Absorbedor perfecto de banda ultra ancha e insensible a la polarización que utiliza metamateriales multicapa, resistencias agrupadas y fuertes efectos de acoplamiento

Resumen

Propusimos teórica y experimentalmente una nueva estructura de absorbente de metamaterial perfecto delgado y de banda ultra ancha cargado con resistencias agrupadas. El absorbente delgado estaba compuesto por cuatro capas dieléctricas, las microestructuras metálicas de resonadores de doble anillo dividido (MDSRR) y un conjunto de resistencias agrupadas. Se analizó el mecanismo de absorción de banda ultraancha y también se realizó un estudio paramétrico para lograr el funcionamiento de banda ultraancha. Las características de banda ultra ancha, insensibilidad a la polarización y absorción inmune a los ángulos se caracterizaron sistemáticamente por el espectro de absorción angular, el campo eléctrico cercano, las distribuciones de corriente de superficie y las pérdidas dieléctricas y óhmicas. Los resultados numéricos muestran que el absorbente de metamaterial propuesto logró una absorción perfecta con una absortividad mayor al 80% en las incidencias normales dentro de 4.52 ~ 25.42 GHz (un ancho de banda absoluto de 20.9GHz), correspondiente a un ancho de banda fraccional de 139.6%. Para la verificación, se implementó un absorbente de metamaterial delgado utilizando el método común de placa de circuito impreso y luego se midió en una cámara anecoica de microondas. Los resultados numéricos y experimentales concordaron bien entre sí y verificaron la absorción perfecta de banda ultraancha insensible a la polarización deseada.

Antecedentes

Como material diseñado artificialmente, el metamaterial ha atraído un interés significativo porque exhibió fantásticas propiedades electromagnéticas inusuales o difíciles de obtener durante la última década [1, 2, 3]. Con el rápido desarrollo, se ha aplicado metamaterial con anisotropía de masa dinámica para desarrollar capas acústicas, hiperlentes, absorbentes perfectos, lentes de índice de gradiente [4,5,6,7], metalense, barrera optofluídica, convertidor de polarización, etc. [8,9 , 10,11,12,13,14,15,16]. En particular, el absorbente de metamaterial perfecto (PMA) con perfil ultrafino y absorción casi unitaria fue propuesto en primer lugar por Landy et al. [6]. En comparación con los absorbentes convencionales, el absorbente de metamaterial, que ofrece grandes beneficios de perfil delgado, mayor miniaturización, mayor eficacia y mayor adaptabilidad, se ha convertido en aplicaciones prometedoras de los metamateriales. Posteriormente, los investigadores realizan varios esfuerzos en PMA para lograr una absorción de ángulo de incidencia amplio [17,18,19], absorción multibanda [20, 21], absorción insensible a la polarización [22,23,24] y absorción sintonizable [25 , 26]. Sin embargo, los absorbedores con un ancho de banda estrecho limitan sus aplicaciones en la práctica. Por lo tanto, es necesario diseñar el absorbente de metamaterial delgado, insensible a la polarización y de banda ultra ancha.

Para aumentar el ancho de banda de absorción, varios métodos, como el uso del mecanismo de resonancia múltiple [27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], las estructuras fractales [39], la multicapa [40,41,42,43,44], el medio magnético [45, 46] y la carga de los elementos agrupados [47,48,49] se han propuesto en el diseño de absorbedores de metamateriales de gigahercios y terahercios. Por ejemplo, un absorbente perfecto insensible a la polarización de banda ancha que exhibe un ancho de banda de 9.25 GHz se ha diseñado en una sola capa basada en los metamateriales de anillo octagonal doble y resistencias agrupadas [50]. Además, se propuso un absorbente inspirado en metamaterial perfecto de gigahercios que estaba compuesto por sustratos de tres capas, anillos dentados dobles y una base de metal [51]. Aunque se obtuvo un ancho de banda relativo del 93,5%, el ancho de banda de absorción sigue siendo insuficiente para aplicaciones como protección electromagnética, sigilo y guerra electrónica.

