Een ultradunne, triple-band metamateriaal-absorber met brede-incident-hoekstabiliteit voor conforme toepassingen op X- en Ku-frequentieband

Abstract

In dit artikel wordt een ultradunne en flexibele metamateriaalabsorbeerder (MA) met drievoudige absorptiepieken gepresenteerd. De voorgestelde absorber is zo ontworpen dat drie absorptiepieken zich bevinden op 8,5, 13,5 en 17 GHz (X- en Ku-banden) met een absorptie van respectievelijk 99,9%, 99,5% en 99,9%. De voorgestelde structuur is slechts 0,4 mm dik, wat ongeveer 1/88, 1/55 en 1/44 is voor de respectieve vrije ruimtegolflengten van absorptiefrequentie in verschillende banden. De MA is ook ongevoelig vanwege zijn symmetrische geometrie. Bovendien vertoont de voorgestelde structuur een absorptie van minimaal 86% (TE-inval) binnen een invalshoek van 60°. Voor TM-incidentie vertoont de voorgestelde absorber een absorptievermogen van meer dan 99% tot een incidentie van 60°. Oppervlaktestroom en elektrische veldverdelingen werden onderzocht om het mechanisme voor absorptie te analyseren. Er werden parameteranalyses uitgevoerd voor absorptie-optimalisatie. Bovendien werd de prestatie van de MA experimenteel aangetoond in de vrije ruimte op een te testen monster met 20 × 30 eenheidscellen vervaardigd op een flexibel diëlektricum. Bij normale inval vertoont de gefabriceerde MA een bijna perfecte absorptie bij elke absorptiepiek voor alle polarisatiehoeken, en de experimentele resultaten bleken consistent te zijn met simulatieresultaten. Vanwege de voordelen van zeer efficiënte absorptie over een breed scala van invalshoeken, kan de voorgestelde absorber worden gebruikt bij het oogsten van energie en elektromagnetische afscherming.

Inleiding

In de afgelopen jaren hebben metamaterialen wijdverbreide bezorgdheid gekregen vanwege hun exotische eigenschappen, zoals negatieve brekingsindex [1], perfecte beeldvorming [2] en inverse Doppler-effecten [3]. Vanwege deze eigenschappen zijn metamaterialen voorgesteld voor gebruik in verschillende apparaten, zoals elektromagnetische (EM) verhulling [4], ultragevoelige detectie [5], filters [6, 7] en absorbers [8,9,10, 11,12]. In het bijzonder worden metamateriaalabsorbers (MA's), vergeleken met traditionele microgolfabsorbeerders, op verschillende gebieden gebruikt, variërend van militair tot consumentenelektronica. MA's zijn meestal licht en dun.

In 2008 werd voor het eerst een perfecte MA gepresenteerd door Landy et al. [13]. Vervolgens kunnen verschillende soorten MA's, zoals single-band [14, 15], dual-band [16,17,18,19,20,21], multi-band [22,23,24,25,26,27 ] en breedbandabsorbers [28,29,30,31,32,33,34,35,36], zijn door verschillende onderzoekers gepresenteerd. Onder deze MA's maken multi-band MA's een perfecte absorptie mogelijk op verschillende discrete frequenties, waardoor toepassingen zoals multiband-detectie mogelijk zijn. In het algemeen kan een multiband-MA op twee manieren worden geconfigureerd. De eerste methode is algemeen bekend als de coplanaire constructiemethode, waarbij verschillende resonatoren van verschillende groottes worden gevormd tot een supereenheidstructuur [37, 38]. De tweede methode omvat het verticaal stapelen van afwisselende meerlaagse structuren [39, 40]. Geen van deze methoden is echter ideaal voor het vervaardigen van een structuur die multibandabsorptie biedt. De coplanaire constructiemethode leidt bijvoorbeeld tot een onvermijdelijke uitbreiding van de MA-eenheidsgrootte, terwijl het gelaagde ontwerp het nadeel van grote dikte en zwaar gewicht van de constructie niet kon elimineren. Onlangs werden enkele vereenvoudigde structurele ontwerpen gepresenteerd om multi-bandabsorptie te bereiken [41, 42]; desalniettemin moet de absorptie bij brede invalshoek nog worden verbeterd.

