Сверхширокополосный и нечувствительный к поляризации идеальный поглотитель с использованием многослойных метаматериалов, сосредоточенных резисторов и эффектов сильной связи

Фон

Как искусственно созданный материал, метаматериал вызвал значительный интерес, поскольку он проявлял фантастические электромагнитные свойства, необычные или труднодоступные за последнее десятилетие [1,2,3]. С быстрым развитием метаматериал с динамической массовой анизотропией был применен для разработки акустических покрытий, гиперлинз, идеальных поглотителей, линз с градиентным показателем [4,5,6,7], металенса, оптофлюидного барьера, преобразователя поляризации и т. Д. [8,9 , 10,11,12,13,14,15,16]. В частности, идеальный поглотитель из метаматериала (ПМА) с ультратонким профилем и поглощением, близким к единице, был впервые предложен Лэнди и др. [6]. По сравнению с обычными поглотителями поглотитель из метаматериала, который предлагает большие преимущества в виде тонкого профиля, дополнительной миниатюризации, повышенной эффективности и более широкой адаптируемости, стал многообещающим применением метаматериалов. Позже исследователи предприняли несколько попыток с использованием PMA для достижения поглощения с широким углом падения [17,18,19], многополосного поглощения [20, 21], нечувствительного к поляризации поглощения [22,23,24] и перестраиваемого поглощения [25]. , 26]. Однако поглотители с узкой полосой пропускания ограничивают их практическое применение. Следовательно, необходимо разработать сверхширокополосный, нечувствительный к поляризации и тонкий поглотитель из метаматериала.

Для увеличения ширины полосы поглощения используются несколько методов, таких как использование мультирезонансного механизма [27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], фрактальных структур [39], многослойность [40,41,42,43,44], магнитная среда [45, 46] и нагружающие сосредоточенные элементы [47,48,49] были предложены в конструкции поглотителей из метаматериала гигагерцового и терагерцового диапазонов. Например, широкополосный нечувствительный к поляризации совершенный поглотитель с полосой пропускания 9,25 ГГц был спроектирован в виде единого слоя на основе метаматериалов с двойным восьмиугольным кольцом и сосредоточенных сопротивлений [50]. Кроме того, был предложен совершенный гигагерцовый поглотитель на основе метаматериала, который состоял из трехслойных подложек, двойных колец с разрезными зубцами и металлического заземления [51]. Хотя была получена относительная полоса пропускания 93,5%, полоса поглощения все еще недостаточна для таких приложений, как электромагнитная защита, скрытность и радиоэлектронная борьба.

В отличие от предыдущих поглотителей из метаматериала, мы предложили тонкий и сверхширокополосный поглотитель из совершенного метаматериала, сочетающий резонансное и резистивное поглощение с использованием эффектов сильной связи. Поглотитель состоял из четырех диэлектрических слоев, двух металлических двойных разъемных кольцевых резонаторов (MDSRR) и нескольких сосредоточенных резисторов. Характеристики поляризационно-нечувствительного поглощения и поглощения при широком падении были подтверждены как численно, так и экспериментально. Этот совершенный поглотитель из метаматериала перспективен для многих практических применений, таких как уменьшение перекрестного рассеяния радаров, скрытность и электромагнитная защита на различных летных платформах.

