Ultra-breedband en polarisatie-ongevoelige Perfect Absorber met behulp van meerlaagse metamaterialen, geklonterde weerstanden en sterke koppelingseffecten

Resultaten en discussie

De gesimuleerde amplitude van S ₁₁ , absorptie-, effectieve impedantie- en reflectiecomponenten van de kruispolarisatie van 1 tot 30 GHz worden getoond in Fig. 2. Zoals getoond in Fig. 2a, kan worden gezien dat de voorgestelde PMA ultrabreedband lagere reflectie vertoonde van 4,5 tot 25,5 GHz dan die van de PMA met dezelfde microstructuur zonder gebundelde weerstanden. Vooral de verschillen tussen de microstructuur met en zonder gebundelde weerstanden waren duidelijk van 9 tot 14 GHz en van 19 tot 21 GHz. In figuur 2b konden we zien dat de ultrabreedbandabsorptie van 4,52 tot 25,42 GHz met een absorptievermogen van meer dan 80% kon worden verkregen voor de voorgestelde PMA en dat de absorptie zou verslechteren voor de voorgestelde microstructuur zonder uiteraard opeengepakte weerstanden. De reële en denkbeeldige delen van effectieve impedantie waren respectievelijk dicht bij 377 Ω en 0 voor de voorgestelde PMA bij de resonantiefrequentie van 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 en 25,42 GHz in figuur 2c. Hoe meer het absorptievermogen bijna 100% is, hoe meer de reële en denkbeeldige delen van de effectieve impedantie respectievelijk dicht bij 377 Ω en 0 waren. Uit figuur 2d waren de reflectiecomponenten van kruispolarisatie ongeveer nul voor de voorgestelde absorber van 1 tot 30 GHz. Het was noodzakelijk om op te merken dat de reflectiecomponenten | S _11,xy | ² van kruispolarisatie was ongeveer 0,35 bij 2,8 GHz voor de voorgestelde microstructuur zonder gebundelde weerstanden. Dit fenomeen werd veroorzaakt door de asymmetrische structuur en de zwakke resonatormodi bij de frequentie. Daarom waren de gebundelde weerstanden belangrijk voor het ultrabreedband PMA-ontwerp. Uit figuur 2b, d, werden het reële deel en het imaginaire deel van de effectieve permittiviteit respectievelijk benaderd met die van de effectieve permeabiliteit voor de voorgestelde PMA van 4,52 tot 25,42 GHz. Het denkbeeldige deel van de brekingsindex was meer dan nul in deze band. Bijgevolg kan de ultrabreedband worden tentoongesteld voor de gepresenteerde PMA.

De gesimuleerde |S11|, absorptie, effectieve parameters, effectieve impedanties en brekingsindex van 1 tot 30 GHz voor de voorgestelde ultrabreedband perfecte metamateriaalabsorber geladen met samengevoegde weerstanden en dezelfde microstructuur zonder de samengevoegde weerstanden. een Gesimuleerd |S11| resultaten. b Gesimuleerde absorptieresultaten en effectieve parameters. c De effectieve impedanties van voorgestelde PMA met gebundelde weerstanden en dezelfde microstructuur zonder gebundelde weerstanden. d De reflectiecomponenten van de kruispolarisatie voor de voorgestelde PMA met gebundelde weerstanden en dezelfde microstructuur zonder gebundelde weerstanden en de brekingsindex van de gepresenteerde PMA

Een parametrische studie werd uitgevoerd door ANSYS HFSS Solver. In deze studie was het hoofddoel om ultrabreedbandabsorptie te bereiken. Volgens dit doel, sommige parameters van de gebundelde weerstanden R _1,2 en R _3,4 in de binnenste en buitenste gespleten ringen, de cellengte P van de PMA, de lengte s van de splitsingen voor F-MDSRR en S-MDSRR, de dikte d ₁ van het antireflectiecoatingsubstraat en de dikte d ₂ werden geselecteerd in het onderzoek.

