Um absorvedor de metamaterial de banda tripla ultrafino com estabilidade de ângulo amplo para incidentes para aplicações conformadas na banda de frequência X e Ku

Resumo

Um absorvedor de metamaterial ultrafino e flexível (MA) com picos de absorção triplos é apresentado neste artigo. O absorvedor proposto foi projetado de forma que três picos de absorção estejam localizados em 8,5, 13,5 e 17 GHz (bandas X e Ku) com absorção de 99,9%, 99,5% e 99,9%, respectivamente. A estrutura proposta tem apenas 0,4 mm de espessura, o que é aproximadamente 1/88, 1/55 e 1/44 para os respectivos comprimentos de onda de frequência de absorção no espaço livre em várias bandas. O MA também é insensível devido à sua geometria simétrica. Além disso, a estrutura proposta exibe absorção mínima de 86% (incidência TE) dentro de um ângulo de incidência de 60 °. Para incidência de TM, o absorvedor proposto exibe mais de 99% de absortividade até 60 ° de incidência. As distribuições da corrente de superfície e do campo elétrico foram investigadas para analisar o mecanismo que governa a absorção. As análises de parâmetros foram realizadas para otimização da absorção. Além disso, o desempenho do MA foi experimentalmente demonstrado em espaço livre em uma amostra em teste com células unitárias de 20 × 30 fabricadas em um dielétrico flexível. Sob incidência normal, o MA fabricado exibe absorção quase perfeita em cada pico de absorção para todos os ângulos de polarização, e os resultados experimentais foram considerados consistentes com os resultados da simulação. Devido às suas vantagens de absorção de alta eficiência em uma ampla gama de ângulos de incidência, o absorvedor proposto pode ser usado na captação de energia e blindagem eletromagnética.

Introdução

Nos últimos anos, os metamateriais têm recebido grande preocupação devido às suas propriedades exóticas, como índice de refração negativo [1], imagem perfeita [2] e efeitos Doppler inversos [3]. Devido a essas propriedades, metamateriais têm sido propostos para uso em vários dispositivos, como cloaking eletromagnético (EM) [4], detecção ultra-sensível [5], filtros [6, 7] e absorvedores [8,9,10, 11,12]. Em particular, os absorvedores de metamaterial (MAs), em comparação com os absorvedores de micro-ondas tradicionais, são usados em uma variedade de campos, desde militares até eletrônicos de consumo. MAs tendem a ser leves e finos.

Em 2008, um MA perfeito foi apresentado pela primeira vez por Landy et al. [13]. Posteriormente, diferentes tipos de MAs, como banda única [14, 15], banda dupla [16,17,18,19,20,21], banda múltipla [22,23,24,25,26,27 ], e absorvedores de banda larga [28,29,30,31,32,33,34,35,36], foram apresentados por vários pesquisadores. Entre esses MAs, os MAs multibanda permitem a absorção perfeita em várias frequências discretas, permitindo aplicações como o sensoriamento multibanda. Em geral, um MA multibanda pode ser configurado com dois métodos. O primeiro método é comumente conhecido como método de construção coplanar, onde vários ressonadores de diferentes tamanhos são formados em uma estrutura de superunidade [37, 38]. O segundo método envolve empilhamento vertical de estruturas multicamadas alternadas [39, 40]. No entanto, nenhum desses métodos é ideal para fabricar uma estrutura que forneça absorção multibanda. Por exemplo, o método de construção coplanar leva a uma expansão inevitável do tamanho da unidade MA, enquanto o projeto em camadas não pode eliminar a desvantagem de grande espessura e peso pesado da estrutura. Recentemente, alguns projetos estruturais simplificados foram apresentados para atingir a absorção multibanda [41, 42]; no entanto, a absorção em grande ângulo de incidência ainda precisa ser melhorada.