Методы

Метаатом предложенного сверхширокополосного PMA состоит из четырех диэлектрических слоев, двойных металлических микроструктур DSRR и сосредоточенных сопротивлений на рис. 1. Для получения деструктивной интерференции верхняя (первая) диэлектрическая прокладка с диэлектрической проницаемостью 4,4 и тангенциальный угол потерь 0,02 требуется в качестве подложки антиотражающего покрытия для увеличения ширины полосы поглощения. Толщина четырех диэлектрических слоев составляет d ₁ , d ₂ , d ₃ , и d ₄ . Диэлектрическая проницаемость и тангенциальный угол потерь остаточных подложек составляют 4,2 и 0,02 (ε _r =4,2, tgδ =0,02) соответственно. Как показано на рис. 1 (d), первая микроструктура MDSRR (F-MDSRR) с четырьмя сосредоточенными сопротивлениями находится на второй подложке. Металлический разъемный кольцевой резонатор-I (SRR-I) и разъемный кольцевой резонатор-II (SRR-II) находятся соответственно на третьей и нижней подложках, которые составляют вторую металлическую микроструктуру DSRR (S-MDSRR). Микроструктуры F-MDSRR и S-MDSRR выполнены из меди с проводимостью 5,8 × 10 ⁷ . См / м и толщиной 0,036 мм. Длина метаатома для предлагаемого PMA составляет P =8,4 мм. Как показано на рис. 1 (b) и (c), длины SRR-I и SRR-II равны a ₁ и a ₂ . Их ширина составляет w ₁ и w ₂ . Длина и ширина F-MDSRR, как показано на рис. 1 (d), представлены как a ₃ , а ₄ , w ₃ , и w ₄ . Сопротивления, действующие на внутреннее и внешнее разрезные кольца, обозначены R . _1,2 и R _3,4 . И s обозначает длину разбиений для F-MDSRR и S-MDSRR. Предлагаемый PMA разработан, проанализирован и оптимизирован при моделировании. Полноволновое электромагнитное моделирование выполняется с помощью ANSYS Electro-Magnetic Suite 15.0 на основе анализа методом конечных элементов. Предлагаемый поглотитель смоделирован и оптимизирован с параметрами d ₁ =2 мм, d ₂ = d ₃ =1 мм, d ₄ =1 мм, ширина ₁ = w ₂ = w ₃ = w ₄ =0,8 мм, P =8,4 мм, R _1,2 =60 Ом, R _3,4 =180 Ом, a ₁ =7,8 мм, a ₂ =6,6 мм, a ₃ =5 мм, a ₄ =3,4 мм и s =1,2 мм.

Схематическая геометрия элементарной ячейки сверхширокополосного поглотителя из совершенного метаматериала. ( а ) Трехмерная схема элементарной ячейки. ( b ) Нижний слой предлагаемого ПМА с разъемным кольцевым резонатором-II (СРР-II). ( c ) Третий слой предлагаемого ПМА с разъемным кольцевым резонатором-I (СРР-I). ( г ) Второй слой предлагаемого PMA с первой металлической микроструктурой DSRR (F-MDSRR) и четырьмя сосредоточенными сопротивлениями. Оптимизированные параметры PMA были d ₁ =2 мм, d ₂ = d ₃ = d ₄ =1 мм, ширина ₁ = w ₂ = w ₃ = w ₄ =0,8 мм, P =8,4 мм, R _1,2 =60 Ом, R _3,4 =180 Ом, a ₁ =7,8 мм, a ₂ =6,6 мм, a ₃ =5 мм, a ₄ =3,4 мм, s =1,2 мм. Толщина меди 0,036 мм

Чтобы исследовать механизм поглощения для предложенного сверхширокополосного PMA, были применены периодические граничные условия (PBC) и порт Флоке для моделирования бесконечных периодических ячеек. Электромагнитная (ЭМ) волна будет постепенно поглощаться поглотителем в соответствии с условиями антиотражения. Как магнитный, так и электрический резонансы будут возникать независимо, что может ограничить волну в ячейке PMA. Волна могла постепенно поглощаться диэлектрическими потерями. Это может привести к тому, что магнитная проницаемость равна электрической диэлектрической проницаемости, что приведет к идеальной поглощающей способности для падающих электромагнитных волн. В более прямой перспективе поглощающая способность была определена как [52,53,54,55]

Чтобы максимизировать поглощающую способность A ( е ), мы могли бы минимизировать передачу T ( е ) ( Т ( е ) =| S ₂₁ | ² ) и отражение R ( е ) ( R ( е ) =| S ₁₁ | ² ) одновременно. Поглощающую способность можно рассчитать по A ( е ) =1 - R ( е ), потому что представленный PMA был заблокирован металлической пластиной без рисунков на нижнем слое (поэтому пропускание было нулевым, T ( е ) =| S ₂₁ | ² =0). Следовательно, поглощающая способность представленного PMA может быть рассчитана

Из уравнения (2) очевидно, что поглощение близко к 100% ( A ( е ) ≈ 100%), когда отражение близко к нулю ( R ( е ) ≈ 0). Необходимо отметить, что S ₁₁ компоненты включают отражение кополяризованных электромагнитных волн и отражение кроссполяризованных электромагнитных волн [56,57,58]. Итак, S ₁₁ компоненты могут быть выражены как:

