однако ни один из этих методов не идеален для изготовления структуры, обеспечивающей многополосное поглощение. Например, метод компланарной конструкции приводит к неизбежному увеличению размера блока МА, в то время как многослойная конструкция не может устранить недостаток большой толщины и большого веса конструкции. Недавно были представлены некоторые упрощенные конструктивные решения для достижения многополосного поглощения [41, 42]; тем не менее, поглощение при широком угле падения все еще необходимо улучшить.

В этой статье мы предлагаем метод проектирования, который сочетает в себе преимущества компактного размера, ультратонкости, легкости и простоты изготовления. Благодаря конструкции элементарной ячейки предложенный трехзонный МА демонстрирует высокое поглощение даже при широких углах падения. Результаты моделирования выявили три отдельные полосы поглощения с пиковым поглощением 99,9%, 99,5% и 99,9% на частотах 8,5, 13,5 и 17 ГГц соответственно. Симметричная структура МА обеспечивает нечувствительность его поглощения к разным углам поляризации. Кроме того, предложенный МА обеспечивает поглощение более 86% и 99%, когда волны с TE- и TM-поляризацией падают под углом падения 60 ° соответственно. Исследована связь между различными геометрическими параметрами и спектром поглощения. Для проверки поглощающей способности МА был изготовлен прототип с 20 × 30 элементарных ячеек, и экспериментальные результаты согласуются с результатами моделирования. Из-за малой толщины и эффективности для широкого диапазона углов падения, структура МА была изготовлена ​​на очень гибкой полиимидной пленке, которая может использоваться в неплоских и конформных приложениях.

Методы / экспериментальные

На рис. 1 показана геометрия элементарной ячейки предлагаемого МА, которая состоит из резонансного слоя, диэлектрического слоя и металлического заземляющего слоя. Резонансная структура сочетает в себе разъемный кольцевой резонатор (SRR), модифицированный кольцевой резонатор (MRR) и восемь идентичных 7-образных структур, каждая из которых повернута на 45 ° вдоль центра блока. Верхний узорчатый слой и нижний слой заземления изготовлены из меди толщиной 0,02 мм и имеют электрическую проводимость 5,8 × 10 ⁷ . См / м. Подложка была изготовлена ​​на полиимиде с относительной диэлектрической проницаемостью 2,9 и тангенс угла потерь 0,02. Оптимизированные параметры МА приведены в таблице 1.

Схематическая геометрия элементарной ячейки предлагаемого МА. а Вид сверху, b расположение восьми 7-образных резонансных структур и c вид в перспективе элементарной ячейки

Смоделированные спектры поглощения предлагаемого МА были определены с помощью моделирования во временной области с конечными разностями (FDTD). При моделировании граничные условия элементарной ячейки применялись в направлениях x и y, а условие порта Флоке - в направлении z. Более того, предполагалось, что плоская ЭМ волна падает на поверхность МА. Поглощающая способность ( A ) можно определить как \ (A \ left (\ upomega \ right) =1- {| {S} _ {11} (\ upomega) |} ^ {2} - {| {S} _ {21} (\ upomega) |} ^ {2} \), где \ ({S} _ {11} (\ upomega) \) и \ ({S} _ {21} (\ upomega) \) - коэффициенты отражения и передачи , соответственно. Поскольку коэффициент передачи \ ({S} _ {21} (\ upomega) \) равен нулю из-за полного отражения медной заземляющей поверхности, коэффициент поглощения можно упростить как \ (A \ left (\ upomega \ right) =1 - {| {S} _ {11} (\ upomega) |} ^ {2} \). Смоделированные спектры отражения и поглощения предлагаемого МА при нормальном падении показаны на рис. 2а. Предлагаемый МА показывает три пика поглощения на частотах 8,5, 13,5 и 17 ГГц с поглощением 99,9%, 99,5% и 99,9% соответственно; соответствующий Q Коэффициент каждой резонансной моды может достигать 26,8, 28,4 и 27,1 соответственно.

