Manufaturação industrial
Internet das coisas industrial | Materiais industriais | Manutenção e reparo de equipamentos | Programação industrial |
home  MfgRobots >> Manufaturação industrial >  >> Industrial materials >> Nanomateriais

Absorvedor perfeito insensível à polarização e banda ultralarga usando metamateriais multicamadas, resistores com volume e efeitos de acoplamento forte

Resumo


Teórica e experimentalmente, propusemos uma nova estrutura de ultra-banda larga e absorvedor de metamaterial fino e perfeito carregado com resistências concentradas. O fino absorvedor era composto por quatro camadas dielétricas, microestruturas metálicas de ressonadores de anel duplo dividido (MDSRR) e um conjunto de resistores concentrados. Foi analisado o mecanismo de absorção da banda ultralarga e realizado estudo paramétrico para a operação de banda ultralarga. As características de banda ultralarga, insensibilidade à polarização e absorção imune ao ângulo foram sistematicamente caracterizadas pelo espectro de absorção angular, o campo elétrico próximo, as distribuições de corrente de superfície e as perdas dielétricas e ôhmicas. Os resultados numéricos mostram que o absorvedor de metamaterial proposto alcançou absorção perfeita com absortividade maior que 80% nas incidências normais dentro de 4,52 ~ 25,42 GHz (uma largura de banda absoluta de 20,9 GHz), correspondendo a uma largura de banda fracionada de 139,6%. Para verificação, um absorvedor de metamaterial fino foi implementado usando o método comum de placa de circuito impresso e, em seguida, medido em uma câmara anecóica de micro-ondas. Os resultados numéricos e experimentais concordaram bem entre si e verificaram a absorção perfeita de banda ultralarga insensível à polarização desejada.

Histórico


Como um material artificialmente projetado, o metamaterial atraiu um interesse significativo porque exibiu fantásticas propriedades eletromagnéticas incomuns ou difíceis de obter na última década [1,2,3]. Com o rápido desenvolvimento, metamaterial com anisotropia de massa dinâmica tem sido aplicado para desenvolver mantos acústicos, hiperlentes, absorventes perfeitos, lentes de índice de gradiente [4,5,6,7], metalense, barreira optofluídica, conversor de polarização, etc. [8,9 , 10,11,12,13,14,15,16]. Em particular, o absorvedor de metamaterial perfeito (PMA) com perfil ultrafino e absorção próxima à unidade foi proposto pela primeira vez por Landy et al. [6]. Em relação aos absorvedores convencionais, o absorvedor de metamateriais, que oferece grandes benefícios de perfil fino, maior miniaturização, maior eficácia e adaptabilidade mais ampla, tornou-se aplicações promissoras de metamateriais. Posteriormente, os pesquisadores fazem vários esforços no PMA para alcançar a absorção de grande ângulo incidente [17,18,19], absorção multibanda [20, 21], absorção insensível à polarização [22,23,24] e a absorção sintonizável [25 , 26]. No entanto, absorvedores com largura de banda estreita limitam suas aplicações na prática. Portanto, é necessário projetar o absorvedor de metamaterial ultra-banda larga, insensível à polarização e fino.

Para aumentar a largura de banda de absorção, vários métodos, como por meio do uso do mecanismo de multirressonância [27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], as estruturas fractais [39], as multicamadas [40,41,42,43,44], o meio magnético [45, 46] e o carregamento dos elementos concentrados [47,48,49] foram propostos no projeto de absorvedores de metamateriais gigahertz e terahertz. Por exemplo, um absorvedor perfeito insensível à polarização de banda larga exibindo uma largura de banda de 9,25 GHz foi projetado em uma única camada com base nos metamateriais de anel octogonal duplo e resistências concentradas [50]. Além disso, um absorvedor inspirado em metamaterial perfeito gigahertz foi proposto, o qual era composto por substratos de três camadas, anéis serrilhados duplos e um fundo de metal [51]. Embora uma largura de banda relativa de 93,5% tenha sido obtida, a largura de banda de absorção ainda é insuficiente para aplicações como proteção eletromagnética, furtividade e guerra eletrônica.

