Absorvedor de Metamaterial Tripla-Banda Ultra-Fino com 99,9% de Eficiência e Estabilidade em Amplo Ângulo para Aplicações Conformais nas Bandas X/Ku

Resumo

Um absorvedor de metamaterial (MA) ultra-fino e flexível com três picos de absorção é apresentado neste artigo. O absorvedor proposto foi projetado de forma que três picos de absorção estão 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 dos respectivos comprimentos de onda no espaço livre das frequências de absorção em várias bandas. O MA também é insensível à polarização devido à sua geometria simétrica. Além disso, a estrutura proposta exibe absorção mínima de 86% (incidência TE) dentro de 60° de ângulo de incidência. Para incidência TM, o absorvedor proposto exibe mais de 99% de absorvidade até 60° de incidência. Distribuições de corrente superficial e campo elétrico foram investigadas para analisar o mecanismo que governa a absorção. Análises de parâmetros foram realizadas para otimização da absorção. Além disso, o desempenho do MA foi demonstrado experimentalmente no espaço livre em uma amostra sob teste com 20 × 30 células unitárias 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 consistentes com os resultados de simulação. Devido às suas vantagens de absorção de alta eficiência em uma ampla gama de ângulos de incidência, o absorvedor proposto pode ser usado em colheita de energia e blindagem eletromagnética.

Introdução

Nos últimos anos, metamateriais receberam ampla atenção devido às suas propriedades exóticas, como índice de refração negativo, imagem perfeita e efeitos Doppler inversos. Devido a essas propriedades, metamateriais foram propostos para uso em vários dispositivos, como camuflagem eletromagnética (EM), sensoriamento ultra-sensível, filtros e absorvedores. Em particular, absorvedores de metamaterial (MAs), comparados com absorvedores de micro-ondas tradicionais, são usados em uma variedade de campos, variando de militar a eletrônicos de consumo. MAs tendem a ser leves e finos.

Em 2008, um MA perfeito foi apresentado pela primeira vez por Landy et al. Subsequentemente, diferentes tipos de MAs, como mono-banda, dual-banda, multi-banda e absorvedores de banda larga, foram apresentados por vários pesquisadores. Entre estes MAs, MAs multi-banda permitem absorção perfeita em várias frequências discretas, permitindo aplicações como sensoriamento multi-banda. Em geral, um MA multi-banda 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 superestrutura de unidade. O segundo método envolve empilhamento vertical de estruturas multi-camadas alternadas. No entanto, nenhum desses métodos é ideal para fabricar uma estrutura que forneça absorção multi-banda. Por exemplo, o método de construção coplanar leva a uma expansão inevitável do tamanho da unidade do MA, enquanto o design em camadas não poderia eliminar a desvantagem de grande espessura e peso pesado da estrutura. Recentemente, alguns designs estruturais simplificados foram apresentados para alcançar absorção multi-banda; no entanto, a absorção em amplo ângulo de incidência ainda precisa ser melhorada.

Neste artigo, propomos um método de design que combina as vantagens de tamanho compacto, ultra-fino, leve e fácil de fabricar. Em mérito do design da célula unitária, o MA tripla-banda proposto exibe alta absorção mesmo em amplos ângulos de incidência. Resultados de simulação revelam três bandas de absorção distintas com pico de absorção de 99,9%, 99,5% e 99,9% em 8,5, 13,5 e 17 GHz, respectivamente. A estrutura simétrica do MA garante que sua absorção é insensível a diferentes ângulos de polarização. Além disso, o MA proposto oferece absorção maior que 86% e 99% quando ondas polarizadas TE e TM incidem a 60° de ângulo de incidência, 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 20 × 30 células unitárias foi fabricado, e os resultados experimentais são consistentes com os resultados de simulação. Devido à sua baixa espessura e eficácia para uma ampla gama de ângulos de incidência, a estrutura do MA foi fabricada em um filme de poliimida altamente flexível, que pode ser usado em aplicações não planas e conformais.

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 7-formas idênticas, cada uma rotacionada 45° ao longo do centro da unidade. A camada padrão superior e a camada de terra inferior são feitas de cobre com 0,02 mm de espessura e condutividade elétrica de 5,8 × 10⁷ 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.

Geometria esquemática de uma célula unitária para o MA proposto. a Vista superior, b layout das oito estruturas de ressonância 7-formas, e c vista em perspectiva de uma célula unitária.

Os espectros de absorção simulados do MA proposto foram determinados a partir de uma simulação de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD). Na simulação, condições de contorno de célula unitária foram aplicadas nas direções x e y, enquanto a condição de porta de Floquet foi imposta na direção z. Além disso, assumiu-se que uma onda EM plana atinge a superfície do MA. A absorvidade (A) pode ser definida como A(ω) = 1 - |S₁₁(ω)|² - |S₂₁(ω)|², onde S₁₁(ω) e S₂₁(ω) são os coeficientes de reflexão e transmissão, respectivamente. Como o coeficiente de transmissão S₂₁(ω) é zero devido à reflexão total do plano de terra de cobre, a absorvidade pode ser simplificada como A(ω) = 1 - |S₁₁(ω)|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 fator Q correspondente de cada modo ressonante pode atingir 26,8, 28,4 e 27,1, respectivamente.

a Espectros de absorção e reflexão simulados em incidência normal. b Espectro de absorção para diferentes ângulos de polarização φ. Absorção para diferentes valores de θ para c polarização TE e d polarização TM.