A diferencia de los absorbedores de metamaterial anteriores, propusimos un absorbente de metamaterial perfecto delgado y de banda ultraancha combinando las absorciones resonantes y resistivas utilizando fuertes efectos de acoplamiento. El absorbedor estaba compuesto por cuatro capas dieléctricas, dos resonadores metálicos de doble anillo dividido (MDSRR) y varias resistencias agrupadas. Las características de la absorción de incidentes amplios e insensible a la polarización se habían verificado tanto numérica como experimentalmente. Este absorbente de metamaterial perfecto es prometedor para muchas aplicaciones prácticas, como la reducción de la dispersión cruzada del radar, el sigilo y la protección electromagnética en diferentes plataformas de vuelo.

Métodos

El metaátomo del PMA de banda ultraancha propuesto consta de cuatro capas dieléctricas, microestructuras DSRR metálicas dobles y las resistencias agrupadas en la Fig. 1. Para obtener la interferencia destructiva, el espaciador dieléctrico superior (primer) con una constante dieléctrica de 4.4 y Se requiere un ángulo de pérdida de tangente de 0,02 como sustrato de revestimiento antirreflectante para mejorar el ancho de banda de absorción. Los espesores de las cuatro capas dieléctricas son d ₁ , d ₂ , d ₃ y d ₄ . La constante dieléctrica y el ángulo de pérdida de tangente de los sustratos residuales son todos 4.2 y 0.02 (ε _r =4,2, tanδ =0,02) respectivamente. Como se muestra en la Fig. 1 (d), la primera microestructura de MDSRR (F-MDSRR) con cuatro resistencias agrupadas está en el segundo sustrato. El resonador de anillo dividido metálico I (SRR-I) y el resonador de anillo dividido II (SRR-II) están respectivamente en el tercer sustrato y en el fondo que forman la segunda microestructura metálica DSRR (S-MDSRR). Las microestructuras F-MDSRR y S-MDSRR son de cobre con una conductividad de 5,8 × 10 ⁷ S / my espesor de 0.036 mm. La longitud del metaátomo para el PMA propuesto es P =8,4 mm. Como se muestra en la Fig. 1 (b) y (c), las longitudes de SRR-I y SRR-II son a ₁ y a ₂ . Sus anchos son w ₁ y w ₂ . Las longitudes y anchos de F-MDSRR, como se muestra en la Fig.1 (d), están representadas por a ₃ , a ₄ , w ₃ y w ₄ . Las resistencias cargadas en los anillos partidos interior y exterior se indican con R _1,2 y R _3,4 . Y s indica la longitud de las divisiones para F-MDSRR y S-MDSRR. El PMA propuesto se diseña, analiza y optimiza en simulación. Se realiza una simulación electromagnética de onda completa utilizando ANSYS Electro-magnetics Suite 15.0, basado en análisis de elementos finitos. El absorbedor propuesto se simula y optimiza con parámetros de d ₁ =2 mm, d ₂ = d ₃ =1 mm, d ₄ =1 mm, ancho 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 y s =1,2 mm.

Geometría esquemática de la celda unitaria para el absorbente de metamaterial perfecto de banda ultra ancha. ( a ) El esquema 3D de una celda unitaria. ( b ) La capa inferior del PMA propuesto con el resonador de anillo dividido II (SRR-II). ( c ) La tercera capa de PMA propuesta con el resonador de anillo dividido-I (SRR-I). ( d ) La segunda capa de PMA propuesta con la primera microestructura metálica DSRR (F-MDSRR) y cuatro resistencias agrupadas. Los parámetros optimizados del PMA fueron d ₁ =2 mm, d ₂ = d ₃ = d ₄ =1 mm, ancho 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. El espesor del cobre es de 0.036 mm