Diferente dos absorvedores de metamateriais anteriores, propusemos um absorvedor de metamateriais de banda ultra-larga e fina, combinando as absorções ressonante e resistiva usando fortes efeitos de acoplamento. O absorvedor era composto por quatro camadas dielétricas, dois ressonadores metálicos de anel duplo dividido (MDSRR) e vários resistores concentrados. As características de absorção insensível à polarização e de grande incidência foram verificadas numericamente e experimentalmente. Este absorvedor de metamaterial perfeito é promissor para muitas aplicações práticas, como redução de espalhamento cruzado de radar, furtividade e proteção eletromagnética em diferentes plataformas de vôo.

Métodos


O meta-átomo do PMA de banda ultralarga proposto consiste em quatro camadas dielétricas, microestruturas DSRR metálicas duplas e as resistências concentradas na Fig. 1. Para obter a interferência destrutiva, o espaçador dielétrico superior (primeiro) com uma constante dielétrica de 4,4 e um ângulo de perda tangente de 0,02 é necessário como um substrato de revestimento anti-reflexo para aumentar a largura de banda de absorção. As espessuras das quatro camadas dielétricas são d 1 , d 2 , d 3 e d 4 . A constante dielétrica e o ângulo de perda tangente dos substratos residuais são todos 4,2 e 0,02 (ε r =4,2, tanδ =0,02), respectivamente. Conforme indicado na Fig. 1 (d), a primeira microestrutura MDSRR (F-MDSRR) com quatro resistências concentradas está no segundo substrato. O ressonador de anel dividido metálico I (SRR-I) e o ressonador de anel dividido II (SRR-II) estão, respectivamente, no terceiro e no substrato inferior que constituem a segunda microestrutura metálica DSRR (S-MDSRR). As microestruturas F-MDSRR e S-MDSRR são de cobre com a condutividade de 5,8 × 10 7 S / me espessura de 0,036 mm. O comprimento do meta-átomo para o PMA proposto é P =8,4 mm. Conforme mostrado na Fig. 1 (b) e (c), os comprimentos de SRR-I e SRR-II são a 1 e a 2 . Suas larguras são w 1 e w 2 . Os comprimentos e larguras de F-MDSRR, conforme indicado na Fig. 1 (d), são representados por a 3 , a 4 , w 3 e w 4 . As resistências carregadas nos anéis de divisão interno e externo são denotadas por R 1,2 e R 3,4 . E s denota o comprimento das divisões para F-MDSRR e S-MDSRR. O PMA proposto é projetado, analisado e otimizado em simulação. Uma simulação eletromagnética de onda completa é realizada usando o ANSYS Electro-magnetics Suite 15.0 baseado em análise de elemento finito. O absorvedor proposto é simulado e otimizado com parâmetros de d 1 =2 mm, d 2 = d 3 =1 mm, d 4 =1 mm, w 1 = w 2 = w 3 = w 4 =0,8 mm, P =8,4 mm, R 1,2 =60 Ω, R 3,4 =180 Ω, a 1 =7,8 mm, a 2 =6,6 mm, a 3 =5 mm, a 4 =3,4 mm e s =1,2 mm.

Geometria esquemática da célula unitária para o absorvedor de metamaterial perfeito de banda ultralarga. ( a ) O esquema 3D de uma célula unitária. ( b ) A camada inferior do PMA proposto com o ressonador de anel dividido-II (SRR-II). ( c ) A terceira camada do PMA proposto com o ressonador de anel dividido-I (SRR-I). ( d ) A segunda camada do PMA proposto com a primeira microestrutura metálica DSRR (F-MDSRR) e quatro resistências concentradas. Os parâmetros otimizados do PMA foram d 1 =2 mm, d 2 = d 3 = d 4 =1 mm, w 1 = w 2 = w 3 = w 4 =0,8 mm, P =8,4 mm, R 1,2 =60 Ω, R 3,4 =180 Ω, a 1 =7,8 mm, a 2 =6,6 mm, a 3 =5 mm, a 4 =3,4 mm, s =1,2 mm. A espessura do cobre é 0,036 mm

