Ultradunne, drievoudige-band metamateriaal-absorber met 99,9% efficiëntie en brede-hoek stabiliteit voor conformale X/Ku-band toepassingen

Samenvatting

In dit artikel wordt een ultradunne en flexibele metamateriaal-absorber (MA) met drievoudige absorptiepieken gepresenteerd. De voorgestelde absorber heeft drie absorptiepieken op 8,5, 13,5 en 17 GHz (X- en Ku-band) met absorptie van 99,9%, 99,5% en 99,9%, respectievelijk. De voorgestelde structuur is slechts 0,4 mm dik, wat ongeveer 1/88, 1/55 en 1/44 is van de vrije-ruimte golflengtes bij de absorptiefrequenties in de verschillende banden. De MA is ook ongevoelig voor polarisatie vanwege de symmetrische geometrie. Bovendien vertoont de voorgestelde structuur een minimale absorptie van 86% (TE-inval) binnen een invalshoek van 60°. Voor TM-inval vertoont de voorgestelde absorber meer dan 99% absorptie tot 60° invalshoek. Oppervlactestroom- en elektrisch veldverdelingen zijn onderzocht om het absorptiemechanisme te analyseren. Parameteranalyses zijn uitgevoerd voor absorptie-optimalisatie. Bovendien werd de prestatie van de MA experimenteel gedemonstreerd in vrije ruimte op een monster met 20 × 30 eenheidscellen gefabriceerd op een flexibel diëlektricum. Onder normale inval vertoont de gefabriceerde MA bijna perfecte absorptie bij elke absorptiepiek voor alle polarisatiehoeken, en de experimentele resultaten vonden consistent met simulatieresultaten. Vanwege de voordelen van hoge-efficiënte absorptie over een breed bereik van invalshoeken, kan de voorgestelde absorber gebruikt worden in energie-opwekking en elektromagnetische scherming.

Inleiding

In de afgelopen jaren hebben metamaterialen veel aandacht gekregen vanwege hun exotische eigenschappen, zoals negatieve brekingsindex [1], perfecte beeldvorming [2], en inverse Dopplereffecten [3]. Vanwege deze eigenschappen zijn metamaterialen voorgesteld voor gebruik in verschillende apparaten, zoals elektromagnetische (EM) masking [4], ultra-gevoelige sensoren [5], filters [6, 7], en absorbers [8-12]. In het bijzonder worden metamateriaal-absorbers (MA's), vergeleken met traditionele golfabsorbers, in diverse velden gebruikt, variërend van militair tot consumentenelektronica. MA's neigen lichtgewicht en dun te zijn.

In 2008 werd een perfecte MA voor het eerst gepresenteerd door Landy et al. [13]. Vervolgens zijn verschillende typen MA's, zoals enkelband [14, 15], tweeband [16-20], meerband [21-27], en breedband absorbers [28-36], gepresenteerd door verschillende onderzoekers. Onder deze MA's maken meerband MA's perfecte absorptie mogelijk op verschillende discrete frequenties, wat toepassingen als meerband sensoren mogelijk maakt. In het algemeen kan een meerband MA geconfigureerd worden met twee methoden. De eerste methode is algemeen bekend als de coplanaire constructiemethode, waarbij verschillende resonatoren van verschillende groottes in een super-eenheidsstructuur worden gevormd [37, 38]. De tweede methode omvat verticale stapeling van afwisselende meervoudige laagstructuren [39, 40]. Geen van deze methoden is ideaal voor het fabriceren van een structuur die meerbandabsorptie biedt. Bijvoorbeeld, de coplanaire constructiemethode leidt onvermijdelijk tot een uitbreiding van de MA-eenheidsgrootte, terwijl het gelaagde ontwerp het nadeel van grote dikte en zwaar gewicht van de structuur niet kan elimineren. Onlangs zijn enkele vereenvoudigde structurele ontwerpen gepresenteerd om meerbandabsorptie te bereiken [41, 42]; niettemin moet de absorptie bij wijd invalshoek nog verbeterd worden.