Соответственно, основываясь на уравнении (3), уравнение (2) может быть оценено

где xx и xy обозначают ко-поляризацию и кросс-поляризацию. В предлагаемом дизайне PMA элемент | S ₁₁ | состоит из компонентов совместной поляризации и кросс-поляризации. Кроме того, отражение PMA при нормальном падении определяется формулами [6, 21]:

где η ₀ , около 377 Ом, представляет импеданс в свободном пространстве. г _эфф ( е ) - эффективное сопротивление PMA. Эффективный импеданс включает в себя сосредоточенные сопротивления в предлагаемом PMA, поверхностный импеданс, который должен обеспечить большую резонансную диссипацию, и импеданс подложки из-за большого тангенса. Подставив (5) в (4), коэффициент поглощения A также может быть написано:

где Re [ z _eff ( е )] и Im [ z _eff ( е )] - соответственно действительная и мнимая части z _eff ( е ). Когда предлагаемый PMA находится в резонансных режимах, поглощение близко к единице ( A =1). Из выражения (6) мы знаем, что когда A =1, Re [ z _эфф ( ω )] и Im [ z _эфф ( ω )] можно рассчитать как:

Было обнаружено, что поглощение близко к 100%, когда действительная и мнимая части эффективного импеданса соответственно близки к 377 Ом и 0. Поглощающая способность увеличивается из-за различных резонансных мод. Как правило, отличное поглощение может быть получено, если эффективная диэлектрическая проницаемость равна эффективной проницаемости. Таким образом, широкополосное поглощение будет достигаться за счет модуляции эффективных параметров.

Сверхширокополосный поглотитель из метаматериала был смоделирован с использованием коммерческого программного обеспечения Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS 18.0), которое было основано на методе анализа конечных элементов. В расчетах плоская электромагнитная волна с электрическим полем вдоль направления x В качестве падений использовалась ось, которая облучалась перпендикулярно резонансной структуре вдоль направления z -ось (показана на рис. 1). При моделировании использовался частотный диапазон падений от 1,0 до 30 ГГц. Размер выступов должен быть немного больше, чем у представленного периода конструкции; в то же время, достаточное время моделирования и подходящие границы (периодические границы в направлениях x - и y -ось и идеально согласованные слои в направлении z -axis) следует использовать для обеспечения точности результатов расчета.

Результаты и обсуждение

Смоделированная амплитуда S ₁₁ Компоненты поглощения, эффективного импеданса и отражения кросс-поляризации от 1 до 30 ГГц показаны на рис. 2. Как показано на рис. 2а, можно видеть, что предложенный PMA демонстрирует сверхширокополосное более низкое отражение от 4,5 до На 25,5 ГГц, чем у PMA с той же микроструктурой без сосредоточенных сопротивлений. В частности, различия между микроструктурой с сосредоточенными сопротивлениями и без них были очевидны для частот от 9 до 14 ГГц и от 19 до 21 ГГц. На рис. 2b мы могли видеть, что сверхширокополосное поглощение от 4,52 до 25,42 ГГц с поглощающей способностью более 80% может быть получено для предлагаемого PMA, и поглощение будет ухудшаться для предлагаемой микроструктуры без очевидных сосредоточенных сопротивлений. Действительная и мнимая части эффективного импеданса были соответственно близки к 377 Ом и 0 для предлагаемого PMA на резонансной частоте 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 и 25,42 ГГц на рис. 2c. Чем больше поглощающая способность близка к 100%, тем более действительная и мнимая части эффективного импеданса были соответственно близки к 377 Ом и 0. Из рис. 2d, отражательные компоненты кросс-поляризации были примерно равны нулю для предлагаемого поглотителя от 1 до 30 ГГц. Необходимо отметить, что компоненты отражения | S _{11, xy} | ² кросс-поляризация составила около 0,35 на 2,8 ГГц для предложенной микроструктуры без сосредоточенных сопротивлений. Это явление было вызвано несимметричной структурой и слабыми модами резонатора на частоте. Следовательно, сосредоточенные сопротивления были важны для конструкции сверхширокополосного PMA. На рис. 2b, d действительная и мнимая части эффективной диэлектрической проницаемости были соответственно аппроксимированы к эффективной проницаемости для предлагаемого PMA в диапазоне от 4,52 до 25,42 ГГц. Мнимая часть показателя преломления в этой полосе была больше нуля. Следовательно, сверхширокополосный может быть продемонстрирован для представленного PMA.