Para explorar el mecanismo de absorción para la PMA de banda ultra ancha propuesta, se aplicaron las condiciones de contorno periódicas (PBC) y el puerto Floquet para simular las celdas periódicas infinitas. La onda electromagnética (EM) sería absorbida gradualmente por el absorbedor de acuerdo con las condiciones antirreflectantes. Tanto las resonancias magnéticas como las eléctricas se activarían de forma independiente, lo que podría confinar la onda en la celda PMA. La onda podría ser absorbida gradualmente por la pérdida dieléctrica. Podría lograr que la permitividad magnética sea igual a la permitividad eléctrica, dando como resultado la absortividad perfecta para las ondas EM incidentes. En una perspectiva más directa, la absortividad se definió como [52,53,54,55]

$$ A (f) =1-T (f) -R (f) =1 - {\ left | {S} _ {21} \ right |} ^ 2 - {\ left | {S} _ {11} \ right |} ^ 2 $$ (1)

Para maximizar la absortividad A ( f ), podríamos minimizar la transmisión T ( f ) ( T ( f ) =| S ₂₁ | ² ) y el reflejo R ( f ) ( R ( f ) =| S ₁₁ | ² ) simultaneamente. La absortividad podría calcularse mediante A ( f ) =1 - R ( f ) porque el PMA presentado fue bloqueado por la placa metálica sin patrones en la capa inferior (por lo que la transmisión fue cero, T ( f ) =| S ₂₁ | ² =0). Por lo tanto, la absortividad del PMA presentado podría calcularse mediante

$$ A (f) =1-R (f) =1 - {\ izquierda | {S} _ {11} \ derecha |} ^ 2 $$ (2)

De la ecuación (2), es obvio que la absorción está cerca del 100% ( A ( f ) ≈ 100%) cuando la reflexión es cercana a cero ( R ( f ) ≈ 0). Es necesario tener en cuenta que el S ₁₁ Los componentes incluyen la reflexión de ondas EM copolarizadas y la reflexión de ondas EM con polarización cruzada [56,57,58]. Entonces el S ₁₁ los componentes se pueden expresar como:

$$ {\ left | {S} _ {11} \ right |} ^ 2 ={\ left | {S} _ {11, xx} \ right |} ^ 2 + {\ left | {S} _ {11 , xy} \ right |} ^ 2 $$ (3)

En consecuencia, según la ecuación (3), la ecuación (2) podría ser evaluada por

$$ A (f) =1-R (f) =1 - {\ left | {S} _ {11, xx} \ right |} ^ 2 - {\ left | {S} _ {11, xy} \ derecha |} ^ 2 $$ (4)

donde el xx y xy denotar la copolarización y la polarización cruzada. En el diseño de PMA propuesto, el | S ₁₁ | comprende los componentes de la copolarización y la polarización cruzada. Además, el reflejo de la PMA con una incidencia normal viene dado por [6, 21]:

$$ R (f) =\ frac {z _ {\ mathrm {eff}} (f) - {\ eta} _0} {z _ {\ mathrm {eff}} (f) + {\ eta} _0} $$ ( 5)

donde η ₀ , aproximadamente 377 Ω, representa la impedancia del espacio libre. z _ef ( f ) es la impedancia efectiva de PMA. La impedancia efectiva incluye las resistencias agrupadas en el PMA propuesto, la impedancia superficial que debe obtener una gran disipación resonante y la impedancia del sustrato debido a la alta tangente. Por sustitución de (5) en (4), la absortividad A también podría 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)

donde Re [ z _ef ( f )] y yo soy [ z _ef ( f )] son respectivamente la parte real y la parte imaginaria de z _ef ( f ). Cuando el PMA propuesto está en los modos resonantes, la absorción es cercana a uno ( A =1). De la expresión de (6), sabemos que cuando A =1, Re [ z _ef ( ω )] y yo soy [ z _ef ( ω )] se puede calcular como:

$$ \ operatorname {Re} \ left ({z} _ {\ mathrm {eff}} \ left (\ upomega \ right) \ right) =377 \ Omega, \ kern0.5em \ operatorname {Im} \ left ({ z} _ {eff} \ izquierda (\ upomega \ derecha) \ derecha) =0 $$ (7)