Afbeelding 3a toont de gesimuleerde absorptie, toen de voorgestelde PMA de gebundelde weerstanden van R overnam _1,2 = 50 Ω, 60 Ω, 100 Ω, 150 Ω. Door R . te adopteren _1,2 , de absorptie was duidelijk verbeterd van 19 naar 25 GHz. Terwijl als R _1,2 verschoven van 50 naar 150 Ω, hadden de gebundelde weerstanden een licht effect op de absorptie bij lage frequenties. Dus door een juiste waarde te selecteren voor R _1,2 = 60 Ω, de voorgestelde PMA verkreeg de ultrabreedbandabsorptie. Zoals weergegeven in Afb. 3b, is de R _3,4 beïnvloedde voornamelijk de absorptie in het bereik van 6~17 GHz en 21~23 GHz. Voor breedbandabsorptie, R _3,4 werd gekozen om 180 Ω te zijn. De lengte was een andere kritische parameter. Het geval met verschillende lengtes van PMA-cellen en splits in voor F-MDSRR en S-MDSRR werd bestudeerd. Figuur 3c laat zien dat de absorptie van 21 tot 25 GHz erg gevoelig was voor de lengte P van PMA-cel. Om breedbandabsorptie te bereiken, hebben we P . gekozen = 8.4 mm. In figuur 3d was het duidelijk dat de PMA breedbandabsorptie had bij lage frequenties en dat de bandbreedte werd beïnvloed door s die werd verschoven van 0,6 naar 1,5 mm. Volgens de standaard van absorptievermogen meer dan 0,8, s = 1.2 mm werd geselecteerd om breedbandabsorptie te verkrijgen voor de voorgestelde PMA. De effecten van de antireflectiecoating substraatdiktes d ₁ worden geïllustreerd in Fig. 3e. Het was duidelijk dat de dikte d ₁ beïnvloedde de breedbandabsorptie van 7 tot 30 GHz en d ₁ = 2,0 mm werd gekozen voor breedband PMA-ontwerp. De absorptieresultaten met verschillende d ₂ worden gegeven in Fig. 3f. Het was duidelijk dat d ₂ was de belangrijkste parameters voor breedband PMA in hoge frequentie. Om de ultrabreedbandabsorptie te bereiken, is de geoptimaliseerde d ₂ van 1,0 mm werd geselecteerd in PMA-ontwerp.

Absorptieresultaten van 1 tot 30 GHz voor de voorgestelde ultrabreedband perfecte metamateriaalabsorber met verschillende parameters. een Absorptieresultaten van de PMA met verschillende R _een waarden. b Absorptieresultaten van de PMA met verschillende R _b waarden. c Absorptieresultaten van de PMA met verschillende lengtes van P . d Absorptieresultaten van de PMA met verschillende lengtes van s . e Absorptieresultaten van de PMA met verschillende diktes van d ₁ . v Absorptieresultaten van de PMA met verschillende diktes van d ₂

Van Fig. 2 en 3 was te zien dat de absorptiebandbreedte van de voorgestelde PMA gevoelig was voor de diktes van d ₁ en d ₂ , en de waarden van gebundelde weerstanden. Bovendien waren de splitsingen in de F-MDSRR en S-MDSRR nodig om de breedbandabsorptie in ons ontwerp te bereiken. Daarom moesten de diktes en de gebundelde weerstanden worden geoptimaliseerd voor ultrabreedbandabsorptie.