Смоделированные | S11 |, поглощение, эффективные параметры, эффективные импедансы и показатель преломления от 1 до 30 ГГц для предлагаемого сверхширокополосного совершенного поглотителя из метаматериала, нагруженного сосредоточенными сопротивлениями и той же микроструктурой без сосредоточенных сопротивлений. а Имитация | S11 | Результаты. б Результаты моделирования поглощения и эффективные параметры. c Эффективные импедансы предлагаемого ПМА с сосредоточенными сопротивлениями и той же микроструктурой без сосредоточенных сопротивлений. г Компоненты отражения кросс-поляризации для предлагаемого ПМА с сосредоточенными сопротивлениями и той же микроструктурой без сосредоточенных сопротивлений и показателя преломления представленного ПМА

Параметрическое исследование было проведено ANSYS HFSS Solver. В этом исследовании основной целью было достижение сверхширокополосного поглощения. Согласно этой цели, некоторые параметры сосредоточенных сопротивлений R _1,2 и R _3,4 во внутреннем и внешнем разрезных кольцах длина ячейки P PMA, длина s разделителей для F-MDSRR и S-MDSRR, толщина d ₁ подложки просветляющего покрытия и толщиной d ₂ были выбраны в ходе исследования.

На рисунке 3a показано моделирование поглощения, когда в предлагаемом PMA были приняты сосредоточенные сопротивления R . _1,2 =50 Ом, 60 Ом, 100 Ом, 150 Ом. Приняв R _1,2 , поглощение заметно улучшилось с 19 до 25 ГГц. Пока как R _1,2 При сдвиге с 50 до 150 Ом сосредоточенные сопротивления незначительно влияли на поглощение на низких частотах. Следовательно, выбирая правильное значение для R _1,2 =60 Ом предлагаемый ПМА получил сверхширокополосное поглощение. Как показано на рис. 3b, R _3,4 в основном сказалось поглощение в диапазоне 6 ~ 17 ГГц и 21 ~ 23 ГГц. Для широкополосного поглощения R _3,4 был выбран равным 180 Ом. Длина была еще одним важным параметром. Был изучен случай с разной длиной ячейки PMA и разделениями для F-MDSRR и S-MDSRR. Рисунок 3c показывает, что поглощение от 21 до 25 ГГц было очень чувствительным к длине P ячейки PMA. Для достижения широкополосного поглощения мы выбрали P =8,4 мм. На рис. 3d было ясно, что PMA имеет широкополосное поглощение на низкой частоте и на ширину полосы влияют s который был сдвинут с 0,6 до 1,5 мм. По норме поглощающей способности более 0,8, с =1,2 мм было выбрано для получения широкополосного поглощения для предлагаемого ПМА. Влияние толщины подложки просветляющего покрытия d ₁ проиллюстрированы на рис. 3д. Было очевидно, что толщина d ₁ влияли на широкополосное поглощение от 7 до 30 ГГц и d ₁ =2,0 мм было выбрано для конструкции широкополосного PMA. Результаты поглощения при разных d ₂ приведены на рис. 3е. Было ясно, что d ₂ были ключевыми параметрами для широкополосного PMA на высоких частотах. Для достижения сверхширокополосного поглощения оптимизированный d ₂ 1,0 мм было выбрано в конструкции PMA.

Абсорбция достигается в диапазоне частот от 1 до 30 ГГц для предлагаемого сверхширокополосного поглотителя из совершенного метаматериала с различными параметрами. а Результаты поглощения PMA с разными R _а ценности. б Результаты поглощения PMA с разными R _б ценности. c Результаты поглощения PMA различной длины P . г Результаты поглощения PMA различной длины s . е Результаты поглощения PMA различной толщины d ₁ . е Результаты поглощения PMA различной толщины d ₂

Из фиг. 2 и 3 видно, что ширина полосы поглощения предлагаемого ПМА чувствительна к толщине d ₁ и d ₂ , и значения сосредоточенных сопротивлений. Более того, разделение в F-MDSRR и S-MDSRR было необходимо для достижения широкополосного поглощения в нашей конструкции. Следовательно, толщину и сосредоточенное сопротивление необходимо оптимизировать для сверхширокополосного поглощения.