Se encuentra que la absorción es cercana al 100%, cuando la parte real y la parte imaginaria de la impedancia efectiva están respectivamente cerca de 377 Ω y 0. La absortividad aumenta debido a los diferentes modos resonantes. Generalmente, se pudo obtener una excelente absorción ya que la permitividad efectiva era igual a la permeabilidad efectiva. Entonces, la absorción de banda ancha se lograría modulando los parámetros efectivos.

El absorbente de metamaterial de banda ultraancha se simuló empleando el software comercial Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS 18.0), que se basó en el método de análisis de elementos finitos. En el cálculo, una onda electromagnética plana con el campo eléctrico en la dirección de x -eje se utilizó como las incidencias, que se irradió perpendicularmente a la estructura de resonancia a lo largo de la dirección de la z -eje (mostrado en la Fig. 1). La gama de frecuencias de 1,0 a 30 GHz de las incidencias se había utilizado en simulación. El tamaño de las incidencias debe ser ligeramente mayor que el del período presentado de la estructura; al mismo tiempo, suficientes tiempos de simulación y los límites adecuados (límites periódicos en direcciones de x - y y -eje y capas perfectamente combinadas en la dirección de z -axis) debe utilizarse para garantizar la precisión de los resultados de los cálculos.

Resultados y discusión

La amplitud simulada de S ₁₁ , los componentes de absorción, impedancia efectiva y reflexión de la polarización cruzada de 1 a 30 GHz se muestran en la Fig. 2. Como se muestra en la Fig. 2a, se puede ver que el PMA propuesto exhibió una reflexión más baja de banda ultra ancha de 4.5 a 25,5 GHz que el del PMA utilizando la misma microestructura sin resistencias agrupadas. Especialmente, las diferencias entre la microestructura con y sin resistencias agrupadas fueron evidentes de 9 a 14 GHz y de 19 a 21 GHz. En la Fig. 2b, pudimos ver que la absorción de banda ultra ancha de 4.52 a 25.42 GHz con una absortividad mayor al 80% podría obtenerse para el PMA propuesto y la absorción se deterioraría para la microestructura propuesta sin resistencias agrupadas obviamente. Las partes real e imaginaria de la impedancia efectiva estaban respectivamente cerca de 377 Ω y 0 para el PMA propuesto a la frecuencia de resonancia de 5.13, 14.49, 19.05, 20.77 y 25.42 GHz en la Fig. 2c. Cuanto más cercana la absortividad al 100%, más cercanas estaban las partes real e imaginaria de la impedancia efectiva a 377 Ω y 0, respectivamente. De la Fig. 2d, las componentes de reflexión de la polarización cruzada eran aproximadamente cero para el absorbedor propuesto de 1 a 30 GHz. Era necesario tener en cuenta que los componentes de reflexión | S _{11, xy} | ² de polarización cruzada fue de aproximadamente 0,35 a 2,8 GHz para la microestructura propuesta sin resistencias agrupadas. Este fenómeno fue causado por la estructura asimétrica y los modos de resonador débiles en la frecuencia. Por lo tanto, las resistencias agrupadas fueron importantes para el diseño de PMA de banda ultra ancha. De la Fig. 2b, d, la parte real y la parte imaginaria de la permitividad efectiva se aproximaron respectivamente a la de la permeabilidad efectiva para el PMA propuesto de 4.52 a 25.42 GHz. La parte imaginaria del índice de refracción fue más de cero en esta banda. En consecuencia, la banda ultra ancha se puede exhibir para el PMA presentado.