In dit artikel stellen we een ontwerpmethode voor die het voordeel van compact formaat, ultradun, lichtgewicht en gemakkelijk te vervaardigen combineert. Als verdienste van het eenheidscelontwerp vertoont de voorgestelde triple-band MA een hoge absorptie, zelfs bij brede invalshoeken. Simulatieresultaten onthullen drie verschillende absorptiebanden met een piekabsorptie van 99,9%, 99,5% en 99,9% bij respectievelijk 8,5, 13,5 en 17 GHz. De symmetrische structuur van de MA zorgt ervoor dat de absorptie ongevoelig is voor verschillende polarisatiehoeken. Bovendien biedt de voorgestelde MA een absorptie van meer dan 86% en 99% wanneer TE- en TM-gepolariseerde golven respectievelijk invallen met een invalshoek van 60 °. De relatie tussen verschillende geometrische parameters en het absorptiespectrum werd onderzocht. Om de absorberende prestaties van de MA te valideren, werd een prototype met 20 × 30 eenheidscellen gefabriceerd, en de experimentele resultaten blijken consistent te zijn met simulatieresultaten. Vanwege de lage dikte en effectiviteit voor een breed scala aan invalshoeken, werd de MA-structuur gefabriceerd op een zeer flexibele polyimidefilm, die kan worden gebruikt in niet-planaire en conforme toepassingen.

Methoden/experimenteel

Figuur 1 toont de geometrie van de eenheidscel voor de voorgestelde MA, die bestaat uit een resonantielaag, een diëlektrische laag en een metalen grondlaag. De resonantiestructuur combineert een gesplitste ringresonator (SRR), een gemodificeerde ringresonator (MRR) en acht identieke 7-vormige structuren, elk 45° gedraaid langs het midden van de eenheid. De bovenste patroonlaag en de onderste grondlaag zijn gemaakt van 0,02 mm dik koper en een elektrisch geleidend vermogen van 5,8 × 10⁷ S/m. Het substraat werd vervaardigd op polyimide met een relatieve permittiviteit van 2,9 en een verliesbereik van 0,02. De geoptimaliseerde parameters van de MA staan vermeld in Tabel 1.

Schematische geometrie van een eenheidscel voor de voorgestelde MA. een Bovenaanzicht, b lay-out van de acht 7-vormige resonantiestructuren, en c perspectiefaanzicht van een eenheidscel

De gesimuleerde absorptiespectra van de voorgestelde MA werden bepaald op basis van een eindig-verschil tijdsdomein (FDTD) simulatie. In de simulatie werden de randvoorwaarden van de eenheidscel toegepast in de x- en y-richtingen, terwijl de Floquet-poortvoorwaarde langs de z-richting werd opgelegd. Bovendien werd aangenomen dat een vlakke EM-golf het oppervlak van de MA raakt. Het absorptievermogen (A ) kan worden gedefinieerd als \(A\left(\upomega \right)=1-{|{S}_{11}(\upomega )|}^{2}-{|{S}_{21}(\ upomega )|}^{2}\), waarbij \({S}_{11}(\upomega )\) en \({S}_{21}(\upomega )\) de reflectie- en transmissiecoëfficiënten zijn , respectievelijk. Aangezien de transmissiecoëfficiënt \({S}_{21}(\upomega )\) nul is vanwege de totale reflectie van het koperen grondvlak, kan het absorptievermogen worden vereenvoudigd als \(A\left(\upomega \right)=1 -{|{S}_{11}(\upomega )|}^{2}\). De gesimuleerde reflectie- en absorptiespectra van de voorgestelde MA onder normale inval worden getoond in figuur 2a. De voorgestelde MA vertoont drie absorptiepieken bij 8,5, 13,5 en 17 GHz met een absorptie van respectievelijk 99,9%, 99,5% en 99,9%; de bijbehorende Q factor van elke resonantiemodus kan respectievelijk 26,8, 28,4 en 27,1 bereiken.