Neste artigo, propomos um método de design que combina a vantagem de tamanho compacto, ultrafino, leve e fácil de fabricar. Em mérito do projeto de célula unitária, o MA de banda tripla proposto exibe alta absorção, mesmo em ângulos de incidência amplos. Os resultados da simulação revelam três bandas de absorção distintas com absorção de pico de 99,9%, 99,5% e 99,9% a 8,5, 13,5 e 17 GHz, respectivamente. A estrutura simétrica do MA garante que sua absorção seja insensível a diferentes ângulos de polarização. Além disso, a MA proposta oferece absorção superior a 86% e 99% quando ondas TE e TM polarizadas incidem em um ângulo de incidência de 60 °, respectivamente. A relação entre vários parâmetros geométricos e o espectro de absorção foi examinada. Para validar o desempenho de absorção do MA, um protótipo com células de 20 × 30 unidades foi fabricado, e os resultados experimentais são consistentes com os resultados da simulação. Devido à sua baixa espessura e eficácia para uma ampla gama de ângulos de incidência, a estrutura MA foi fabricada em um filme de poliimida altamente flexível, que pode ser usado em aplicações não planas e conformadas.

Métodos / Experimental

A Figura 1 mostra a geometria da célula unitária para o MA proposto, que consiste em uma camada de ressonância, uma camada dielétrica e uma camada de terra metálica. A estrutura ressonante combina um ressonador de anel dividido (SRR), um ressonador de anel modificado (MRR) e oito estruturas idênticas em forma de 7, cada uma girada 45 ° ao longo do centro da unidade. A camada padronizada superior e a camada inferior do solo são feitas de cobre com 0,02 mm de espessura e uma condutividade elétrica de 5,8 × 10 ⁷ S / m. O substrato foi fabricado em poliimida com permissividade relativa de 2,9 e tangente de perda de 0,02. Os parâmetros otimizados do MA estão listados na Tabela 1.

Os espectros de absorção simulados do MA proposto foram determinados a partir de uma simulação no domínio do tempo de diferenças finitas (FDTD). Na simulação, as condições de contorno da célula unitária foram aplicadas nas direções xey, enquanto a condição da porta Floquet foi imposta ao longo da direção z. Além disso, presumiu-se que uma onda EM plana atinge a superfície do MA. A absortividade ( A ) pode ser definido como \ (A \ left (\ upomega \ right) =1- {| {S} _ {11} (\ upomega) |} ^ {2} - {| {S} _ {21} (\ upomega) |} ^ {2} \), onde \ ({S} _ {11} (\ upomega) \) e \ ({S} _ {21} (\ upomega) \) são os coeficientes de reflexão e transmissão , respectivamente. Uma vez que o coeficiente de transmissão \ ({S} _ {21} (\ upomega) \) é zero devido à reflexão total do plano de aterramento de cobre, a absortividade pode ser simplificada como \ (A \ left (\ upomega \ right) =1 - {| {S} _ {11} (\ upomega) |} ^ {2} \). Os espectros de reflexão e absorção simulados do MA proposto sob incidência normal são mostrados na Fig. 2a. O MA proposto exibe três picos de absorção em 8,5, 13,5 e 17 GHz com absorção de 99,9%, 99,5% e 99,9%, respectivamente; o Q correspondente fator de cada modo ressonante pode atingir 26,8, 28,4 e 27,1, respectivamente.