El | S11 | simulado, absorción, parámetros efectivos, impedancias efectivas e índice de refracción de 1 a 30 GHz para el absorbente de metamaterial perfecto de banda ultra ancha propuesto cargado con resistencias agrupadas y la misma microestructura sin las resistencias agrupadas. un Simulado | S11 | resultados. b Resultados de absorción simulados y parámetros efectivos. c Las impedancias efectivas del PMA propuesto con resistencias agrupadas y la misma microestructura sin resistencias agrupadas. d Los componentes de reflexión de la polarización cruzada para el PMA propuesto con resistencias agrupadas y la misma microestructura sin resistencias agrupadas y el índice de refracción del PMA presentado

ANSYS HFSS Solver llevó a cabo un estudio paramétrico. En este estudio, el objetivo principal fue lograr la absorción de banda ultra ancha. De acuerdo con este objetivo, algunos parámetros de las resistencias agrupadas R _1,2 y R _3,4 en los anillos partidos interior y exterior, la longitud de la celda P del PMA, la longitud s de las divisiones para F-MDSRR y S-MDSRR, el espesor d ₁ del sustrato de revestimiento antirreflejos, y el espesor d ₂ fueron seleccionados en el estudio.

La Figura 3a muestra la absorción simulada, cuando el PMA propuesto adoptó las resistencias agrupadas de R _1,2 =50 Ω, 60 Ω, 100 Ω, 150 Ω. Al adoptar R _1,2 , la absorción se mejoró obviamente de 19 a 25 GHz. Mientras que R _1,2 cambiado de 50 a 150 Ω, las resistencias agrupadas tuvieron un ligero efecto sobre la absorción en baja frecuencia. Por lo tanto, al seleccionar un valor adecuado para R _1,2 =60 Ω, el PMA propuesto obtuvo la absorción de banda ultra ancha. Como se muestra en la Fig. 3b, la R _3,4 Afectó principalmente a la absorción en el rango de 6 ~ 17 GHz y 21 ~ 23 GHz. Para absorción de banda ancha, R _3,4 fue elegido para ser 180 Ω. La longitud fue otro parámetro crítico. Se estudió el caso con diferentes longitudes de células PMA y divisiones para F-MDSRR y S-MDSRR. La Figura 3c muestra que la absorción de 21 a 25 GHz fue muy sensible a la longitud P de la celda PMA. Para lograr la absorción de banda ancha, seleccionamos P =8,4 mm. En la Fig. 3d, estaba claro que el PMA tenía absorción de banda ancha a baja frecuencia y el ancho de banda estaba influenciado por s que se cambió de 0,6 a 1,5 mm. Según el estándar de absortividad más de 0,8, s Se seleccionó =1,2 mm para obtener una absorción de banda ancha para el PMA propuesto. Los efectos de los espesores del sustrato de recubrimiento antirreflejos d ₁ se ilustran en la Fig. 3e. Era obvio que el grosor d ₁ influyó en la absorción de banda ancha de 7 a 30 GHz y d ₁ =2,0 mm se eligió para el diseño PMA de banda ancha. Los resultados de absorción con diferentes d ₂ se dan en la Fig. 3f. Estaba claro que d ₂ fueron los parámetros clave para PMA de banda ancha en alta frecuencia. Para lograr la absorción de banda ultra ancha, el d optimizado ₂ de 1,0 mm se seleccionó en el diseño PMA.

La absorción resulta de 1 a 30 GHz para el absorbente de metamaterial perfecto de banda ultra ancha propuesto con diferentes parámetros. un Resultados de absorción de PMA con diferentes R _a valores. b Resultados de absorción de PMA con diferentes R _b valores. c Resultados de absorción de PMA con diferentes longitudes de P . d Resultados de absorción del PMA con diferentes longitudes de s . e Resultados de absorción del PMA con diferentes espesores de d ₁ . f Resultados de absorción del PMA con diferentes espesores de d ₂

De las Figs. 2 y 3, se pudo ver que el ancho de banda de absorción del PMA propuesto era sensible a los espesores de d ₁ y d ₂ , y los valores de las resistencias agrupadas. Además, las divisiones en F-MDSRR y S-MDSRR fueron necesarias para lograr la absorción de banda ancha en nuestro diseño. Por lo tanto, los espesores y las resistencias agrupadas debían optimizarse para una absorción de banda ultra ancha.