In dit artikel stellen we een ontwerpmethode voor die het voordeel combineert van compacte afmetingen, ultradun, lichtgewicht en gemakkelijk te fabriceren. Dankzij het eenheidscelontwerp vertoont de voorgestelde drievoudige-band MA hoge absorptie zelfs bij wijd invalshoeken. Simulatieresultaten onthullen drie distincte absorptiebanden met piekabsorptie van 99,9%, 99,5% en 99,9% bij 8,5, 13,5 en 17 GHz, respectievelijk. De symmetrische structuur van de MA zorgt ervoor dat de absorptie ongevoelig is voor verschillende polarisatiehoeken. Bovendien biedt de voorgestelde MA absorptie groter dan 86% en 99% wanneer TE- en TM-gepolariseerde golven bij 60° invalshoek in vallen, respectievelijk. 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 bleken consistent met simulatieresultaten. Vanwege de lage dikte en effectiviteit voor een breed bereik van invalshoeken, werd de MA-structuur gefabriceerd op een hoog flexibele polyimide-film, die gebruikt kan worden in niet-planaire en conformale 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 metallische grondlaag. De resonante structuur combineert een split-ring resonator (SRR), een gemodificeerde ring resonator (MRR) en acht identieke 7-vormige structuren, elk 45° geroteerd langs het centrum van de eenheid. De bovenste gepatroniseerde laag en de onderste grondlaag zijn gemaakt van 0,02-mm-dik koper met een elektrische geleidbaarheid van 5,8 × 10⁷ S/m. Het substraat werd gefabriceerd op polyimide met een relatieve permitiviteit van 2,9 en verlies-tangens van 0,02. De geoptimaliseerde parameters van de MA zijn vermeld in Tabel 1.

De gesimuleerde absorptiespectra van de voorgestelde MA werden bepaald uit een finite-difference time-domain (FDTD) simulatie. In de simulatie werden eenheidscel-grensvoorwaarden toegepast in de x- en y-richting, terwijl de Floquet-poortvoorwaarde werd opgelegd langs de z-richting. Bovendien werd aangenomen dat een vlakke EM-golf het oppervlak van de MA treft. De absorptie (A) kan gedefinieerd worden als A(ω) = 1 - |S₁₁(ω)|² - |S₂₁(ω)|², waarbij S₁₁(ω) en S₂₁(ω) de reflectie- en transmissiecoëfficiënten zijn, respectievelijk. Aangezien de transmissiecoëfficiënt S₂₁(ω) nul is door de totale reflectie van de koperen grondvlak, kan de absorptie vereenvoudigd worden als A(ω) = 1 - |S₁₁(ω)|². De gesimuleerde reflectie- en absorptiespectra van de voorgestelde MA onder normale inval zijn getoond in Fig. 2a. De voorgestelde MA vertoont drie absorptiepieken bij 8,5, 13,5 en 17 GHz met absorptie van 99,9%, 99,5% en 99,9%, respectievelijk; de corresponderende Q-factor van elke resonante modus kan 26,8, 28,4 en 27,1 bereiken, respectievelijk.

Figuur 2b toont de absorptiespectra van de voorgestelde MA-structuur voor verschillende polarisatiehoeken. Men ziet dat de absorptie van de MA stabiel blijft voor polarisatiehoeken variërend van 0° tot 90°. Daarom is de voorgestelde MA ongevoelig voor polarisatie van invalsend EM-golven. Daarnaast onderzochten we de absorptie in de ontworpen MA bij schuine invalshoek (θ). Voor TE-polarisatie, zoals getoond in Fig. 2c, neemt de absorptie af naarmate θ toeneemt. Dit kan gebeuren omdat toenemende θ de horizontale component van de elektrische veldintensiteit voor TE-golven vermindert. Daarom neemt de effectiviteit van de circulerende stroom gegenereerd door het invalsende elektrische veld geleidelijk af. De drie absorptiepieken blijven echter boven 86% als θ 60° bereikt. Voor TM-polarisatie, zoals getoond in Fig. 2d, is de absorptie bij elke resonante piek groter dan 99% bij θ = 60°. Dit komt doordat absorptie in de voorgestelde MA minder gevoelig is voor veranderingen in elektrische veldintensiteit veroorzaakt door een toename van θ. Een ander voordeel van de voorgestelde MA is de absorptiefrequentie-stabiliteit, zoals getoond in Fig. 2, waar de drie distincte absorptiepieken niet significant veranderen als θ toeneemt.