A Figura 2b mostra os espectros de absorção da estrutura MA proposta para diferentes ângulos de polarização. Pode-se observar que a absorção do AM permanece estável para ângulos de polarização variando de 0 ° a 90 °. Portanto, o MA proposto é insensível à polarização de ondas EM incidentes. Além disso, investigamos ainda mais a absorção no MA projetado no ângulo oblíquo de incidência ( θ ) Para a polarização TE, como mostrado na Fig. 2c, a absortividade diminui conforme θ aumenta. Isso pode ocorrer devido ao aumento de θ diminui o componente horizontal da intensidade do campo elétrico para ondas TE. Portanto, a eficácia da corrente circulante gerada pelo campo elétrico incidente diminui gradativamente. No entanto, os três picos de absorção permanecem acima de 86% como θ alcance até 60 °. Para polarização TM, como mostrado na Fig. 2d, a absortividade em cada pico de ressonância é maior que 99% em θ =60 °. Isso ocorre porque a absorção na AM proposta é menos sensível às mudanças na intensidade do campo elétrico causadas por um aumento em θ . Outra vantagem do MA proposto é a estabilidade da frequência de absorção, conforme mostrado na Fig. 2, onde os três picos de absorção distintos não mudam significativamente como θ aumenta.

Resultados e discussão

A fim de facilitar uma explicação detalhada da absorção, os espectros de resposta para diferentes partes da estrutura de ressonância são apresentados na Fig. 3. Como mostrado na Fig. 3, cada elemento dentro da camada padronizada é responsável por uma ressonância individual e intensa. Como resultado, uma combinação desses elementos leva a uma absorção multibanda perfeita. Como parte do projeto do MRR, um remendo quadrado é adicionado a cada canto do ressonador de anel fechado, o que aumenta o comprimento elétrico do ressonador de anel e muda para o vermelho a frequência de absorção sem aumentar o tamanho da estrutura.

Para explorar ainda mais o mecanismo de absorção de onda EM, as distribuições de densidade de corrente de superfície nas camadas metálicas superior e inferior correspondentes a três picos de absorção são mostradas na Fig. 4. Pode-se ver que a corrente de superfície na camada padronizada superior está concentrada no MRR , o SRR e as estruturas gráficas em forma de 7 a 8,5, 13,5 e 17 GHz, respectivamente. A distribuição da corrente de superfície também revela a origem da absorção da onda, como mostrado na Fig. 3. Em comparação com a corrente de superfície na camada superior, a intensidade na camada de solo inferior é muito mais fraca. A direção da corrente de superfície na camada superior é antiparalela em relação ao plano de aterramento, o que resulta em loops de corrente equivalentes dentro do MA que excita um dipolo magnético. Enquanto isso, a Fig. 5 mostra a amplitude do campo elétrico (| E |) no MA para ondas de TE-polarização incidentes quando θ =0 °, 30 ° e 60 °. Pode-se observar que o campo elétrico está fortemente concentrado nas barras horizontais do MRR, pois o MRR absorve a 8,5 GHz. A 13,5 GHz, conforme mostrado na Fig. 5 (b), a absorção perfeita é devida à ressonância LC no SRR. Finalmente, a absorção a 17 GHz é devido a uma ressonância dipolo no patch interno. Os ressonadores na camada superior também desenvolvem ressonâncias elétricas. Ambas as ressonâncias magnéticas e elétricas contribuem para uma forte absorção de EM na estrutura proposta. Além disso, a Fig. 5 mostra que a intensidade do campo diminui conforme θ aumenta. Como resultado, a absorção da onda EM também diminui com o aumento de θ .

A Figura 6 mostra os efeitos da geometria MA na absorção no MA proposto. Conforme mostrado na Fig. 6a, as frequências ressonantes mudam para frequências mais altas como a aumenta. A relação entre a largura da lacuna b do SRR e o espectro de absorção é mostrado na Fig. 6b. A capacitância equivalente diminui à medida que b aumenta; assim, o pico ressonante central muda para frequências mais altas. No entanto, os picos de absorção inferior e superior permanecem quase inalterados, o que fornece uma maneira conveniente de sintonizar as frequências de absorção individuais. Além disso, a dependência da absorção na largura da barra do anel w ₂ é apresentado na Fig. 6c, onde ambas as frequências ressonantes central e inferior se desviam para o vermelho como w ₂ aumenta. Como w ₂ aumenta, a capacitância equivalente aumenta porque a distância entre o SRR e o MRR diminui, causando o desvio para o vermelho das frequências ressonantes central e inferior. Finalmente, aumentando a largura da barra w ₃ irá causar um desvio para o vermelho na frequência ressonante superior, conforme mostrado na Fig. 6d. Como o modo ressonante é determinado pelo remendo interno em forma de 7, aumentando w ₃ também aumenta a indutância equivalente do ressonador interno. Portanto, a frequência ressonante exibe um desvio para o vermelho.