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

Resultados e Discussão

Para 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 padrão é responsável por uma ressonância individual e intensa. Como resultado, uma combinação desses elementos leva a uma absorção multi-banda perfeita. Como parte do design do MRR, um patch quadrado é adicionado a cada canto do ressonador de anel fechado, o que aumenta o comprimento elétrico do ressonador de anel e desloca a frequência de absorção para o vermelho sem aumentar o tamanho da estrutura.

Contribuição de elementos individuais para a absorção.

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

Distribuição simulada de corrente superficial na camada padrão superior e camada de terra inferior em a, d 8,5, b, e 13,5, e c, f 17 GHz.

A distribuição absoluta do campo elétrico (|E|) no MA para polarização TE em diferentes ângulos de incidência θ de a 8,5, b 13,5 e c 17 GHz.

A Figura 6 mostra os efeitos da geometria do MA na absorção no MA proposto. Como mostrado na Fig. 6a, as frequências ressonantes deslocam-se para frequências mais altas à medida que a aumenta. A relação entre a largura da fenda b do SRR e o espectro de absorção é mostrada na Fig. 6b. A capacitância equivalente diminui à medida que b aumenta; assim, o pico ressonante central desloca-se para frequências mais altas. No entanto, os picos de absorção inferior e superior permanecem quase inalterados, o que fornece uma maneira conveniente de sintonizar frequências de absorção individuais. Além disso, a dependência da absorção na largura da barra do anel w₂ é apresentada na Fig. 6c, onde tanto as frequências ressonantes inferior quanto central sofrem red-shift à medida que w₂ aumenta. À medida que w₂ aumenta, a capacitância equivalente aumenta porque a distância entre o SRR e MRR diminui, causando o red-shift das frequências ressonantes inferior e central. Finalmente, o aumento da largura da barra w₃ causará um red-shift na frequência ressonante superior, como mostrado na Fig. 6d. Como o modo ressonante é determinado pelo patch interno 7-formas, o aumento de w₃ também aumenta a indutância equivalente do ressonador interno. Portanto, a frequência ressonante exibe um red-shift.

Espectro de absorção do MA para diferentes parâmetros estruturais: a periodicidade da célula unitária a, b largura da fenda do SRR b, c largura da barra do anel MSR w₂, d largura do patch 7-formas w₃.

Um protótipo de 240 mm × 160 mm, correspondente a 20 × 30 células unitárias, foi fabricado, como mostrado na Fig. 7a. Na preparação da amostra, uma fina camada de cobre foi evaporada na superfície da poliimida, e então os padrões foram gravados usando ablação a laser. A configuração de medição é mostrada na Fig. 7b, onde a absorção na amostra foi testada com o método de espaço livre. Um par de antenas corneta 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 da placa de cobre e da amostra fabricada, enquanto a absorvidade do MA é mostrada na Fig. 8b. A absorção medida é 96%, 97% e 94% em 8,7, 14,1 e 17,6 GHz, respectivamente. Comparado com os resultados de simulação, as frequências dos picos de absorção movem-se ligeiramente para frequências mais altas devido a tolerâncias de fabricação e diferenças na permissividade do substrato.

a Protótipo MA fabricado. b Configuração de medição.

a Coeficiente de reflexão e b absorvidade do MA em incidência normal.

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 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.

Absorção medida para diferentes ângulos de polarização sob incidência normal.

Absorção simulada e medida para diferentes ângulos de incidência: a TE e b polarização TM.

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

a Absorvedor flexível anexado a um cilindro. b Espectros de absorção do MA plano e conformal.

Conclusão

Um MA ultra-fino e flexível com três picos de absorção é apresentado neste artigo. Comparado com designs anteriores, nosso absorvedor proposto é ultra-fino com espessura total de 0,4 mm, que é aproximadamente 1/88 do comprimento de onda no espaço livre correspondente à frequência de absorção inferior. O absorvedor tripla-banda proposto exibe alta absorção até um ângulo de incidência de 60° (acima de 86% e 99% para polarização TE e TM, respectivamente). Enquanto isso, a simetria da estrutura garante que a absorção é insensível a mudanças na polarização. Um MA com 20 × 30 células unitárias 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 conformais. O absorvedor proposto tem grande potencial de uso em colheita de energia e blindagem eletromagnética.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

MA:

Absorvedor de metamaterial

EM:

Eletromagnético

SRR:

Ressonador de anel dividido

MRR:

Ressonador de anel modificado

FDTD:

Diferenças finitas no domínio do tempo