Чтобы исследовать механизм сверхширокополосного поглощения, распределения поверхностного тока и распределения ближнего электрического поля PMA были представлены на рис. 4 на резонансных частотах 5,1, 14,5, 19,1, 20,8 и 25,4 ГГц. На рис. 4а был продемонстрирован прекрасный эффект резонансного поглощения, который в первую очередь приписывался SRR-I для микроструктуры S-MDSRR и внешним разрезным кольцам для микроструктуры F-MDSRR на частоте 5,13 ГГц. Сильная связь между микроструктурами S-MDSRR и F-MDSRR привела к резонансному поглощению. Из рис. 4c можно видеть, что пик поглощения на 14,49 ГГц для предлагаемого поглотителя будет получен из-за микроструктуры F-MDSRR с четырьмя сосредоточенными сопротивлениями и сильной связи в микроструктуре F-MDSRR. Как показано на фиг. 4e, в настоящем сверхширокополосном PMA достигается резонанс поглощения, возникающий в результате разделения колец для F-MDSRR и эффектов связи между SRR-II и SRR-I. На частоте 20,77 ГГц пик поглощения в основном вызван разделенными кольцами для F-MDSRR на рис. 4g. Эффект сильной связи между внешними разрезными кольцами для микроструктуры F-MDSRR и SRR-II для микроструктуры S-MDSRR был достигнут на рис. 4i. Необходимо отметить, что дипольный резонанс, эквивалентная индуктивность и емкостной резонанс, а также резонанс связи имеют первостепенное значение для достижения сверхширокополосного поглощения. Из рис. 4b, d, f, h и j можно было обнаружить, что электрические поля около 5,13 ГГц в верхнем пространстве отличались от поля другой частоты отклика из-за более сильных эффектов связи между SRR-I и внешние разрезные кольца. Типы резонансного поглощения на частотах 14,49, 19,1 и 20,8 ГГц совпадали друг с другом, и оба их пика поглощения были достигнуты микроструктурой F-MDSRR. Можно обнаружить, что чем больше плотность ПМА, тем лучше достигается поглощение ПМА. Как показано на рис. 4j, было шесть точек пространства ( A ₁ , А ₂ , А ₃ , А ₄ , А ₅ , А ₆ ,) вблизи начальной точки с высокой плотностью. Все эти физические явления были проиллюстрированы эффектами связи и модами высокого порядка для предложенного сверхширокополосного PMA. Следовательно, эффекты связи между различными микроструктурами и модами высокого порядка были решающим компонентом при разработке широкополосного PMA.

Распределение поверхностного тока микроструктуры F-MDSRR, микроструктуры S-MDSRR и плоскости заземления и близких электрических полей PMA на резонансной частоте 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 и 25,42 ГГц. а Распределение поверхностного тока на частоте 5,13 ГГц. б Распределение электрических полей в ближней зоне на частоте 5,13 ГГц. c Распределение поверхностного тока в 14.49. г Распределение электрических полей в ближней зоне на частоте 14,49 ГГц. е Распределение поверхностного тока на частоте 19,05 ГГц. е Распределение электрических полей в ближней зоне на частоте 19,05 ГГц. г Распределение поверхностного тока на частоте 20,77 ГГц. ч Распределение электрических полей в ближней зоне на частоте 20,77 ГГц. я Распределение поверхностного тока на частоте 25,42 ГГц. j Распределение электрических полей в ближней зоне на частоте 25,42 ГГц

Результаты моделирования поглощения настоящего PMA с разными углами тета и фи обсуждаются на рис. 5 для падающих поперечных электромагнитных (ТЕМ) волн. Из рис. 5а видно, что предлагаемый ПМА демонстрирует высокую поглощающую способность в диапазоне от 4,5 до 25 ГГц с тета =0 °. при изменении угла фи от 0 до 360 °. Было очевидно, что поглощение резко уменьшилось при увеличении угла с 70 до 80 ° или уменьшении с -70 до -80 ° на рис. 5б. Как правило, сверхширокополосное и широкоугольное поглощение может быть получено для предлагаемого PMA с углом тета, смещенным от -70 до 70 °, и углом phi, увеличенным от 0 до 360 °. Чтобы проиллюстрировать превосходное поглощение, результаты моделирования поглощения на резонансной частоте 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 и 25,42 ГГц приведены с -90 °