Para explorar o mecanismo de absorção para o PMA de banda ultralarga proposto, as condições de contorno periódicas (PBCs) e a porta Floquet foram aplicadas para simular as células periódicas infinitas. A onda eletromagnética (EM) seria gradualmente absorvida pelo absorvedor de acordo com as condições de anti-reflexo. Ambas as ressonâncias magnéticas e elétricas seriam ativadas de forma independente, o que poderia confinar a onda na célula PMA. A onda pode ser gradualmente absorvida pela perda dielétrica. Pode-se conseguir que a permissividade magnética seja igual à permissividade elétrica, resultando na absortividade perfeita para ondas EM incidentes. Em uma perspectiva mais direta, a absortividade foi definida como [52,53,54,55]
$$ A (f) =1-T (f) -R (f) =1 - {\ left | {S} _ {21} \ right |} ^ 2 - {\ left | {S} _ {11} \ right |} ^ 2 $$ (1)
A fim de maximizar a absortividade A ( f ), poderíamos minimizar a transmissão T ( f ) ( T ( f ) =| S 21 | 2 ) e a reflexão R ( f ) ( R ( f ) =| S 11 | 2 ) simultaneamente. A absortividade pode ser calculada por A ( f ) =1 - R ( f ) porque o PMA apresentado foi bloqueado pela placa metálica sem padrões na camada inferior (então a transmissão foi zero, T ( f ) =| S 21 | 2 =0). Assim, a absortividade do PMA apresentado pode ser calculada por
$$ A (f) =1-R (f) =1 - {\ left | {S} _ {11} \ right |} ^ 2 $$ (2)
A partir da Eq. (2), é óbvio que a absorção é próxima de 100% ( A ( f ) ≈ 100%) quando a reflexão é próxima de zero ( R ( f ) ≈ 0). É necessário observar que o S 11 os componentes incluem a reflexão de ondas EM co-polarizadas e a reflexão de ondas EM com polarização cruzada [56,57,58]. Portanto, o S 11 componentes podem ser expressos como:
$$ {\ left | {S} _ {11} \ right |} ^ 2 ={\ left | {S} _ {11, xx} \ right |} ^ 2 + {\ left | {S} _ {11 , xy} \ right |} ^ 2 $$ (3)
Assim, com base na Eq. (3), a Eq. (2) poderia ser avaliada por
$$ A (f) =1-R (f) =1 - {\ left | {S} _ {11, xx} \ right |} ^ 2 - {\ left | {S} _ {11, xy} \ direita |} ^ 2 $$ (4)
onde o xx e xy denotam a co-polarização e a polarização cruzada. No projeto PMA proposto, o | S 11 | compreende os componentes da co-polarização e da polarização cruzada. Além disso, o reflexo de PMA na incidência normal é dado por [6, 21]:
$$ R (f) =\ frac {z _ {\ mathrm {ef}} (f) - {\ eta} _0} {z _ {\ mathrm {ef}} (f) + {\ eta} _0} $$ ( 5)
onde η 0 , cerca de 377 Ω, representa a impedância do espaço livre. z eff ( f ) é a impedância efetiva do PMA. A impedância efetiva inclui as resistências concentradas no PMA proposto, a impedância de superfície que deve obter uma grande dissipação ressonante e a impedância do substrato devido à alta tangente. Por substituição de (5) em (4), a absortividade A também pode ser escrito por:
$$ A (f) =\ frac {2 {\ eta} _0} {\ operatorname {Re} \ left [{z} _ {\ mathrm {eff}} (f) \ right] + i \ cdot \ operatorname { Im} \ left [{z} _ {\ mathrm {eff}} (f) \ right] + {\ eta} _0} $$ (6)
onde Re [ z eff ( f )] e Im [ z eff ( f )] são respectivamente a parte real e a parte imaginária de z eff ( f ) Quando o PMA proposto está nos modos ressonantes, a absorção é próxima de um ( A =1). Pela expressão de (6), sabemos que quando A =1, Re [ z eff ( ω )] e Im [ z eff ( ω )] pode ser calculado como:
$$ \ operatorname {Re} \ left ({z} _ {\ mathrm {eff}} \ left (\ upomega \ right) \ right) =377 \ Omega, \ kern0.5em \ operatorname {Im} \ left ({ z} _ {eff} \ left (\ upomega \ right) \ right) =0 $$ (7)
Verifica-se que a absorção é próxima de 100%, quando a parte real e a parte imaginária da impedância efetiva estão respectivamente próximas a 377 Ω e 0. A absortividade é aumentada devido aos diferentes modos ressonantes. Geralmente, a absorção excelente pode ser obtida porque a permissividade efetiva é igual à permeabilidade efetiva. Assim, a absorção de banda larga seria alcançada modulando os parâmetros efetivos.

