Ультратонкий трехдиапазонный метаматериальный поглотитель с эффективностью 99,9% и широкоугольной стабильностью для конформных применений в X/Ku-диапазонах

Аннотация

В статье представлен ультратонкий и гибкий метаматериальный поглотитель (МП) с тремя пиками поглощения. Предлагаемый поглотитель спроектирован так, что три пика поглощения находятся на частотах 8,5, 13,5 и 17 ГГц (X- и Ku-диапазоны) с поглощением 99,9%, 99,5% и 99,9% соответственно. Толщина структуры составляет всего 0,4 мм, что приблизительно равно 1/88, 1/55 и 1/44 свободно-пространственной длины волны для соответствующих частот поглощения. МП также нечувствителен к поляризации благодаря своей симметричной геометрии. Кроме того, предложенная структура обеспечивает минимальное поглощение 86% (TE-нападение) в пределах угла падения 60°. Для TM-нападения поглотитель демонстрирует поглощающую способность более 99% до угла падения 60°. Распределения поверхностного тока и электрического поля исследованы для анализа механизма поглощения. Проведен параметрический анализ для оптимизации поглощения. Кроме того, характеристики МП экспериментально подтверждены в свободном пространстве на образце с 20 × 30 элементарными ячейками, изготовленном на гибком диэлектрике. При нормальном падении изготовленный МП демонстрирует практически идеальное поглощение на каждом пике для всех углов поляризации, и экспериментальные результаты согласуются с результатами моделирования. Благодаря преимуществам высокоэффективного поглощения в широком диапазоне углов падения, предложенный поглотитель может использоваться в сборе энергии и экранировании электромагнитных волн.

Введение

В последние годы метаматериалы привлекли широкое внимание благодаря своим экзотическим свойствам, таким как отрицательный показатель преломления, идеальное изображения и обратный доплеровский эффект. Благодаря этим свойствам метаматериалы предлагались для использования в различных устройствах, таких как электромагнитное маскирование, ультрачувствительное сенсирование, фильтры и поглотители. В частности, метаматериальные поглотители (МП) по сравнению с традиционными микроволновыми поглотителями применяются в различных областях, от военной до потребительской электроники. МП отличаются легкостью и тонкостью.

В 2008 году идеальный МП был впервые представлен Ленди и соавт. После этого разные типы МП, такие как одночастотные, двухчастотные, многочастотные и полосовые поглотители, были представлены различными исследователями. Среди этих МП многочастотные позволяют идеальное поглощение на нескольких дискретных частотах, что пригодно для многочастотного сенсирования. В общем, многочастотный МП можно сконфигурировать двумя методами. Первый метод — известный как копланарный метод конструкции, где несколько резонаторов разного размера формируются в сверх-элементарную структуру. Второй метод подразумевает вертикальное наложение чередующихся многослойных структур. Однако ни один из этих методов не идеален для создания структуры, обеспечивающей многочастотное поглощение. Например, копланарный метод неизбежно приводит к увеличению размера элементарной ячейки МП, тогда как многослойный дизайн не устраняет недостаток большой толщины и веса структуры. Недавно были представлены некоторые упрощенные структурные дизайны для достижения многочастотного поглощения; тем все равно поглощение под большими углами падения все еще требует улучшения.

В данной статье предлагается метод проектирования, сочетающий преимущества компактного размера, ультратонкости, малого веса и простоты изготовления. Благодаря дизайну элементарной ячейки предложенный трехдиапазонный МП демонстрирует высокое поглощение даже при больших углах падения. Результаты моделирования показывают три различных полосы поглощения с пиковым поглощением 99,9%, 99,5% и 99,9% на частотах 8,5, 13,5 и 17 ГГц соответственно. Симметричная структура МП обеспечивает нечувствительность поглощения к разным углам поляризации. Кроме того, предложенный МП обеспечивает поглощение более 86% и 99% при TE- и TM-поляризации соответственно при угле падения 60°. Зависимость между различными геометрическими параметрами и спектром поглощения была изучена. Для подтверждения поглощающих характеристик МП был изготовлен прототип с 20 × 30 элементарными ячейками, и экспериментальные результаты согласованы с результатами моделирования. Благодаря малой толщине и эффективности для широкого диапазона углов падения, структура МП была изготовлена на высокогибкой полиимидной пленке, что позволяет использовать ее в неплоских и конформных применениях.