Результаты поглощения настоящего сверхширокополосного PMA с разными углами тета и фи. а Результаты поглощения PMA с разными углами phi от 1 до 30 ГГц (тета =0 градусов). б Результаты поглощения PMA с разными углами тета от 1 до 30 ГГц (phi =0 °). c Результаты поглощения на частоте 5,13 ГГц с -90 ° <тета <90 ° и 0 ° <фи <360 °. г Результаты поглощения на частоте 14,49 ГГц с -90 ° е Результаты поглощения на частоте 19,05 ГГц с -90 ° <тета <90 ° и 0 ° <фи <360 °. е Результаты поглощения на частоте 20,77 ГГц с -90 ° <тета <90 ° и 0 ° <фи <360 °. г Результаты поглощения на частоте 25,42 ГГц при - 90 °

Чтобы интерпретировать поляризационную нечувствительность сверхширокополосного PMA для поперечного электрического (TE) и поперечного магнитного (TM) поляризованного падения, мы представили наклонное поглощение, распределения поверхностного тока на частоте 12 ГГц и близкие электрические поля на частоте 12 ГГц на рис. 6. Из рис. 6a, b очевидно, что результаты наклонного поглощения при падении с TM поляризацией были такими же, как и при падении с поляризацией TE. Одни и те же наклонные поглощения с разным падением были приписаны механизму поглощения и настоящей микроструктуре. Например, распределения поверхностного тока и близкие электрические поля на частоте 12 ГГц с TE и TM поляризованными падениями были дополнительно исследованы, чтобы проиллюстрировать поляризационную нечувствительность сверхширокополосного PMA на рис. 6c – f. Сообщалось, что представленный PMA демонстрирует одинаковые распределения поверхностного тока и близкие электрические поля с разными поляризованными падающими волнами. Следовательно, для этого сверхширокополосного PMA может быть достигнута характеристика поляризационной нечувствительности.

Результаты поглощения, распределения поверхностного тока и близкие электрические поля современного сверхширокополосного PMA с различными поляризованными падениями. а Результаты наклонного поглощения PMA с TE поляризацией падений от 1 до 30 ГГц со смещением тета от 0 до 60 °. б . Близкие электрические поля PMA на частоте 12 ГГц при падении с TE поляризацией. c Распределение поверхностного тока PMA на частоте 12 ГГц при падении с TE поляризацией. г Результаты наклонного поглощения PMA с TM поляризованными падениями от 1 до 30 ГГц со смещением тета от 0 до 60 °. е Распределение поверхностного тока PMA на частоте 12 ГГц при падении с TM поляризацией. е Близкие электрические поля PMA на частоте 12 ГГц с TM поляризованными падениями

Для уточнения диэлектрических и омических потерь на рис. 7 показаны плотность объемных потерь (VLD) подложек и сосредоточенные сопротивления для предлагаемого PAM на частотах 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 и 25,42 ГГц. На рис. 7a мы могли наблюдать, что VLD увеличивалась при изменении резонансной частоты с 5,13 до 25,42 ГГц. Различные режимы могут быть достигнуты за счет омических потерь сосредоточенных сопротивлений на рис. 7b. Плотность потери объема R ₃₄ было заметно больше, чем у R ₁₂ на частоте 5,13 ГГц. Разница уменьшится на 14,49 ГГц. На 19,05 ГГц и 20,77 ГГц VLD R ₃₄ был немного меньше, чем у R ₁₂ . При частоте 25,42 ГГц плотность потерь объема R ₃₄ и R ₁₂ оба были меньше, чем у других частот. Было очевидно, что омические потери в диапазоне от 1 × 10 ⁵ с мм ³ до 1 × 10 ⁷ с мм ³ были больше диэлектрических потерь в диапазоне от 100 Вт / мм ³ до 1 × 10 ⁷ с мм ⁶ . Следовательно, омические и диэлектрические потери были важны для предложенного сверхширокополосного поглотителя из рис. 3 (e), (f) и 7.