O absorvedor de metamaterial de banda ultralarga foi simulado empregando-se o software comercial Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS 18.0), que se baseou no método de análise de elementos finitos. No cálculo, uma onda eletromagnética plana com o campo elétrico ao longo da direção de x -eixo foi usado como as incidências, que foi perpendicularmente irradiado para a estrutura de ressonância ao longo da direção do z -eixo (mostrado na Fig. 1). A faixa de frequência de 1,0 a 30 GHz das incidências foi utilizada na simulação. O tamanho das incidências deve ser ligeiramente maior do que o período apresentado da estrutura; ao mesmo tempo, tempos de simulação suficientes e os limites adequados (limites periódicos nas direções de x - e y -eixo e camadas perfeitamente combinadas na direção de z -eixo) deve ser utilizado para garantir a precisão dos resultados dos cálculos.

Resultados e discussão


A amplitude simulada de S 11 , absorção, impedância efetiva e componentes de reflexão da polarização cruzada de 1 a 30 GHz são mostrados na Fig. 2. Como mostrado na Fig. 2a, pode-se ver que o PMA proposto exibiu reflexão mais baixa de banda ultralarga de 4,5 a 25,5 GHz do que o PMA usando a mesma microestrutura sem resistências concentradas. Especialmente, as diferenças entre a microestrutura com e sem resistências concentradas eram evidentes de 9 a 14 GHz e de 19 a 21 GHz. Na Fig. 2b, podemos ver que a absorção de banda ultralarga de 4,52 a 25,42 GHz com absortividade maior que 80% poderia ser obtida para o PMA proposto e a absorção se deterioraria para a microestrutura proposta sem resistências concentradas obviamente. As partes real e imaginária da impedância efetiva foram respectivamente próximas a 377 Ω e 0 para o PMA proposto na frequência de ressonância de 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 e 25,42 GHz na Fig. 2c. Quanto mais a absortividade perto de 100%, mais as partes real e imaginária da impedância efetiva foram, respectivamente, perto de 377 Ω e 0. Da Fig. 2d, os componentes de reflexão da polarização cruzada foram cerca de zero para o absorvedor proposto de 1 a 30 GHz. Foi necessário notar que os componentes de reflexão | S 11, xy | 2 de polarização cruzada foi de cerca de 0,35 a 2,8 GHz para a microestrutura proposta sem resistências concentradas. Este fenômeno foi causado pela estrutura assimétrica e os modos de ressonador fracos na frequência. Portanto, as resistências concentradas foram importantes para o design do PMA de banda ultra larga. Da Fig. 2b, d, a parte real e a parte imaginária da permissividade efetiva foram respectivamente aproximadas daquela da permeabilidade efetiva para o PMA proposto de 4,52 a 25,42 GHz. A parte imaginária do índice de refração era mais do que zero nesta banda. Consequentemente, a ultra-banda larga pode ser exibida para o PMA apresentado.