Para explorar el mecanismo de absorción de banda ultraancha, las distribuciones de corriente de superficie y las distribuciones de campos eléctricos cercanos del PMA se habían dado en la Fig. 4 a la frecuencia de resonancia de 5.1, 14.5, 19.1, 20.8 y 25.4GHz. Se había exhibido el exquisito efecto de absorción de resonancia en la Fig. 4a, que se atribuyó principalmente al SRR-I para la microestructura S-MDSRR y los anillos exteriores divididos para la microestructura F-MDSRR a 5,13 GHz. El fuerte acoplamiento entre las microestructuras S-MDSRR y F-MDSRR condujo a la absorción de resonancia. En la Fig. 4c, se pudo ver que el pico de absorción a 14,49 GHz para el absorbedor propuesto se obtendría debido a la microestructura F-MDSRR con cuatro resistencias agrupadas y el fuerte acoplamiento en la microestructura F-MDSRR. Como se muestra en la Fig. 4e, el PMA de banda ultraancha actual logró una resonancia de absorción resultante de los anillos divididos entre F-MDSRR y los efectos de acoplamiento entre el SRR-II y el SRR-I. A 20,77 GHz, el pico de absorción fue causado principalmente por los anillos divididos entre F-MDSRR en la Fig. 4g. Los fuertes efectos de acoplamiento entre los anillos partidos externos para F-MDSRR y el SRR-II para la microestructura de S-MDSRR se habían logrado a partir de la Fig. 4i. Era necesario señalar que la resonancia del dipolo, la resonancia de inductancia y capacitancia equivalente y la resonancia de acoplamiento eran de primordial importancia para lograr la absorción de banda ultraancha. De la Fig. 4b, d, f, h y j, se pudo encontrar que los campos eléctricos cercanos de 5.13 GHz en el espacio superior eran diferentes de los de otras frecuencias de respuesta debido a los efectos de acoplamiento más fuertes entre el SRR-I y el los anillos abiertos exteriores. El tipo de absorción de resonancia a 14,49, 19,1 y 20,8 GHz eran iguales entre sí, y sus picos de absorción se lograron mediante la microestructura F-MDSRR. Se puede encontrar que cuanto mayor sea la densidad del PMA exhibida, mejor se logrará la absorción del PMA. Como se muestra en la Fig. 4j, había seis puntos espaciales ( A ₁ , A ₂ , A ₃ , A ₄ , A ₅ , A ₆ ,) cerca del punto de origen con fuerte densidad. Todos estos fenómenos físicos fueron ilustrados por los efectos de acoplamiento y los modos de orden superior para la PMA de banda ultra ancha propuesta. En consecuencia, los efectos de acoplamiento entre las diferentes microestructuras y los modos de orden superior fueron el componente crucial para diseñar la PMA de banda ancha.

Las distribuciones de corriente de superficie de la microestructura F-MDSRR, la microestructura S-MDSRR y el plano de tierra y los campos eléctricos cercanos del PMA a la frecuencia de resonancia de 5.13, 14.49, 19.05, 20.77 y 25.42 GHz. un Distribuciones de corriente de superficie a 5,13 GHz. b Distribuciones de campos eléctricos cercanos a 5,13 GHz. c Distribuciones de corriente de superficie a 14,49. d Distribuciones de campos eléctricos cercanos a 14,49 GHz. e Distribuciones de corriente de superficie a 19,05 GHz. f Distribuciones de campos eléctricos cercanos a 19,05 GHz. g Distribuciones de corriente de superficie a 20,77 GHz. h Distribuciones de campos eléctricos cercanos a 20,77 GHz. yo Distribuciones de corriente de superficie a 25,42 GHz. j Distribuciones de campos eléctricos cercanos a 25,42 GHz