Resultaten en discussie

Om een gedetailleerde uitleg van absorptie te faciliteren, worden de responspectra voor verschillende delen van de resonante structuur gepresenteerd in Fig. 3. Zoals getoond in Fig. 3, is elk element binnen de gepatroniseerde laag verantwoordelijk voor een individuele en intense resonantie. Als resultaat leidt een combinatie van deze elementen tot perfecte meerbandabsorptie. Als onderdeel van het MRR-ontwerp wordt een vierkante patch aan elk hoekpunt van de gesloten ring resonator toegevoegd, wat de elektrische lengte van de ring resonator vergroot en de absorptiefrequentie roodverschuift zonder de grootte van de structuur te vergroten.

Om het mechanisme van EM-golfabsorptie verder te verkennen, worden de oppervlactestroomdichtheidsverdelingen op de bovenste en onderste metallische lagen getoond die corresponderen met de drie absorptiepieken in Fig. 4. Men ziet dat de oppervlactestroom op de bovenste gepatroniseerde laag geconcentreerd is op de MRR, de SRR en de 7-vormige grafische structuren bij 8,5, 13,5 en 17 GHz, respectievelijk. De verdeling van de oppervlactestroom onthult ook de oorsprong van golfabsorptie, zoals getoond in Fig. 3. Vergeleken met de oppervlactestroom op de bovenste laag, is de intensiteit op de onderste grondlaag veel zwakker. De richting van de oppervlactestroom op de bovenste laag is anti-parallel ten opzichte van het grondvlak, wat resulteert in equivalente stroomlussen binnen de MA die een magnetische dipol opwekken. Tegelijkertijd toont Fig. 5 de amplitude van het elektrisch veld (|E|) in de MA voor invalsende TE-polarisatiegolven wanneer θ = 0°, 30° en 60°. Men ziet dat het elektrisch veld sterk geconcentreerd is op de horizontale balken van de MRR aangezien de MRR absorbeert bij 8,5 GHz. Bij 13,5 GHz, zoals getoond in Fig. 5b, is perfecte absorptie te danken aan de LC-resonantie in de SRR. Ten slotte is absorptie bij 17 GHz te danken aan een dipoleresonantie in de binnenste patch. De resonatoren in de bovenste laag ontwikkelen ook elektrisch resonanties. Zowel de magnetische als de elektrische resonanties bijdragen aan sterke EM-absorptie in de voorgestelde structuur. Bovendien toont Fig. 5 dat de veldintensiteit afneemt als θ toeneemt. Als resultaat neemt EM-golfabsorptie ook af met de toename van θ.

Figuur 6 toont de effecten van de MA-geometrie op absorptie in de voorgestelde MA. Zoals getoond in Fig. 6a, verschuiven de resonante frequenties naar hogere frequenties als a toeneemt. De relatie tussen de spleetbreedte b van de SRR en het absorptiespectrum wordt getoond in Fig. 6b. De equivalente capaciteit neemt af als b toeneemt; dus verschuift de centrale resonante piek naar hogere frequenties. De lagere en bovenste absorptiepieken blijven echter bijna onveranderd, wat een handige manier biedt om individuele absorptiefrequenties af te stellen. Bovendien wordt de afhankelijkheid van absorptie van de ringbalkbreedte w₂ gepresenteerd in Fig. 6c, waar zowel de lagere als de centrale resonante frequentie roodverschuiven als w₂ toeneemt. Als w₂ toeneemt, neemt de equivalente capaciteit toe omdat de afstand tussen de SRR en MRR afneemt, wat ertoe leidt dat de lagere en centrale resonante frequenties roodverschuiven. Ten slotte zal het vergroten van de balkbreedte w₃ een roodverschuiving in de bovenste resonante frequentie veroorzaken, zoals getoond in Fig. 6d. Aangezien de resonante modus bepaald wordt door de binnenste 7-vormige patch, verhoogt het vergroten van w₃ ook de equivalente inductie van de binnenste resonator. Daarom vertoont de resonante frequentie een roodverschuiving.