Om het mechanisme voor ultrabreedbandabsorptie te onderzoeken, waren de oppervlaktestroomverdelingen en de nabije elektrische veldverdelingen van de PMA gegeven in figuur 4 bij de resonantiefrequentie van 5,1, 14,5, 19,1, 20,8 en 25,4 GHz. Het voortreffelijke resonantie-absorberende effect in Fig. 4a was tentoongesteld die primair werden toegeschreven aan de SRR-I voor de S-MDSRR-microstructuur en de buitenste gespleten ringen voor de F-MDSRR-microstructuur op 5,13 GHz. De sterke koppeling tussen de S-MDSRR- en F-MDSRR-microstructuren leidde tot de resonantieabsorptie. Uit figuur 4c kon worden gezien dat de absorptiepiek bij 14,49 GHz voor de voorgestelde absorber zou worden verkregen vanwege de F-MDSRR-microstructuur met vier samengevoegde weerstanden en de sterke koppeling in de F-MDSRR-microstructuur. Zoals weergegeven in figuur 4e, bereikte de huidige ultrabreedband-PMA absorptieresonantie als gevolg van de intergespleten ringen voor F-MDSRR en de koppelingseffecten tussen de SRR-II en SRR-I. Bij 20,77 GHz werd de absorptiepiek voornamelijk veroorzaakt door de intergespleten ringen voor F-MDSRR in figuur 4g. De sterke koppelingseffecten tussen de buitenste gespleten ringen voor F-MDSRR en de SRR-II voor S-MDSRR-microstructuur waren bereikt uit figuur 4i. Het was noodzakelijk om op te merken dat de dipoolresonantie, de equivalente inductantie- en capaciteitsresonantie en de koppelingsresonantie van primair belang waren voor het bereiken van de ultrabreedbandabsorptie. Uit figuur 4b, d, f, h en j blijkt dat de nabije elektrische velden van 5,13 GHz in de bovenruimte anders waren dan die van andere responsfrequenties vanwege de sterkere koppelingseffecten tussen de SRR-I en de buitenste splitringen. Het type resonantieabsorptie bij 14,49, 19,1 en 20,8 GHz was hetzelfde en hun absorptiepieken werden beide bereikt door de F-MDSRR-microstructuur. Er kan worden gevonden dat hoe meer dichtheid van het PMA vertoonde, hoe beter de absorptie van het PMA werd bereikt. Zoals te zien is in figuur 4j, waren er zes spatiepunten (A ₁ , A ₂ , A ₃ , A ₄ , A ₅ , A ₆ ,) dichtbij het oorsprongspunt met een sterke dichtheid. Deze fysieke verschijnselen werden allemaal geïllustreerd door de koppelingseffecten en hoge-orde-modi voor de voorgestelde ultrabreedband PMA. Bijgevolg waren de koppelingseffecten tussen de verschillende microstructuren en de modi van hoge orde de cruciale component om de breedband-PMA te ontwerpen.

De oppervlaktestroomverdelingen van de F-MDSRR-microstructuur, S-MDSRR-microstructuur en grondvlak en de nabije elektrische velden van de PMA bij de resonantiefrequentie van 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 en 25,42 GHz. een Oppervlaktestroomverdelingen op 5,13 GHz. b Nabij elektrische velden distributies op 5,13 GHz. c Oppervlaktestroomverdelingen op 14.49. d Nabij elektrische velden distributies op 14,49 GHz. e Oppervlaktestroomverdelingen op 19,05 GHz. v Distributies in de buurt van elektrische velden op 19,05 GHz. g Oppervlaktestroomverdelingen op 20,77 GHz. u Nabij elektrische velden distributies op 20,77 GHz. ik Oppervlaktestroomverdelingen op 25,42 GHz. j Distributies in de buurt van elektrische velden op 25,42 GHz