een Gesimuleerde absorptie- en reflectiespectra bij normale inval. b Absorptiespectrum voor verschillende polarisatiehoeken φ . Absorptie voor verschillende θ waarden voor c TE en d TM polarisatie

Figuur 2b toont de absorptiespectra van de voorgestelde MA-structuur voor verschillende polarisatiehoeken. Men kan zien dat de absorptie van de MA stabiel blijft voor een polarisatiehoek variërend van 0° tot 90°. Daarom is de voorgestelde MA ongevoelig voor polarisatie van invallende EM-golven. Daarnaast hebben we de absorptie in de ontworpen MA verder onderzocht onder een schuine invalshoek (θ ). Voor TE-polarisatie, zoals weergegeven in figuur 2c, neemt het absorptievermogen af als θ neemt toe. Dit kan gebeuren omdat het verhogen van θ vermindert de horizontale component van de elektrische veldintensiteit voor TE-golven. Daarom neemt de effectiviteit van de circulatiestroom die wordt gegenereerd door het invallende elektrische veld geleidelijk af. De drie absorptiepieken blijven echter boven 86% als θ bereik tot 60°. Voor TM-polarisatie, zoals weergegeven in figuur 2d, is het absorptievermogen bij elke resonantiepiek groter dan 99% bij θ = 60°. Dit gebeurt omdat absorptie in de voorgestelde MA minder gevoelig is voor veranderingen in de intensiteit van het elektrische veld veroorzaakt door een toename van θ . Een ander voordeel van de voorgestelde MA is de stabiliteit van de absorptiefrequentie, zoals weergegeven in figuur 2, waarbij de drie verschillende absorptiepieken niet significant veranderen als θ neemt toe.

Resultaten en discussie

Om een gedetailleerde uitleg van absorptie te vergemakkelijken, worden de responsspectra voor verschillende delen van de resonantiestructuur weergegeven in Fig. 3. Zoals getoond in Fig. 3, is elk element binnen de patroonlaag verantwoordelijk voor een individuele en intense resonantie. Hierdoor leidt een combinatie van deze elementen tot een perfecte multiband absorptie. Als onderdeel van het MRR-ontwerp wordt een vierkante patch toegevoegd aan elke hoek van de gesloten ringresonator, waardoor de elektrische lengte van de ringresonator wordt vergroot en de absorptiefrequentie naar rood wordt verschoven zonder dat de structuur groter wordt.

Bijdrage van individuele elementen aan absorptie

Om het mechanisme van EM-golfabsorptie verder te onderzoeken, worden oppervlaktestroomdichtheidsverdelingen op de bovenste en onderste metalen lagen die overeenkomen met drie absorptiepieken getoond in Fig. 4. Men kan zien dat de oppervlaktestroom op de bovenste patroonlaag geconcentreerd is op de MRR , de SRR en de 7-vormige grafische structuren op respectievelijk 8,5, 13,5 en 17 GHz. De oppervlaktestroomverdeling onthult ook de oorsprong van golfabsorptie, zoals weergegeven in Fig. 3. Vergeleken met de oppervlaktestroom op de bovenste laag, is de intensiteit op de onderste grondlaag veel zwakker. De richting van de oppervlaktestroom op de bovenste laag is anti-parallel ten opzichte van het grondvlak, wat resulteert in equivalente stroomlussen binnen de MA die een magnetische dipool opwekken. Ondertussen toont Fig. 5 de amplitude van het elektrische veld (|E |) in de MA voor invallende TE-polarisatiegolven wanneer θ = 0°, 30° en 60°. Men kan zien dat het elektrische veld sterk geconcentreerd is op de horizontale balken van de MRR, aangezien de MRR absorbeert op 8,5 GHz. Bij 13,5 GHz, zoals weergegeven in figuur 5(b), is perfecte absorptie te wijten aan de LC-resonantie in de SRR. Ten slotte is absorptie bij 17 GHz te wijten aan een dipoolresonantie in de binnenste patch. Ook de resonatoren in de toplaag ontwikkelen elektrische resonanties. Zowel de magnetische als elektrische resonanties dragen bij aan een sterke EM-absorptie in de voorgestelde structuur. Bovendien laat Fig. 5 zien dat de veldintensiteit afneemt als θ neemt toe. Als gevolg hiervan neemt ook de absorptie van EM-golven af met de toename van θ .