O simulado | S11 |, absorção, parâmetros efetivos, impedâncias efetivas e índice de refração de 1 a 30 GHz para o absorvedor de metamaterial de banda ultralarga perfeito carregado com resistências concentradas e a mesma microestrutura sem as resistências concentradas. a Simulado | S11 | resultados. b Resultados de absorção simulados e parâmetros eficazes. c As impedâncias efetivas do PMA proposto com resistências concentradas e a mesma microestrutura sem resistências concentradas. d Os componentes de reflexão da polarização cruzada para o PMA proposto com resistências concentradas e a mesma microestrutura sem resistências concentradas e o índice de refração do PMA apresentado

Um estudo paramétrico foi realizado pelo ANSYS HFSS Solver. Neste estudo, o objetivo principal era alcançar a absorção de ultra-banda larga. De acordo com este objetivo, alguns parâmetros das resistências concentradas R 1,2 e R 3,4 nos anéis separados internos e externos, o comprimento da célula P do PMA, o comprimento s das divisões para F-MDSRR e S-MDSRR, a espessura d 1 do substrato de revestimento anti-reflexo, e a espessura d 2 foram selecionados no estudo.

A Figura 3a mostra a absorção simulada, quando o PMA proposto adotou as resistências concentradas de R 1,2 =50 Ω, 60 Ω, 100 Ω, 150 Ω. Ao adotar R 1,2 , a absorção foi melhorada obviamente de 19 para 25 GHz. Enquanto R 1,2 deslocadas de 50 para 150 Ω, as resistências concentradas tiveram um leve efeito na absorção em baixa frequência. Portanto, ao selecionar um valor adequado para R 1,2 =60 Ω, o PMA proposto obteve a absorção ultra-banda larga. Conforme mostrado na Fig. 3b, o R 3,4 afetou principalmente a absorção na faixa de 6 ~ 17 GHz e 21 ~ 23 GHz. Para absorção de banda larga, R 3,4 foi escolhido para ser 180 Ω. O comprimento foi outro parâmetro crítico. O caso com diferentes comprimentos de células PMA e divisões para F-MDSRR e S-MDSRR foi estudado. A Figura 3c mostra que a absorção de 21 a 25 GHz foi muito sensível ao comprimento P da célula PMA. Para alcançar a absorção de banda larga, selecionamos P =8,4 mm. Na Fig. 3d, ficou claro que o PMA teve absorção de banda larga em baixa frequência e a largura de banda foi influenciada por s que foi deslocado de 0,6 para 1,5 mm. De acordo com o padrão de absortividade mais de 0,8, s =1,2 mm foi selecionado para obter absorção de banda larga para o PMA proposto. Os efeitos das espessuras do substrato de revestimento anti-reflexo d 1 são ilustrados na Fig. 3e. Era óbvio que a espessura d 1 influenciou a absorção de banda larga de 7 a 30 GHz e d 1 =2,0 mm foi escolhido para o projeto de PMA de banda larga. Os resultados de absorção com diferentes d 2 são apresentados na Fig. 3f. Ficou claro que d 2 foram os principais parâmetros para PMA de banda larga em alta frequência. Para alcançar a absorção de ultra-banda larga, o otimizado d 2 de 1,0 mm foi selecionado no projeto PMA.

A absorção resulta de 1 a 30 GHz para o absorvedor de metamaterial de banda ultralarga perfeito proposto com parâmetros diferentes. a Resultados de absorção do PMA com diferentes R a valores. b Resultados de absorção do PMA com diferentes R b valores. c Resultados de absorção do PMA com diferentes comprimentos de P . d Resultados de absorção do PMA com diferentes comprimentos de s . e Resultados de absorção do PMA com diferentes espessuras de d 1 . f Resultados de absorção do PMA com diferentes espessuras de d 2

Das Figs. 2 e 3, pode-se ver que a largura de banda de absorção do PMA proposto foi sensível às espessuras de d 1 e d 2 , e os valores das resistências concentradas. Além disso, as divisões no F-MDSRR e S-MDSRR foram necessárias para alcançar a absorção de banda larga em nosso projeto. Conseqüentemente, as espessuras e as resistências concentradas precisavam ser otimizadas para absorção de banda ultralarga.