Методы/Эксперимент

На рис. 1 показана геометрия элементарной ячейки предложенного МП, состоящая из резонансного слоя, диэлектрического слоя и металлического заземляющего слоя. Резонансная структура сочетает расщепленное кольцо (SRR), модифицированное кольцо (MRR) и восемь идентичных 7-образных структур, каждый повернутый на 45° относительно центра элементарной ячейки. Верхний структурированный слой и нижний заземляющий слой выполнены из меди толщиной 0,02 мм с электрической проводимостью 5,8 × 10⁷ См/м. Подложка изготовлена на полиимиде с относительной диэлектрической проницаемостью 2,9 и тангенсом потерь 0,02. Оптимизированные параметры МП приведены в таблице 1.

Моделируемые спектры поглощения предложенного МП определены методом конечных разностей во временной области (FDTD). В моделировании граничные условия элементарной ячейки применялись в направлениях x и y, а условие Флоке — вдоль направления z. Кроме того, предполагалось, что плоская ЭМ-волна падает на поверхность МП. Поглощающая способность (A) может быть определена как A(ω) = 1 − |S₁₁(ω)|² − |S₂₁(ω)|², где S₁₁(ω) и S₂₁(ω) — коэффициенты отражения и передачи соответственно. Поскольку коэффициент передачи S₂₁(ω) равен нулю из-за полного отражения мединной заземляющей плоскости, поглощающая способность упрощается до A(ω) = 1 − |S₁₁(ω)|². Моделируемые спектры отражения и поглощения предложенного МП при нормальном падении показаны на рис. 2а. Предлагаемый МП демонстрирует три пика поглощения на частотах 8,5, 13,5 и 17 ГГц с поглощением 99,9%, 99,5% и 99,9% соответственно; соответствующий Q-фактор каждого резонансного режима может достигать 26,8, 28,4 и 27,1 соответственно.

На рис. 2б показаны спектры поглощения предложенной структуры МП для разных углов поляризации. Видно, что поглощение МП остается стабильным для угла поляризации от 0° до 90°. Следовательно, предложенный МП нечувствителен к поляризации падающих ЭМ-волн. Кроме того, мы исследовали поглощение в спроектированном МП при косом падении (θ). Для TE-поляризации, как показано на рис. 2в, поглощающая способность уменьшается с увеличением θ. Это может происходить потому, что увеличение θ уменьшает горизонтальную компоненту интенсивности электрического поля для TE-волн. Следовательно, эффективность циркулирующего тока, генерируемого падающим электрическим полем, постепенно снижается. Однако три пика поглощения остаются выше 86% при θ до 60°. Для TM-поляризации, как показано на рис. 2г, поглощающая способность на каждом резонансном пике превышает 99% при θ = 60°. Это происходит потому, что поглощение в предложенном МП менее чувствительно к изменениям интенсивности электрического поля, вызванным увеличением θ. Еще одно преимущество предложенного МП — стабильность частоты поглощения, как показано на рис. 2, где три различных пика поглощения не меняются значительно при увеличении θ.

Результаты и обсуждение

Для детального объяснения поглощения представлены спектры отклика для разных частей резонансной структуры на рис. 3. Как показано на рис. 3, каждый элемент в структурированном слое отвечает за отдельный и интенсивный резонанс. В результате комбинация этих элементов приводит к идеальному многочастотному поглощению. Как часть дизайна MRR, квадратный фрагмент добавляется к каждому углу замкнутого кольцевого резонатора, что увеличивает электрическую длину кольцевого резонатора и красносдвигает частоту поглощения без увеличения размера структуры.

Для дальнейшего изучения механизма поглощения ЭМ-волн показаны распределения плотности поверхностного тока на верхнем и нижнем металлических слоях, соответствующие трем пикам поглощения (рис. 4). Видно, что поверхностный ток на верхнем структурированном слое сконцентрирован на MRR, SRR и 7-образных графических структурах на частотах 8,5, 13,5 и 17 ГГц соответственно. Распределение поверхностного тока также раскрывает происхождение волнового поглощения, как показано на рис. 3. По сравнению с поверхностным током на верхнем слое, интенсивность на нижнем заземляющем слое намного слабее. Направление поверхностного тока на верхнем слое антипараллельно заземляющей плоскости, что приводит к эквивалентным контурам тока внутри МП, возбуждающим магнитный диполь. Тем временем на рис. 5 показана амплитуда электрического поля (|E|) в МП для падающих TE-поляризованных волн при θ = 0°, 30° и 60°. Видно, что электрическое поле сильно сконцентрировано на горизонтальных перекладинах MRR, так как MRR поглощает на 8,5 ГГц. На 13,5 ГГц, как показано на рис. 5(б), идеальное поглощение обусловлено LC-резонансом в SRR. Наконец, поглощение на 17 ГГц вызвано дипольным резонансом во внутреннем фрагменте. Резонаторы в верхнем слое также развивают электрические резонансы. И магнитные, и электрические резонансы способствуют сильному ЭМ-поглощению в предложенной структуре. Кроме того, рис. 5 показывает, что интенсивность поля уменьшается с увеличением θ. В результате ЭМ-поглощение также снижается с увеличением θ.