Los resultados de la absorción simulada del presente PMA con diferentes ángulos de theta y phi se analizan en la Fig. 5 para las ondas incidentes electromagnéticas transversales (TEM). De la Fig. 5a, pudimos ver que el PMA propuesto exhibía la alta absortividad de 4.5 a 25 GHz con theta =0 °. a medida que el ángulo de phi cambió de 0 a 360 °. Era obvio que la absorción disminuyó drásticamente para el ángulo que aumentó de 70 a 80 ° o disminuyó de -70 a -80 ° en la Fig. 5b. Generalmente, la absorción de banda ultra ancha y gran angular podría obtenerse para el PMA propuesto con el ángulo de theta desplazado de - 70 a 70 ° y el ángulo de phi aumentado de 0 a 360 °. Para ilustrar la excelente absorción, los resultados de absorción simulada a la frecuencia de resonancia de 5.13, 14.49, 19.05, 20.77 y 25.42 GHz se dan con - 90 °

Los resultados de la absorción del presente PMA de banda ultra ancha con diferentes ángulos de theta y phi. un Resultados de absorción del PMA con diferentes ángulos de phi de 1 a 30 GHz (theta =0 grados). b Resultados de absorción del PMA con diferentes ángulos de theta de 1 a 30 GHz (phi =0 °). c Resultados de absorción a 5,13 GHz con - 90 ° d Resultados de absorción a 14,49 GHz con - 90 ° e Resultados de absorción a 19,05 GHz con - 90 ° f Resultados de absorción a 20,77 GHz con - 90 ° g Resultados de absorción a 25,42 GHz con - 90 °

Para interpretar la insensibilidad polarizada del PMA de banda ultra ancha para incidencias polarizadas eléctricas transversales (TE) y magnéticas transversales (TM), presentamos la absorción oblicua, las distribuciones de corriente de superficie a 12 GHz y los campos eléctricos cercanos a 12 GHz en la Fig. 6. De la Fig. 6a, b, es obvio que los resultados de absorción oblicua en la incidencia polarizada de TM fueron los mismos que en la incidencia polarizada de TE. Las mismas absorciones oblicuas con diferentes incidencias se atribuyeron al mecanismo de absorción y la presente microestructura. Por ejemplo, las distribuciones de corriente de superficie y los campos eléctricos cercanos a 12 GHz con incidencias polarizadas TE y TM se exploraron más a fondo para ilustrar la insensibilidad polarizada de la PMA de banda ultraancha en la Fig. 6c-f. Se informó que el PMA presentado exhibía las mismas distribuciones de corriente superficial y campos eléctricos cercanos con ondas incidentes polarizadas diferentes. En consecuencia, la característica de insensibilidad polarizada podría lograrse para este PMA de banda ultra ancha.

Los resultados de absorción, distribuciones de corriente superficial y campos eléctricos cercanos del PMA de banda ultra ancha actual con diferentes incidencias polarizadas. un Los resultados de la absorción oblicua del PMA con incidencias polarizadas TE de 1 a 30 GHz con theta cambiado de 0 a 60 °. b . Los campos eléctricos cercanos de PMA a 12 GHz con incidencias polarizadas TE. c Las distribuciones de corriente de superficie de PMA a 12 GHz con incidencias polarizadas TE. d Los resultados de absorción oblicua del PMA con incidencias polarizadas TM de 1 a 30 GHz con theta cambiado de 0 a 60 °. e Las distribuciones de corriente de superficie de PMA a 12 GHz con incidencias polarizadas TM. f Los campos eléctricos cercanos de PMA a 12 GHz con incidencias polarizadas TM