De gesimuleerde absorptieresultaten van de huidige PMA met verschillende hoeken van theta en phi worden besproken in figuur 5 voor de transversale elektromagnetische (TEM) invallende golven. Uit figuur 5a konden we zien dat de voorgestelde PMA het hoge absorptievermogen vertoonde van 4,5 tot 25 GHz met theta = 0°. terwijl de hoek van phi verschoof van 0 naar 360°. Het was duidelijk dat de absorptie drastisch afnam voor de hoek die toenam van 70 naar 80° of afnam van -70 tot -80° in figuur 5b. Over het algemeen konden de ultrabreedband- en groothoekabsorptie worden verkregen voor de voorgestelde PMA met de hoek van theta verschoven van -70 naar 70° en de hoek van phi verhoogd van 0 naar 360°. Om de uitstekende absorptie te illustreren, worden de gesimuleerde absorptieresultaten bij de resonantiefrequentie van 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 en 25,42 GHz gegeven met − 90° < theta< 90° en 0° < phi< 360° in Fig. 5c– G. Uit deze cijfers hebben we duidelijk waargenomen dat de uitstekende absorptie bij 14,49 GHz kon worden verkregen voor de PMA met − 90° < theta< 90° en 0° < phi< 360° dankzij de symmetrische F-MDSRR-microstructuur met vier samengevoegde weerstanden en de sterke koppelingseffecten tussen de binnenste en buitenste splitringen. De PMA bij respectievelijk 19,05 GHz en 20,77 GHz behield een hoge absorptie-efficiëntie met brede absorptie in figuur 5e, f. Van deze verschijnselen werd bewezen dat hun absorptiepieken allemaal werden bereikt door de symmetrische F-MDSRR-microstructuur. Omdat de resonantie van de PMA op 5,13 GHz werd bepaald door de asymmetrische S-MDSRR-microstructuur, waren de absorptieresultaten bij deze frequentie niet asymmetrisch in figuur 5c. Zoals te zien is in figuur 5g, was het noodzakelijk erop te wijzen dat de absorptie bij 25,42 GHz inconstantie was vanwege de koppelingseffecten tussen de F-MDSRR- en S-MDSRR-microstructuren en de hoge-ordemodi voor de voorgestelde ultrabreedband PMA. Uit deze cijfers konden we zien dat de voorgestelde PMA de groothoekabsorptie vertoonde voor de elektromagnetische golven met verschillende invalshoeken.

De absorptieresultaten van de huidige ultrabreedband PMA met verschillende hoeken van theta en phi. een Absorptieresultaten van de PMA met verschillende hoeken van phi van 1 tot 30 GHz (theta = 0 deg). b Absorptieresultaten van de PMA met verschillende hoeken van theta van 1 tot 30 GHz (phi = 0°). c Absorptieresultaten bij 5,13 GHz met − 90° < theta< 90° en 0° < phi< 360°. d Absorptieresultaten bij 14,49 GHz met − 90° < theta< 90° en 0° < phi< 360°. e Absorptieresultaten bij 19,05 GHz met − 90° < theta< 90° en 0° < phi< 360°. v Absorptieresultaten bij 20,77 GHz met − 90° < theta< 90° en 0° < phi< 360°. g Absorptieresultaten op 25,42GHz met − 90° < theta < 90° en 0° < phi< 360°

Om de gepolariseerde ongevoeligheid van de ultrabreedband PMA voor transversale elektrische (TE) en transversale magnetische (TM) gepolariseerde incidenten te interpreteren, presenteerden we de schuine absorptie, de oppervlaktestroomverdelingen bij 12 GHz en de nabije elektrische velden bij 12 GHz in Fig. 6. Uit figuur 6a, b is het duidelijk dat de schuine absorptieresultaten bij TM-gepolariseerde inval hetzelfde waren als bij TE-gepolariseerde inval. Dezelfde schuine absorpties met verschillende incidenties werden toegeschreven aan het absorptiemechanisme en de huidige microstructuur. De oppervlaktestroomverdelingen en nabije elektrische velden op 12 GHz met TE en TM gepolariseerde incidenten werden bijvoorbeeld verder onderzocht om gepolariseerde ongevoeligheid van de ultrabreedband PMA in figuur 6c-f te illustreren. Er werd gemeld dat de gepresenteerde PMA dezelfde oppervlaktestroomverdelingen en bijna elektrische velden vertoonde met verschillende gepolariseerde invallende golven. Bijgevolg kon het kenmerk van gepolariseerde ongevoeligheid worden bereikt voor deze ultrabreedband PMA.