Gesimuleerde oppervlaktestroomverdeling op de bovenste patroonlaag en onderste grondlaag bij a , d 8.5, b , e 13.5, en c , v 17 GHz

Het absolute van elektrische veldverdeling (|E |) in de MA voor TE-polarisatie bij verschillende invalshoeken θ van een 8.5, b 13.5, en c 17 GHz

Figuur 6 toont de effecten van de MA-geometrie op absorptie in de voorgestelde MA. Zoals weergegeven in figuur 6a, verschuiven de resonantiefrequenties naar hogere frequenties als a neemt toe. De relatie tussen spleetbreedte b van de SRR en het absorptiespectrum wordt getoond in Fig. 6b. De equivalente capaciteit neemt af naarmate b toeneemt; dus verschuift de centrale resonantiepiek naar hogere frequenties. De onderste en bovenste absorptiepieken blijven echter vrijwel ongewijzigd, wat een gemakkelijke manier biedt om individuele absorptiefrequenties af te stemmen. Bovendien is de afhankelijkheid van absorptie van de breedte van de ringstaaf w ₂ wordt weergegeven in Fig. 6c, waar zowel de lagere als de centrale resonantiefrequenties rood verschuiven als w ₂ neemt toe. Als w ₂ toeneemt, neemt de equivalente capaciteit toe omdat de afstand tussen de SRR en MRR kleiner wordt, waardoor de lagere en centrale resonantiefrequenties rood verschuiven. Ten slotte, het vergroten van de balkbreedte w ₃ veroorzaakt een roodverschuiving in de bovenste resonantiefrequentie, zoals weergegeven in figuur 6d. Omdat de resonantiemodus wordt bepaald door de binnenste 7-vormige patch, neemt w . toe ₃ verhoogt ook de equivalente inductantie van de binnenste resonator. Daarom vertoont de resonantiefrequentie een roodverschuiving.

Absorptiespectrum van de MA voor verschillende structurele parameters:a eenheid periodiciteit a , b SRR-openingsbreedte b , c Breedte MSR ringstaaf w ₂ , d 7-vormige patchbreedte w ₃

Een prototype van 240 mm × 160 mm, overeenkomend met 20 × 30 eenheidscellen, werd gefabriceerd, zoals weergegeven in figuur 7a. Bij de monstervoorbereiding werd een dunne laag koper verdampt op het oppervlak van het polyimide en vervolgens werden de patronen geëtst met behulp van laserablatie. De meetopstelling wordt getoond in Fig. 7b, waar de absorptie in het monster is getest met de vrije-ruimtemethode. Een paar hoornantennes was verbonden met een vectornetwerkanalysator (Rohde &Schwarz ZVA 40) om reflectie van het monster te meten. Het reflectiespectrum voor een koperen plaat met dezelfde grootte als het gefabriceerde monster werd gemeten en als referentie gebruikt. Het monster werd vervolgens op dezelfde locatie geplaatst en de werkelijke reflectie van het monster werd berekend door de twee gemeten gereflecteerde vermogens af te trekken. Figuur 8a toont het reflectiespectrum gemeten vanaf de koperen plaat en het gefabriceerde monster, terwijl het absorptievermogen van de MA wordt getoond in figuur 8b. De gemeten absorptie is 96%, 97% en 94% bij respectievelijk 8,7, 14,1 en 17,6 GHz. In vergelijking met de simulatieresultaten bewegen de absorptiepiekfrequenties iets naar hogere frequenties als gevolg van fabricagetoleranties en verschillen in de permittiviteit van het substraat.