Para elaborar las pérdidas dieléctricas y óhmicas, la Fig. 7 muestra la densidad de pérdida de volumen (VLD) de los sustratos y resistencias agrupadas para el PAM propuesto a 5.13, 14.49, 19.05, 20.77 y 25.42 GHz. En la Fig. 7a, pudimos observar que el VLD aumentaba a medida que la frecuencia de resonancia cambiaba de 5,13 a 25,42 GHz. Los diferentes modos podrían lograrse a partir de las pérdidas óhmicas de las resistencias agrupadas en la Fig. 7b. La densidad de pérdida de volumen de R ₃₄ era claramente más que la de R ₁₂ a 5,13 GHz. La diferencia disminuiría a 14,49 GHz. A 19,05 GHz y 20,77 GHz, el VLD de R ₃₄ era ligeramente menor que la de R ₁₂ . Cuando era de 25,42 GHz, las densidades de pérdida de volumen de R ₃₄ y R ₁₂ eran ambos menores que los de otras frecuencias. Era obvio que las pérdidas óhmicas con un rango de 1 × 10 ⁵ w / mm ³ a 1 × 10 ⁷ w / mm ³ fueron más que las pérdidas dieléctricas con un rango de 100 w / mm ³ a 1 × 10 ⁷ w / mm ⁶ . En consecuencia, las pérdidas óhmicas y dieléctricas fueron importantes para este absorbedor de banda ultraancha propuesto de las Figs. 3 (e) y (f) y 7.

Las pérdidas dieléctricas y óhmicas de los sustratos y las resistencias agrupadas para el PAM propuesto a 5.13, 14.49, 19.05, 20.77 y 25.42 GHz. un La densidad de pérdida de volumen (VLD) de sustratos a la frecuencia de resonancia. b La densidad de pérdida de volumen (VLD) de resistencias agrupadas en la frecuencia de resonancia

Fabricación y medición

Para verificar los caracteres, se fabrican dos dispositivos de 900 celdas (30 × 30) del PMA de banda ultraancha propuesto y se ilustran en la Fig. 8. El dispositivo se midió empleando el método de prueba de espacio libre en un dispositivo anecoico de microondas. cámara. La muestra de PMA de banda ultra ancha se fabricó mediante procesos litográficos ópticos en tres sustratos ( ε _r =4,2 y tanδ =0,02) con espesores de 2 mm, 1 mm, 1 mm y 1 mm. Dos antenas de bocina de ganancia estándar polarizadas linealmente como transmisor y receptor se conectaron al analizador de red vectorial Agilent (VNA, N5230C). Para eliminar la interferencia del medio ambiente, se adoptó en experimentos la función de compuerta en el dominio del tiempo en Network Analyzer. Los dispositivos se colocaron verticalmente en el centro de un tocadiscos para garantizar que la onda EM pudiera ser similar a una onda plana en la parte frontal del dispositivo. La distancia entre las antenas y los dispositivos bajo prueba satisfizo la condición de campo lejano.

Prototipos de los dispositivos PMA de banda ultraancha propuestos en una cámara anecoica de microondas

Los resultados experimentales de la absorción angular para la muestra de PMA propuesta se dan en la Fig.9 cuando el ángulo de incidencia ( θ ) cambiado de 0 a 45 °. Los resultados medidos ilustraron que la absorción angular disminuyó lentamente a medida que el ángulo de incidencia aumentaba de 0 a 45 ° en la x - y y - incidencias polarizadas. Cuando el ángulo de incidencia era cero ( θ =0), la absorción de banda ultra ancha de 4,48 a 25,46 GHz podría lograrse con una absortividad superior al 80% no solo en 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 - y 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. un 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.

Abreviaturas

EM:: Electromagnético
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

Efecto de interacción de la temperatura y la intensidad de excitación en las características de fotoluminiscencia de los puntos cuánticos de superficie de InGaAs / GaAs Dispositivo multifuncional con funciones conmutables de absorción y conversión de polarización en el rango de terahercios

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