а Моделирование спектров поглощения и отражения при нормальном падении. б Спектр поглощения для разных углов поляризации φ . Поглощение для разных θ значения для c TE и d Поляризация TM

На рис. 2б представлены спектры поглощения предложенной МА-структуры для различных углов поляризации. Видно, что поглощение МА остается стабильным в диапазоне углов поляризации от 0 ° до 90 °. Следовательно, предлагаемый МА нечувствителен к поляризации падающих электромагнитных волн. Кроме того, мы дополнительно исследовали поглощение в разработанной МА при наклонном угле падения ( θ ). Для TE поляризации, как показано на рис. 2c, поглощательная способность уменьшается как θ увеличивается. Это может произойти из-за увеличения θ уменьшает горизонтальную составляющую напряженности электрического поля для ТЕ-волн. Следовательно, эффективность циркулирующего тока, создаваемого падающим электрическим полем, постепенно снижается. Однако три пика поглощения остаются выше 86% как θ доходят до 60 °. Для TM поляризации, как показано на рис. 2d, поглощательная способность на каждом резонансном пике больше 99% при θ =60 °. Это происходит потому, что поглощение в предлагаемой МА менее чувствительно к изменениям напряженности электрического поля, вызванным увеличением θ . Еще одним преимуществом предлагаемой МА является стабильность частоты поглощения, как показано на рис. 2, где три отдельных пика поглощения существенно не меняются как θ увеличивается.

Результаты и обсуждение

Для облегчения подробного объяснения поглощения на рис. 3 представлены спектры отклика для различных частей резонансной структуры. Как показано на рис. 3, каждый элемент в узорчатом слое отвечает за индивидуальный и интенсивный резонанс. В результате комбинация этих элементов приводит к идеальному многополосному поглощению. Как часть конструкции MRR, квадратный участок добавлен к каждому углу замкнутого кольцевого резонатора, что увеличивает электрическую длину кольцевого резонатора и сдвигает частоту поглощения в красную область без увеличения размера структуры.

Вклад отдельных элементов в поглощение

Для дальнейшего изучения механизма поглощения электромагнитных волн на рис. 4 показаны распределения поверхностной плотности тока на верхнем и нижнем металлических слоях, соответствующие трем пикам поглощения. Можно видеть, что поверхностный ток на верхнем структурированном слое концентрируется на MRR. , SRR и 7-образные графические структуры на 8,5, 13,5 и 17 ГГц соответственно. Распределение поверхностного тока также показывает происхождение поглощения волн, как показано на рис. 3. По сравнению с поверхностным током в верхнем слое, интенсивность в нижнем слое грунта намного слабее. Направление поверхностного тока на верхнем слое антипараллельно относительно плоскости заземления, что приводит к эквивалентным токовым петлям внутри МА, возбуждающим магнитный диполь. Между тем на рис. 5 показана амплитуда электрического поля (| E |) в МА для падающих волн ТЕ-поляризации при θ =0 °, 30 ° и 60 °. Можно видеть, что электрическое поле сильно сконцентрировано на горизонтальных полосах MRR, поскольку MRR поглощает на частоте 8,5 ГГц. На частоте 13,5 ГГц, как показано на рис. 5 (b), идеальное поглощение обусловлено ЖК-резонансом в SRR. Наконец, поглощение на частоте 17 ГГц связано с дипольным резонансом во внутренней области. Резонаторы в верхнем слое также создают электрические резонансы. И магнитный, и электрический резонансы способствуют сильному поглощению электромагнитного излучения в предлагаемой структуре. Кроме того, на рис. 5 видно, что напряженность поля уменьшается как θ увеличивается. В результате поглощение электромагнитных волн также уменьшается с увеличением θ . .

Смоделированное распределение поверхностного тока в верхнем узорчатом слое и нижнем слое грунта в a , d 8.5, b , e 13.5 и c , f 17 ГГц

Абсолют распределения электрического поля (| E |) в МА для TE поляризации при разных углах падения θ из а 8.5, b 13.5 и c 17 ГГц

На рис. 6 показано влияние геометрии МА на поглощение в предлагаемой МА. Как показано на рис. 6a, резонансные частоты смещаются в сторону более высоких частот как a увеличивается. Соотношение между шириной зазора b ИКР и спектр поглощения показан на рис. 6б. Эквивалентная емкость уменьшается с увеличением b; таким образом, центральный резонансный пик смещается в сторону более высоких частот. Однако нижний и верхний пики поглощения практически не изменяются, что обеспечивает удобный способ настройки индивидуальных частот поглощения. Причем зависимость поглощения от ширины кольцевого стержня w ₂ представлен на рис. 6c, где нижняя и центральная резонансные частоты сдвигаются в красную область как w ₂ увеличивается. Как w ₂ увеличивается, эквивалентная емкость увеличивается, потому что расстояние между SRR и MRR уменьшается, вызывая красное смещение нижних и центральных резонансных частот. Наконец, увеличивая ширину полосы w ₃ вызовет красное смещение верхней резонансной частоты, как показано на рис. 6d. Поскольку резонансный режим определяется внутренним 7-образным пятном, увеличивая w ₃ также увеличивает эквивалентную индуктивность внутреннего резонатора. Следовательно, резонансная частота демонстрирует красное смещение.