Een 240 mm × 160 mm prototype, corresponderend met 20 × 30 eenheidscellen, werd gefabriceerd, zoals getoond in Fig. 7a. Bij de monsterbereiding werd een dunne laag koper op het oppervlak van de polyimide gedampt, en vervolgens werden de patronen geëtst met laserablatie. De meetopstelling wordt getoond in Fig. 7b, waar absorptie in het monster getest werd met de vrije-ruimte methode. Een paar hoornantennes was verbonden met een vector netwerkanalyzer (Rohde & Schwarz ZVA 40) om reflectie van het monster te meten. Het reflectiespectrum voor een koperen plaat met dezelfde afmeting als het gefabriceerde monster werd gemeten en als referentie gebruikt. Het monster werd vervolgens op dezelfde locatie geplaatst en de echte reflectie van het monster werd berekend door de twee gemeten gereflecteerde vermogens af te trekken. Figuur 8a toont het reflectiespectrum gemeten van de koperen plaat en het gefabriceerde monster, terwijl de absorptie van de MA in Fig. 8b getoond wordt. De gemeten absorptie is 96%, 97% en 94% bij 8,7, 14,1 en 17,6 GHz, respectievelijk. Vergeleken met de simulatieresultaten, verschuiven de absorptiepiekfrequenties iets naar hogere frequenties door fabricatietoleranties en verschillen in de permitiviteit van het substraat.

Figuur 9 toont absorptie in de MA gemeten bij verschillende polarisatiehoeken van φ = 0°, 30° en 60°. Het resultaat toont dat de voorgestelde structuur ongevoelig is voor polarisatiehoek. Figuur 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.

Zoals eerder vermeld, werd de voorgestelde MA gefabriceerd op een hoog flexibele polyimide-film, die gebruikt kan worden in niet-planaire toepassingen. Zoals getoond in Fig. 11a, werd de absorber gebogen en bevestigd aan een cylinder met 8 cm straal, en de absorptie werd vervolgens gemeten. Figuur 11b toont absorptiespectra voor de platte en conformale absorber. Het kan waargenomen worden dat de absorptie van beide absorbers vergelijkbaar is. Bovendien was de piekabsorptie bij de drie resonante frequenties vergelijkbaar voor en na buigen, wat belangrijk is in conformale toepassingen.

Conclusie

Een ultradunne, flexibele MA met drie absorptiepieken wordt in dit artikel gepresenteerd. Vergeleken met eerdere ontwerpen is onze voorgestelde absorber ultradun met een totale dikte van 0,4 mm, wat ongeveer 1/88 is van de vrije-ruimte golflengte corresponderend met de lagere absorptiefrequentie. De voorgestelde drievoudige-band absorber vertoont hoge absorptie tot een invalshoek van 60° (boven 86% en 99% voor TE- en TM-polarisatie, respectievelijk). Tegelijkertijd 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 tonen aan dat de MA hoge absorptie vertoont bij grote invalshoeken. De absorber werd gefabriceerd op een flexibele polyimide-film die gemakkelijk gebruikt kan worden in niet-planaire en conformale toepassingen. De voorgestelde absorber heeft groot potentiële gebruik in energie-opwekking en elektromagnetische scherming.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder beperkingen.

Afkortingen

MA:

Metamateriaal-absorber

EM:

Elektromagnetisch

SRR:

Split-ring resonator

MRR:

Gemodificeerde ring resonator

FDTD:

Finite-difference time-domain