Para explorar o mecanismo de absorção de banda ultralarga, as distribuições de corrente de superfície e as distribuições de campos elétricos próximos do PMA foram fornecidas na Fig. 4 na frequência de ressonância de 5,1, 14,5, 19,1, 20,8 e 25,4 GHz. O efeito de absorção de ressonância requintado na Fig. 4a foi exibido, o qual foi atribuído principalmente ao SRR-I para a microestrutura S-MDSRR e os anéis de divisão externos para a microestrutura F-MDSRR a 5,13 GHz. O forte acoplamento entre as microestruturas S-MDSRR e F-MDSRR levou à absorção de ressonância. A partir da Fig. 4c, pode-se ver que o pico de absorção em 14,49 GHz para o absorvedor proposto seria obtido devido à microestrutura F-MDSRR com quatro resistências concentradas e o forte acoplamento na microestrutura F-MDSRR. Conforme apresentado na Fig. 4e, o presente PMA de banda ultralarga atingiu ressonância de absorção resultante dos anéis inter-divididos para F-MDSRR e os efeitos de acoplamento entre SRR-II e SRR-I. Em 20,77 GHz, o pico de absorção foi causado principalmente pelos anéis inter-divididos para F-MDSRR na Fig. 4g. Os fortes efeitos de acoplamento entre os anéis de divisão externos para F-MDSRR e o SRR-II para microestrutura S-MDSRR foram obtidos a partir da Fig. 4i. Foi necessário notar que a ressonância dipolo, a indutância equivalente e a ressonância de capacitância, e a ressonância de acoplamento foram de fundamental importância para alcançar a absorção de ultra-banda larga. A partir da Fig. 4b, d, f, h e j, pode-se descobrir que os campos elétricos próximos de 5,13 GHz no espaço superior eram diferentes daqueles de outra frequência de resposta devido aos efeitos de acoplamento mais fortes entre o SRR-I e os anéis de divisão externos. O tipo de absorção de ressonância em 14,49, 19,1 e 20,8 GHz foram iguais entre si, e seus picos de absorção foram alcançados pela microestrutura F-MDSRR. Pode-se verificar que quanto mais densidade do PMA exibida, melhor absorção do PMA alcançada. Conforme mostrado na Fig. 4j, havia seis pontos no espaço ( A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , A 5 , A 6 ,) próximo ao ponto de origem com forte densidade. Esses fenômenos físicos foram todos ilustrados pelos efeitos de acoplamento e modos de alta ordem para o PMA de banda ultra larga proposto. Consequentemente, os efeitos de acoplamento entre as diferentes microestruturas e os modos de alta ordem foram o componente crucial para projetar o PMA de banda larga.

As distribuições de corrente de superfície da microestrutura F-MDSRR, microestrutura S-MDSRR e plano de aterramento e os campos elétricos próximos do PMA na frequência de ressonância de 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 e 25,42 GHz. a Distribuições de corrente de superfície em 5,13 GHz. b Próximo a distribuições de campos elétricos em 5,13 GHz. c Distribuições de corrente de superfície em 14,49. d Próximo a distribuições de campos elétricos em 14,49 GHz. e Distribuições de corrente de superfície a 19,05 GHz. f Próximo a distribuições de campos elétricos em 19,05 GHz. g Distribuições de corrente de superfície em 20,77 GHz. h Perto de distribuições de campos elétricos em 20,77 GHz. eu Distribuições de corrente de superfície em 25,42 GHz. j Quase distribuições de campos elétricos em 25,42 GHz