Um protótipo de 240 mm x 160 mm, correspondendo a células de 20 x 30 unidades, foi fabricado, conforme mostrado na Fig. 7a. Na preparação da amostra, uma fina camada de cobre foi evaporada na superfície da poliimida e, em seguida, os padrões foram gravados por ablação a laser. A configuração da medição é mostrada na Fig. 7b, onde a absorção na amostra foi testada com o método do espaço livre. Um par de antenas de chifre foi conectado a um analisador de rede vetorial (Rohde &Schwarz ZVA 40) para medir a reflexão da amostra. O espectro de reflexão para uma placa de cobre com o mesmo tamanho da amostra fabricada foi medido e usado como referência. A amostra foi então colocada no mesmo local e a reflexão real da amostra foi calculada subtraindo as duas potências refletidas medidas. A Figura 8a mostra o espectro de reflexão medido a partir da placa de cobre e da amostra fabricada, enquanto a absortividade do MA é mostrada na Fig. 8b. A absorção medida é 96%, 97% e 94% a 8,7, 14,1 e 17,6 GHz, respectivamente. Em comparação com os resultados da simulação, as frequências de pico de absorção movem-se ligeiramente em direção a frequências mais altas devido às tolerâncias de fabricação e diferenças na permissividade do substrato.

A Figura 9 mostra a absorção no MA medida em diferentes ângulos de polarização de φ =0 °, 30 ° e 60 °. O resultado mostra que a estrutura proposta é insensível ao ângulo de polarização. A Figura 10 mostra os espectros de absorção medidos para a polarização TE e TM quando θ =30 ° e 60 °. A absorção para ambas as polarizações permanece acima de 95% quando θ =60 ° para todos os picos de absorção.

Conforme mencionado anteriormente, o MA proposto foi fabricado em um filme de poliimida altamente flexível, que pode ser usado em aplicações não planas. Conforme mostrado na Fig. 11a, o absorvedor foi curvo e preso a um cilindro com 8 cm de raio, e sua absorção foi então medida. A Figura 11b mostra os espectros de absorção para o absorvedor plano e conformado. Pode-se observar que a absortividade de ambos os absorvedores é semelhante. Além disso, o pico de absorção nas três frequências ressonantes foi semelhante antes e depois da dobra, o que é importante em aplicações conformadas.

Conclusão

Um MA ultrafino e flexível com três picos de absorção é apresentado neste artigo. Em comparação com projetos anteriores, nosso absorvedor proposto é ultrafino com espessura total de 0,4 mm, que é aproximadamente 1/88 do comprimento de onda do espaço livre correspondente à menor frequência de absorção. O absorvedor de banda tripla proposto exibe alta absorção até um ângulo de incidência de 60 ° (acima de 86% e 99% para TE e TM polarização, respectivamente). Enquanto isso, a simetria da estrutura garante que a absorção seja insensível às mudanças na polarização. Um MA com células de 20 × 30 unidades foi fabricado e medido para diferentes ângulos de incidência. Os resultados mostram que o MA exibe alta absorção em grandes ângulos de incidência. O absorvedor foi fabricado em um filme de poliimida flexível que pode ser facilmente usado em aplicações não planas e conformadas. O absorvedor proposto tem grande potencial de uso na captação de energia e blindagem eletromagnética.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

MA:: Absorvedor de metamaterial
EM:: Eletromagnética
SRR:: Ressonador de anel dividido
MRR:: Ressonador de anel modificado
FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita

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