Спектр поглощения МА для различных структурных параметров: а единичная периодичность a , b Ширина зазора SRR b , c Ширина полосы кольца MSR w ₂ , d 7-образная нашивка шириной w ₃

Был изготовлен прототип размером 240 мм × 160 мм, соответствующий элементарным ячейкам 20 × 30, как показано на рис. 7а. При приготовлении образцов на поверхность полиимида напылялся тонкий слой меди, а затем рисунки травились с помощью лазерной абляции. Схема измерения показана на рис. 7б, где поглощение в образце проверялось методом свободного пространства. Пара рупорных антенн была подключена к векторному анализатору цепей (Rohde &Schwarz ZVA 40) для измерения отражения от образца. Спектр отражения для медной пластины того же размера, что и изготовленный образец, был измерен и использован в качестве эталона. Затем образец был помещен в то же место, и реальное отражение от образца было рассчитано путем вычитания двух измеренных отраженных мощностей. На рис. 8а показан спектр отражения, измеренный от медной пластины и изготовленного образца, тогда как поглощательная способность МА показана на рис. 8б. Измеренное поглощение составляет 96%, 97% и 94% на частотах 8,7, 14,1 и 17,6 ГГц соответственно. По сравнению с результатами моделирования, частоты пиков поглощения немного сдвигаются в сторону более высоких частот из-за производственных допусков и различий в диэлектрической проницаемости подложки.

а Изготовлен прототип МА. б Настройка измерения

а Коэффициент отражения и b поглощающая способность МА при нормальном падении

На рисунке 9 показано поглощение в МА, измеренное при различных углах поляризации φ . =0 °, 30 ° и 60 °. Результат показывает, что предлагаемая структура нечувствительна к углу поляризации. На рисунке 10 показаны измеренные спектры поглощения для TE- и TM-поляризации при θ =30 ° и 60 °. Поглощение для обеих поляризаций остается выше 95% при θ =60 ° для всех пиков поглощения.

Измеренное поглощение для разных углов поляризации при нормальном падении

Смоделированное и измеренное поглощение для разных углов падения: a TE и b Поляризация TM

Как упоминалось ранее, предлагаемый МА был изготовлен на очень гибкой полиимидной пленке, которая может использоваться в неплоских приложениях. Как показано на рис. 11а, поглотитель был изогнут и прикреплен к цилиндру с радиусом 8 см, после чего было измерено его поглощение. На рис. 11б показаны спектры поглощения плоского и конформного поглотителя. Можно заметить, что поглощающая способность обоих поглотителей одинакова. Более того, пиковое поглощение на трех резонансных частотах было одинаковым до и после изгиба, что важно для конформных приложений.

а Гибкий поглотитель прикреплен к цилиндру. б Спектры поглощения плоского и конформного МА

Заключение

В данной статье представлена ​​ультратонкая гибкая МА с тремя пиками поглощения. По сравнению с предыдущими конструкциями предлагаемый нами поглотитель является ультратонким с общей толщиной 0,4 мм, что составляет примерно 1/88 длины волны в свободном пространстве, соответствующей более низкой частоте поглощения. Предлагаемый трехзонный поглотитель демонстрирует высокое поглощение до угла падения 60 ° (более 86% и 99% для TE и TM поляризации соответственно). Между тем, симметрия структуры гарантирует, что поглощение нечувствительно к изменениям поляризации. Изготовлен и измерен МА с элементарными ячейками 20 × 30 для различных углов падения. Результаты показывают, что МА демонстрирует высокое поглощение при больших углах падения. Поглотитель был изготовлен на гибкой полиимидной пленке, которую можно легко использовать в неплоских и конформных приложениях. Предлагаемый поглотитель имеет большой потенциал использования для сбора энергии и защиты от электромагнитных полей.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

MA:

Поглотитель из метаматериала

EM:

Электромагнитный

SRR:

Разъемный кольцевой резонатор

MRR:

Модифицированный кольцевой резонатор

FDTD:

Конечная разность во временной области