Диэлектрические и омические потери подложек и сосредоточенные сопротивления для предлагаемого PAM на частотах 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 и 25,42 ГГц. а Плотность объемных потерь (VLD) подложек на резонансной частоте. б Плотность объемных потерь (VLD) сосредоточенных сопротивлений на резонансной частоте

Изготовление и измерение

Для проверки символов были изготовлены два 900-ячеечных (30 × 30) устройства предлагаемого сверхширокополосного PMA, которые показаны на рис. 8. Измерения устройства были проведены с использованием метода испытания в свободном пространстве в безэховой микроволновой печи. камера. Образец сверхширокополосного ПМА был изготовлен с использованием процессов оптической литографии на трех подложках ( ε _r =4,2 и tanδ =0,02) толщиной 2 мм, 1 мм, 1 мм и 1 мм. Две линейно поляризованные рупорные антенны со стандартным усилением в качестве передатчика и приемника были подключены к векторному анализатору цепей Agilent (VNA, N5230C). Чтобы исключить влияние окружающей среды, в ходе экспериментов была принята функция стробирования во временной области в Network Analyzer. Устройства были размещены вертикально в центре поворотного стола, чтобы гарантировать, что электромагнитная волна может быть подобна плоской волне на передней панели устройства. Расстояние между антеннами и тестируемыми устройствами удовлетворяло условию дальнего поля.

Прототипы предлагаемых сверхширокополосных устройств PMA в безэховой микроволновой камере

Экспериментальные результаты углового поглощения для предложенного образца ПМА приведены на рис.9, когда угол падения ( θ ) сместился от 0 до 45 °. The measured results illustrated that the angular absorption decreased sluggishly as the incident angle increased from 0 to 45° in the x - and y - polarized incidences. When the incident angle was zero (θ  = 0), the ultra-broadband absorption from 4.48 to 25.46 GHz could be achieved with absorptivity larger than 80% not only in x -polarized incidence but also in y -polarized incidence. Moreover, when the incident angle was 45°, the relative bandwidth of 136%, from 4.76 to 25.03 GHz, would be obtained with absorptivity larger than 60% for x - and y -polarized incident waves. From Fig. 9a, b, it was obvious that the absorptions in x -polarized incidences were same with that in x -polarized incident waves. Hence, the characteristic of polarized-insensitivity were exhibited for the proposed PMA. It was necessary to note that the absorption would exacerbate for the oblique incidence, especially with the incident angle of 45°. To improve angular absorption, the stereometamaterial structure and the substrate integrated cavity could be the beneficial candidate [22, 35]. Compared with Figs. 2(b), 6 and 9, it was clear that the experimental results agreed well with the simulated results and the presented PMA exhibited the ultra-broadband, polarized-insensitivity, and wide-incident absorption.

The experimental absorption for the proposed ultra-broadband PMA devices when the incident angle (θ ) shifted from 0 to 45° in the x -polarized and y -polarized incidences. а The experimental absorption results of the PMA sample with θ of 0°, 15°, 30°, and 45° in the x -polarized incident waves. б The experimental absorption results of the PMA sample with θ of 0°, 15°, 30° and 45° in the y -polarized incident waves

Conclusion

In conclusion, we have proposed, designed, and fabricated an ultra-wideband perfect metamaterial absorber with polarized-insensitivity and wide-incident absorption. The angular absorption spectrum, surface current, and near electric-field distributions were explored to validate the excellent characteristics of the proposed perfect metamaterial absorber with strong coupling effects. The fabricated metamaterial absorber device was fabricated, measured, and analyzed. The experimental results indicated that the ultra-broadband absorption from 4.48 to 25.46 GHz could be achieved with absorptivity larger than 80% with normal incidences for x -polarization and y -polarization. For the oblique incidences with the incident angle of 45°, the perfect metamaterial absorber exhibited the relative bandwidth of 136% with absorptivity larger than 60% for different polarized incidences. This perfect metamaterial absorber device with the innovation is promising for many practical applications such as radar cross scatter reduction and electromagnetic protection in different flight platform.

Сокращения

EM:

Электромагнитный

MDSRR:

Metallic double split ring resonators

PBCs:

Периодические граничные условия

PMA:

Perfect metamaterial absorber

SRR-I:

Split ring resonator-I

SRR-II:

Split ring resonator-II

TE:

Transverse electric

ТЕМ:

Transverse electromagnetic

TM:

Transverse magnetic