Os resultados simulados de absorção do presente PMA com diferentes ângulos de teta e phi são discutidos na Fig. 5 para as ondas incidentes eletromagnéticas transversais (TEM). Na Fig. 5a, podemos ver que o PMA proposto exibiu a alta absortividade de 4,5 a 25 GHz com teta =0 °. conforme o ângulo de phi mudou de 0 para 360 °. Era óbvio que a absorção diminuiu drasticamente para o ângulo aumentado de 70 para 80 ° ou diminuiu de -70 para -80 ° na Fig. 5b. Geralmente, a ultra banda larga e a absorção de grande angular podem ser obtidas para o PMA proposto com o ângulo de teta deslocado de -70 para 70 ° e o ângulo de phi aumentado de 0 para 360 °. Para ilustrar a absorção excelente, os resultados de absorção simulada na frequência de ressonância de 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 e 25,42 GHz são dados com - 90 °
Os resultados de absorção do presente PMA de banda ultralarga com diferentes ângulos de teta e phi. a Os resultados de absorção do PMA com diferentes ângulos de phi de 1 a 30 GHz (teta =0 graus). b Resultados de absorção do PMA com diferentes ângulos de teta de 1 a 30 GHz (phi =0 °). c Resultados de absorção a 5,13 GHz com - 90 ° d Resultados de absorção a 14,49 GHz com - 90 ° e Resultados de absorção a 19,05 GHz com - 90 ° f Resultados de absorção em 20,77 GHz com - 90 ° g Resultados de absorção em 25,42 GHz com - 90 °
Para interpretar a insensibilidade polarizada do PMA de banda ultra larga para incidências polarizadas elétricas transversais (TE) e magnéticas transversais (TM), apresentamos a absorção oblíqua, as distribuições de corrente de superfície a 12 GHz e os campos elétricos próximos a 12 GHz na Fig. 6. Da Fig. 6a, b, é óbvio que os resultados da absorção oblíqua na incidência polarizada TM foram os mesmos que na incidência polarizada TE. As mesmas absorções oblíquas com incidências diferentes foram atribuídas ao mecanismo de absorção e à microestrutura presente. Por exemplo, as distribuições de corrente de superfície e campos elétricos próximos a 12 GHz com incidências polarizadas TE e TM foram exploradas para ilustrar a insensibilidade polarizada do PMA de ultra-banda larga na Fig. 6c-f. Foi relatado que o PMA apresentado exibiu as mesmas distribuições de corrente de superfície e campos elétricos próximos com diferentes ondas incidentes polarizadas. Consequentemente, a característica de insensibilidade polarizada pode ser alcançada para este PMA de banda ultra larga.

Os resultados de absorção, distribuições de corrente de superfície e campos elétricos próximos do PMA de banda ultralarga atual com diferentes incidências polarizadas. a Os resultados de absorção oblíqua do PMA com incidências polarizadas TE de 1 a 30 GHz com teta alterado de 0 a 60 °. b . Os próximos campos elétricos de PMA em 12 GHz com incidências polarizadas TE. c As distribuições de corrente de superfície de PMA a 12 GHz com incidências polarizadas TE. d Os resultados de absorção oblíqua do PMA com incidências polarizadas TM de 1 a 30 GHz com teta alterado de 0 a 60 °. e As distribuições de corrente de superfície de PMA a 12 GHz com incidências polarizadas TM. f Os próximos campos elétricos de PMA a 12 GHz com incidências polarizadas TM

A fim de elaborar as perdas dielétricas e ôhmicas, a Fig. 7 mostra a densidade de perda de volume (VLD) dos substratos e resistências concentradas para o PAM proposto em 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 e 25,42 GHz. Na Fig. 7a, podemos observar que o VLD aumentou conforme a frequência de ressonância passou de 5,13 para 25,42 GHz. Os diferentes modos podem ser obtidos a partir das perdas ôhmicas das resistências concentradas na Fig. 7b. A densidade de perda de volume de R 34 era nitidamente mais do que R 12 a 5,13 GHz. A diferença diminuiria em 14,49 GHz. Em 19,05 GHz e 20,77 GHz, o VLD de R 34 era ligeiramente inferior ao de R 12 . Quando era 25,42 GHz, as densidades de perda de volume de R 34 e R 12 eram menos do que as de outras frequências. Era óbvio que as perdas ôhmicas na faixa de 1 × 10 5 com mm 3 para 1 × 10 7 com mm 3 foram mais do que as perdas dielétricas com a faixa de 100 w / mm 3 para 1 × 10 7 com mm 6 . Consequentemente, as perdas ôhmicas e dielétricas foram importantes para este absorvedor de banda ultralarga proposto pelas Figs. 3 (e) e (f) e 7.