een Gefabriceerd MA-prototype. b Meetopstelling

een Reflectiecoëfficiënt en b absorptievermogen van de MA bij normale incidentie

Afbeelding 9 toont absorptie in de MA gemeten bij verschillende polarisatiehoeken van φ = 0°, 30° en 60°. Het resultaat laat zien dat de voorgestelde structuur ongevoelig is voor de polarisatiehoek. Afbeelding 10 toont de gemeten absorptiespectra voor TE- en TM-polarisatie wanneer θ = 30° en 60°. Absorptie voor beide polarisaties blijft boven 95% wanneer θ = 60° voor alle absorptiepieken.

Gemeten absorptie voor verschillende polarisatiehoeken bij normale inval

Gesimuleerde en gemeten absorptie voor verschillende invalshoeken:a TE en b TM polarisatie

Zoals eerder vermeld, werd de voorgestelde MA gefabriceerd op een zeer flexibele polyimidefilm, die kan worden gebruikt in niet-vlakke toepassingen. Zoals weergegeven in figuur 11a, was de absorber gebogen en bevestigd aan een cilinder met een straal van 8 cm, en de absorptie werd vervolgens gemeten. Afbeelding 11b toont absorptiespectra voor de vlakke en conforme absorber. Er kan worden waargenomen dat het absorptievermogen van beide absorbers vergelijkbaar is. Bovendien was de piekabsorptie bij de drie resonantiefrequenties vergelijkbaar voor en na het buigen, wat belangrijk is bij conforme toepassingen.

een Flexibele absorber bevestigd aan een cilinder. b Absorptiespectra van de vlakke en conforme MA

Conclusie

In dit artikel wordt een ultradunne, flexibele MA met drie absorptiepieken gepresenteerd. In vergelijking met eerdere ontwerpen is onze voorgestelde absorber ultradun met een totale dikte van 0,4 mm, wat ongeveer 1/88 is van de golflengte in de vrije ruimte die overeenkomt met de lagere absorptiefrequentie. De voorgestelde triple-band absorber vertoont een hoge absorptie tot een invalshoek van 60° (meer dan 86% en 99% voor respectievelijk TE- en TM-polarisatie). Ondertussen zorgt de symmetrie van de structuur ervoor dat absorptie ongevoelig is voor veranderingen in polarisatie. Een MA met 20 × 30 eenheidscellen werd gefabriceerd en gemeten voor verschillende invalshoeken. De resultaten laten zien dat de MA een hoge absorptie vertoont bij grote invalshoeken. De absorber is gefabriceerd op een flexibele polyimidefilm die gemakkelijk kan worden gebruikt in niet-vlakke en conforme toepassingen. De voorgestelde absorber heeft grote potentiële toepassingen bij het oogsten van energie en elektromagnetische afscherming.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn onbeperkt beschikbaar.

Afkortingen

MA:: Metamateriaal absorber
EM:: Elektromagnetisch
SRR:: Splitringresonator
MRR:: Aangepaste ringresonator
FDTD:: Tijdsdomein met eindig verschil

Vlamondersteund printen gebruiken om grote nanogestructureerde oxide-dunne film te fabriceren voor elektrochrome toepassingen Rode lichtgevende diodes met volledig anorganische CsPbI3/TOPO composiet nanodraden kleurconversiefilms

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal