Ультраширокополосный, нечувствительный к поляризации идеальный метаматериальный поглотитель на основе многослойных структур, сосредоточенных резисторов и эффектов сильной связи

Аннотация

Представлен новый ультраширокополосный идеальный метаматериальный поглотитель (ИМП), интегрирующий многослойные диэлектрические стопки, металлические двойные расщепленные кольцевые резонаторы (ДРКР) и стратегически размещенные сосредоточенные резисторы. Конструкция обеспечивает коэффициент поглощения более 80 % в диапазоне 4,52–25,42 ГГц (пропускная способность 20,9 ГГц, относительная ширина 139,6 %), оставаясь нечувствительной к поляризации и устойчивой к изменению угла падения. Полноволновое моделирование (ANSYS HFSS) и измерения в безэховой камере подтвердили теоретические предсказания, демонстрируя практический, ультратонкий (≤4 мм) поглотитель, пригодный для снижения эффективной площади рассеяния (ЭПР) и экранирования электромагнитных помех.

Введение

Метаматериалы позволяют создавать индивидуальные электромагнитные отклики, которые трудно или невозможно получить с естественными средами. За прошедшее десятилетие идеальные поглотители — тонкие структуры, подавляющие и отражение, и прохождение — привлекли внимание для применения от стелс-технологий до широкополосного экранирования. Ранние ИМП, такие как конструкция Ленди, сочетали резонансный слой с заземляющим планом для достижения поглощения, близкого к единице, в одной полосе. Последующие работы фокусировались на расширении полосы пропускания, достижении независимости от поляризации и обеспечении настраиваемости через активные элементы или сосредоточенные компоненты.

Широкополосная характеристика достигалась через мультирезонансную стопку, фрактальные геометрии, многослойную диэлектрическую инженерию, магнитные включения и внесение резистивной нагрузки. Хотя сообщалось о полосах до 93,5 %, они остаются недостаточными для многих реальных приложений, требующих непрерывного поглощения в широком частотном диапазоне. Наша работа закрывает этот пробел, комбинируя резонансные и резистивные механизмы с сильной межслойной связью, что привело к созданию ультраширокополосного, нечувствительного к поляризации и ультратонкого поглотителя.

Методы

Элементарная ячейка состоит из четырех диэлектрических слоев (εr = 4,2–4,4, tan δ = 0,02), двух ДРКР и четырех сосредоточенных резисторов. Верхний промежуток (d1 = 2 мм) служит антирефлекторным покрытием; остальные промежутки (d2 = d3 = d4 = 1 мм) обеспечивают согласование импеданса. Медные трассы (толщина = 0,036 мм) формируют резонаторы: КР‑I (a1 = 7,8 мм, w1 = 0,8 мм), КР‑II (a2 = 6,6 мм, w2 = 0,8 мм) и первый ДРКР (a3 = 5 мм, w3 = 0,8 мм, a4 = 3,4 мм, w4 = 0,8 мм). Сосредоточенные резисторы (R1,2 = 60 Ом, R3,4 = 180 Ом) вмонтированы в расщепленные зазоры (s = 1,2 мм). Периодичность ячейки P = 8,4 мм.

Моделирование проводилось с периодическими граничными условиями и портами Флоке для симуляции бесконечной решетки. Коэффициент поглощения рассчитывался как A = 1 – |S11|², прохождение равно нулю из-за заземляющего плана. Эффективный импеданс z_eff извлекался и согласовывался с импедансом свободного пространства (η0 ≈ 377 Ом) на резонансе, обеспечивая минимальное отражение. Параметрические переборы значений резисторов, толщин промежутков и размеров резонаторов выявили оптимальную конфигурацию для максимальной полосы пропускания.

Результаты и обсуждение

Моделируемые кривые |S11| и поглощения (1–30 ГГц) показывают, что конфигурация резонатор-резистор снижает отражение ниже –10 дБ от 4,5 до 25,5 ГГц, превосходящую ту же структуру без резисторов. Поглощение превышает 80 % на 4,52–25,42 ГГц, с резонансами на 5,13; 14,49; 19,05; 20,77 и 25,42 ГГц, где Re(z_eff) ≈ 377 Ом и Im(z_eff) ≈ 0. Перекрестные поляризационные отражения остаются пренебрежимо малыми (< 0,35 дБ) на всей полосе, подтверждая независимость от поляризации.

Параметрическая оптимизация подчеркнула решающую роль значений резисторов (R1,2 = 60 Ом; R3,4 = 180 Ом), периода ячейки (P = 8,4 мм), ширины расщепления (s = 1,2 мм) и толщины промежутков (d1 = 2 мм, d2 = 1 мм). Сильная связь между двумя ДРКР и резонансное поведение каждого расщепленного кольца генерируют множество пиков поглощения, сливающихся в непрерывный ультраширокополосный отклик. Распределения ближнего поля и поверхностных токов на каждом резонансе подтверждают сосуществование магнитных и электрических резонансов, обеспечивающих идеальное согласование.

Тесты угловой характеристики демонстрируют высокое поглощение (> 80 %) для углов падения до ±70° (θ) и 0–360° (φ) при поперечно-электромагнитном падении. Тесты поляризации подтверждают идентичные отклики для TE и TM волн до 60°, подтверждая независимость от поляризации. Измерения в свободно-пространственной безэховой камере с прототипом 30 × 30 ячеек подтвердили моделирование: 80 % поглощения на 4,48–25,46 ГГц при нормальном падении и 60 % поглощения на 4,76–25,03 ГГц при падении 45°.

Заключение

Спроектирован ультраширокополосный, нечувствительный к поляризации идеальный поглотитель, сочетающий многослойную диэлектрическую инженерию, двойные расщепленные кольцевые резонаторы и резистивную нагрузку сосредоточенными элементами. Устройство достигает > 80 % поглощения на 4,52–25,42 ГГц (относительная полоса 139,6 %) с сохранением характеристик при больших углах падения и обеих поляризациях. Тонкий профиль (≤ 4 мм) и надежная производительность делают его сильным кандидатом для применений в стелс-технологиях радаров, электромагнитном экранировании и защите интегрированных сенсоров.