As perdas dielétricas e ôhmicas dos substratos e as resistências concentradas para o PAM proposto em 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 e 25,42 GHz. a A densidade de perda de volume (VLD) de substratos na frequência de ressonância. b A densidade de perda de volume (VLD) de resistências concentradas na frequência de ressonância

Fabricação e medição


Para verificar os caracteres, dois dispositivos de 900 células (30 × 30) do PMA de banda ultralarga proposto são fabricados e ilustrados na Fig. 8. O dispositivo foi medido empregando o método de teste de espaço livre em um micro-ondas anecóico câmara. A amostra de PMA de banda ultra larga foi fabricada usando um processo litográfico óptico em três substratos ( ε r =4,2 e tanδ =0,02) com espessura de 2 mm, 1 mm, 1 mm e 1 mm. Duas antenas de corneta de ganho padrão polarizadas linearmente como o transmissor e o receptor foram conectadas ao Agilent Vector Network Analyzer (VNA, N5230C). Para eliminar a interferência do ambiente, a função de gating no domínio do tempo no Network Analyzer foi adotada nos experimentos. Os dispositivos foram colocados verticalmente no centro de uma plataforma giratória para garantir que a onda EM pudesse ser semelhante a uma onda plana na frente do dispositivo. A distância entre as antenas e os dispositivos em teste satisfez a condição de campo distante.

Protótipos dos dispositivos PMA de banda ultralarga propostos em uma câmara anecóica de micro-ondas

The experimental results of angular absorption for the proposed PMA sample are given in Fig. 9 when the incident angle (θ ) shifted from 0 to 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. a 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

Conclusion


In conclusion, we have proposed, designed, and fabricated an ultra-wideband perfect metamaterial absorber with polarized-insensitivity and wide-incident absorption. The angular absorption spectrum, surface current, and near electric-field distributions were explored to validate the excellent characteristics of the proposed perfect metamaterial absorber with strong coupling effects. The fabricated metamaterial absorber device was fabricated, measured, and analyzed. The experimental results indicated that the ultra-broadband absorption from 4.48 to 25.46 GHz could be achieved with absorptivity larger than 80% with normal incidences for x -polarization and y -polarization. For the oblique incidences with the incident angle of 45°, the perfect metamaterial absorber exhibited the relative bandwidth of 136% with absorptivity larger than 60% for different polarized incidences. This perfect metamaterial absorber device with the innovation is promising for many practical applications such as radar cross scatter reduction and electromagnetic protection in different flight platform.

Abreviações

EM:

Eletromagnética
MDSRR:

Metallic double split ring resonators
PBCs:

Periodic boundary conditions
PMA:

Perfect metamaterial absorber
SRR-I:

Split ring resonator-I
SRR-II:

Split ring resonator-II
TE:

Transverse electric
TEM:

Transverse electromagnetic
TM:

Transverse magnetic

Nanomateriais

  1. Absorvedor perfeito de banda larga com monocamada MoS2 e matriz hexagonal de nitreto de titânio nanodisco
  2. Absorvedor perfeito de banda ultra-estreita e sua aplicação como sensor plasmônico na região visível
  3. Os efeitos de acoplamento de polaritons de plasma de superfície e ressonâncias de dipolo magnético em metamateriais
  4. Efeitos de fotocondutividade, sensibilidade de pH, ruído e comprimento do canal em sensores FET de nanofios de Si
  5. Otimização da absorção de banda larga e multibanda de grafeno monocamada em frequências ópticas de ressonâncias de dipolo magnético múltiplo em metamateriais
  6. Projeto de absorvedor de metamaterial Terahertz Quad-Band usando um ressonador retangular perfurado para aplicações de detecção
  7. Influência do substrato para o comprimento de onda e força do acoplamento LSP
  8. Efeitos das variações de gravação na formação do canal Ge / Si e desempenho do dispositivo
  9. Efeito da dispersão superficial de elétrons nas proporções de absorção óptica e dispersão para extinção de nanoconcha de ouro
  10. Absorventes visíveis por evaporação e recozimento em larga escala, ajustáveis ​​por largura de banda