De absorptieresultaten, oppervlaktestroomverdelingen en nabije elektrische velden van de huidige ultrabreedband PMA met verschillende gepolariseerde incidenties. een De schuine absorptieresultaten van de PMA met TE gepolariseerde incidenties van 1 tot 30 GHz met theta verschoven van 0 naar 60°. b . De bijna elektrische velden van PMA op 12 GHz met TE gepolariseerde incidenten. c De oppervlaktestroomverdelingen van PMA op 12 GHz met TE gepolariseerde incidenten. d De schuine absorptieresultaten van de PMA met TM gepolariseerde incidenten van 1 tot 30 GHz met theta verschoven van 0 naar 60°. e De oppervlaktestroomverdelingen van PMA op 12 GHz met TM gepolariseerde incidenties. v De bijna elektrische velden van PMA op 12 GHz met TM gepolariseerde incidenten

Om de diëlektrische en ohmse verliezen uit te werken, toont figuur 7 de volumeverliesdichtheid (VLD) van de substraten en samengevoegde weerstanden voor de voorgestelde PAM op 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 en 25,42 GHz. Uit figuur 7a konden we zien dat de VLD toenam naarmate de resonantiefrequentie verschoof van 5,13 naar 25,42 GHz. De verschillende modi kunnen worden bereikt door de ohmse verliezen van de samengevoegde weerstanden in figuur 7b. De volumeverliesdichtheid van R ₃₄ was duidelijk meer dan die van R ₁₂ op 5,13 GHz. Het verschil zou afnemen bij 14,49 GHz. Op 19,05 GHz en 20,77 GHz is de VLD van R ₃₄ was iets minder dan die van R ₁₂ . Toen het 25,42 GHz was, waren de volumeverliesdichtheden van R ₃₄ en R ₁₂ waren beide lager dan die van andere frequenties. Het was duidelijk dat de ohmse verliezen met het bereik van 1 × 10 ⁵ w/mm ³ tot 1 × 10 ⁷ w/mm ³ waren meer dan de diëlektrische verliezen met een bereik van 100 w/mm ³ tot 1 × 10 ⁷ w/mm ⁶ . Bijgevolg waren de ohmse en diëlektrische verliezen belangrijk voor deze voorgestelde ultrabreedbandabsorbeerder uit Fig. 3(e) en (f) en 7.

De diëlektrische en ohmse verliezen van de substraten en de gebundelde weerstanden voor de voorgestelde PAM op 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 en 25,42 GHz. een De volumeverliesdichtheid (VLD) van substraten bij de resonantiefrequentie. b De volumeverliesdichtheid (VLD) van gebundelde weerstanden bij de resonantiefrequentie

Vervaardiging en meting

Om de karakters te verifiëren, zijn twee 900-cel (30 × 30) apparaten van de voorgestelde ultrabreedband PMA gefabriceerd en geïllustreerd in Fig. 8. Het apparaat was gemeten door gebruik te maken van de vrije-ruimte testmethode in een echovrije microgolf kamer. Het ultrabreedband PMA-monster werd vervaardigd met behulp van optische lithografische processen op drie substraten (ε _r = 4.2 en tanδ = 0.02) met een dikte van 2 mm, 1 mm, 1 mm en 1 mm. Twee lineair gepolariseerde hoornantennes met standaardversterking als zender en ontvanger waren verbonden met de Agilent Vector Network Analyzer (VNA, N5230C). Om de interferentie van de omgeving te elimineren, werd de functie van tijddomein-gating in de Network Analyzer in experimenten overgenomen. De apparaten werden verticaal in het midden van een draaitafel geplaatst om ervoor te zorgen dat de EM-golf vergelijkbaar zou kunnen zijn met een vlakke golf aan de voorkant van het apparaat. De afstand tussen de antennes en de geteste apparaten voldeed aan de far-field-conditie.

Prototypes van de voorgestelde ultrabreedband PMA-apparaten in een echovrije microgolfkamer

De experimentele resultaten van hoekabsorptie voor het voorgestelde PMA-monster worden gegeven in Fig. 9 wanneer de invalshoek (θ ) verschoven van 0 naar 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. een The experimental absorption results of the PMA sample with θ of 0°, 15°, 30°, and 45° in the x -polarized incident waves. b The experimental absorption results of the PMA sample with θ of 0°, 15°, 30° and 45° in the y -polarized incident waves