На рис. 6 показаны влияния геометрии МП на поглощение в предложенном МП. Как показано на рис. 6а, резонансные частоты сдвигаются к более высоким частотам с увеличением a. Зависимость между шириной зазора b SRR и спектром поглощения показана на рис. 6б. Эквивалентная емкость уменьшается с увеличением b; следовательно, центральный резонансный пик сдвигается к более высоким частотам. Однако нижний и верхний пики поглощения остаются почти неизменными, что обеспечивает удобный способ настройки отдельных частот поглощения. Более того, зависимость поглощения от ширины кольцевой перекладины w₂ представлена на рис. 6в, где нижний и центральный резонансные частоты красносдвигаются с увеличением w₂. По мере увеличения w₂ эквивалентная емкость увеличивается, так как расстояние между SRR и MRR уменьшается, вызывая красносдвиг нижней и центральной резонансных частот. Наконец, увеличение ширины перекладины w₃ вызывает красносдвиг верхней резонансной частоты, как показано на рис. 6г. Поскольку резонансный режим определяется внутренним 7-образным фрагментом, увеличение w₃ также увеличивает эквивалентную индуктивность внутреннего резонатора. Следовательно, резонансная частота демонстрирует красносдвиг.

Прототип размером 240 мм × 160 мм, соответствующий 20 × 30 элементарным ячейкам, был изготовлен, как показано на рис. 7а. При подготовке образца тонкий слой меди осаждали на поверхность полиимида, а затем структуры вытравляли лазерной аблиацией. Установка для измерений показана на рис. 7б, где поглощение в образце тестировалось методом свободного пространства. Пара роговых антенн подключалась к векторному анализатору цепей (Rohde & Schwarz ZVA 40) для измерения отражения от образца. Спектр отражения для медной пластины такого же размера, как изготовленный образец, измерялся и использовался как эталон. Затем образец помещали в то же место и реальное отражение от образца вычисляли вычитанием двух измеренных отраженных мощностей. На рис. 8а показан спектр отражения, измеренный от медной пластины и изготовленного образца, а поглощающая способность МП — 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.

На рис. 9 показано поглощение в МП, измеренное при разных углах поляризации φ = 0°, 30° и 60°. Результат показывает, что предложенная структура нечувствительна к углу поляризации. На рис. 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.

Как упоминалось ранее, предложенный МП был изготовлен на высокогибкой полиимидной пленке, которую можно использовать в неплоских применениях. Как показано на рис. 11а, поглотитель был изогнут и прикреплен к цилиндру с радиусом 8 см, и его поглощение измеряли. На рис. 11б показаны спектры поглощения для плоского и конформного поглотителя. Можно наблюдать, что поглощающая способность обоих поглотителей похожа. Более того, пиковое поглощение на трех резонансных частотах было схожим до и после изгиба, что важно для конформных применений.

Заключение

В статье представлен ультратонкий гибкий МП с тремя пиками поглощения. По сравнению с предыдущими дизайнами, наш предложенный поглотитель ультратонок с общей толщиной 0,4 мм, что составляет приблизительно 1/88 свободно-пространственной длины волны, соответствующей нижней частоте поглощения. Предложенный трехдиапазонный поглотитель демонстрирует высокое поглощение до угла падения 60° (выше 86% и 99% для TE- и TM-поляризации соответственно). Одновременно симметрия структуры обеспечивает нечувствительность поглощения к изменениям поляризации. МП с 20 × 30 элементарными ячейками был изготовлен и измерен для разных углов падения. Результаты показывают, что МП демонстрирует высокое поглощение при больших углах падения. Поглотитель был изготовлен на гибкой полиимидной пленке, которую можно легко использовать в неплоских и конформных применениях. Предложенный поглотитель имеет большой потенциал для использования в сборе энергии и экранировании электромагнитных волн.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

MA:

Метаматериальный поглотитель

EM:

Электромагнитный

SRR:

Расщепленное кольцо

MRR:

Модифицированное кольцо

FDTD:

Метод конечных разностей во временной области