Un absorbente de metamaterial ultrafino de triple banda con estabilidad de ángulo de incidencia amplio para aplicaciones de conformación en la banda de frecuencia X y Ku

Introducción

En los últimos años, los metamateriales han recibido una gran preocupación debido a sus propiedades exóticas, como el índice de refracción negativo [1], la imagen perfecta [2] y los efectos Doppler inversos [3]. Debido a estas propiedades, se ha propuesto el uso de metamateriales en varios dispositivos, como el camuflaje electromagnético (EM) [4], la detección ultrasensible [5], los filtros [6, 7] y los absorbentes [8,9,10, 11,12]. En particular, los absorbentes de metamateriales (MA), en comparación con los absorbedores de microondas tradicionales, se utilizan en una variedad de campos, que van desde el ejército hasta la electrónica de consumo. Los MA tienden a ser livianos y delgados.

En 2008, Landy et al. [13]. Posteriormente, diferentes tipos de MA, como monobanda [14, 15], doble banda [16,17,18,19,20,21], multibanda [22,23,24,25,26,27 ], y absorbentes de banda ancha [28,29,30,31,32,33,34,35,36], han sido presentados por varios investigadores. Entre estos MA, los MA multibanda permiten una absorción perfecta en varias frecuencias discretas, lo que permite aplicaciones como la detección multibanda. En general, un MA multibanda se puede configurar con dos métodos. El primer método se conoce comúnmente como método de construcción coplanar, en el que varios resonadores de diferentes tamaños se forman en una estructura de superunidad [37, 38]. El segundo método implica el apilamiento vertical de estructuras multicapa alternas [39, 40]. Sin embargo, ninguno de estos métodos es ideal para fabricar una estructura que proporcione absorción multibanda. Por ejemplo, el método de construcción coplanar conduce a una expansión inevitable del tamaño de la unidad MA, mientras que el diseño en capas no podría eliminar la desventaja del gran espesor y el peso pesado de la estructura. Recientemente, se presentaron algunos diseños estructurales simplificados para lograr la absorción multibanda [41, 42]; no obstante, la absorción en un ángulo de incidencia amplio aún debe mejorarse.

En este artículo, proponemos un método de diseño que combina la ventaja del tamaño compacto, ultradelgado, liviano y fácil de fabricar. En mérito del diseño de celda unitaria, el MA de triple banda propuesto exhibe una alta absorción incluso en amplios ángulos de incidencia. Los resultados de la simulación revelan tres bandas de absorción distintas con una absorción máxima del 99,9%, 99,5% y 99,9% a 8,5, 13,5 y 17 GHz, respectivamente. La estructura simétrica del MA asegura que su absorción sea insensible a diferentes ángulos de polarización. Además, el MA propuesto ofrece una absorción superior al 86% y al 99% cuando las ondas polarizadas TE y TM inciden en un ángulo de incidencia de 60 °, respectivamente. Se examinó la relación entre varios parámetros geométricos y el espectro de absorción. Para validar el rendimiento de absorción del MA, se fabricó un prototipo con celdas unitarias de 20 × 30 y se encontró que los resultados experimentales son consistentes con los resultados de la simulación. Debido a su bajo espesor y efectividad para una amplia gama de ángulos de incidencia, la estructura MA se fabricó en una película de poliimida altamente flexible, que se puede usar en aplicaciones no planas y conformadas.

Métodos / Experimental

La Figura 1 muestra la geometría de la celda unitaria para el MA propuesto, que consta de una capa de resonancia, una capa dieléctrica y una capa de tierra metálica. La estructura resonante combina un resonador de anillo dividido (SRR), un resonador de anillo modificado (MRR) y ocho estructuras idénticas en forma de 7, cada una rotada 45 ° a lo largo del centro de la unidad. La capa superior con patrón y la capa de tierra inferior están hechas de cobre de 0,02 mm de espesor y un conductor eléctrico de 5,8 × 10 ⁷ S / m. El sustrato se fabricó sobre poliimida con permitividad relativa de 2,9 y tangente de pérdida de 0,02. Los parámetros optimizados del MA se enumeran en la Tabla 1.

Geometría esquemática de una celda unitaria para el MA propuesto. un Vista superior, b disposición de las ocho estructuras de resonancia en forma de 7, y c vista en perspectiva de una celda unitaria

Los espectros de absorción simulados del MA propuesto se determinaron a partir de una simulación en el dominio del tiempo de diferencia finita (FDTD). En la simulación, las condiciones de frontera de la celda unitaria se aplicaron en las direcciones xey, mientras que la condición del puerto Floquet se impuso a lo largo de la dirección z. Además, se supuso que una onda EM plana golpeaba la superficie del MA. La absortividad ( A ) se puede definir como \ (A \ left (\ upomega \ right) =1- {| {S} _ {11} (\ upomega) |} ^ {2} - {| {S} _ {21} (\ upomega) |} ^ {2} \), donde \ ({S} _ {11} (\ upomega) \) y \ ({S} _ {21} (\ upomega) \) son los coeficientes de reflexión y transmisión , respectivamente. Dado que el coeficiente de transmisión \ ({S} _ {21} (\ upomega) \) es cero debido a la reflexión total del plano de tierra del cobre, la absortividad se puede simplificar como \ (A \ left (\ upomega \ right) =1 - {| {S} _ {11} (\ upomega) |} ^ {2} \). Los espectros de reflexión y absorción simulados del MA propuesto bajo incidencia normal se muestran en la Fig. 2a. El MA propuesto exhibe tres picos de absorción a 8.5, 13.5 y 17 GHz con una absorción del 99.9%, 99.5% y 99.9%, respectivamente; el Q correspondiente El factor de cada modo resonante puede llegar a 26,8, 28,4 y 27,1, respectivamente.

un Espectros de absorción y reflexión simulados con incidencia normal. b Espectro de absorción para diferentes ángulos de polarización φ . Absorción para diferentes θ valores para c TE y d Polarización TM

La Figura 2b muestra los espectros de absorción de la estructura MA propuesta para diferentes ángulos de polarización. Se puede ver que la absorción del MA permanece estable para un ángulo de polarización que varía de 0 ° a 90 °. Por lo tanto, el MA propuesto es insensible a la polarización de ondas EM incidentes. Además, investigamos más a fondo la absorción en el MA diseñado en un ángulo de incidencia oblicuo ( θ ). Para la polarización TE, como se muestra en la Fig. 2c, la absortividad disminuye a medida que θ aumenta. Esto puede ocurrir porque el aumento de θ Disminuye la componente horizontal de la intensidad del campo eléctrico para las ondas TE. Por tanto, la eficacia de la corriente circulante generada por el campo eléctrico incidente disminuye gradualmente. Sin embargo, los tres picos de absorción permanecen por encima del 86% como θ alcanzar hasta 60 °. Para la polarización de TM, como se muestra en la Fig. 2d, la absortividad en cada pico de resonancia es superior al 99% en θ =60 °. Esto ocurre porque la absorción en el MA propuesto es menos sensible a los cambios en la intensidad del campo eléctrico causados ​​por un aumento en θ . Otra ventaja del MA propuesto es la estabilidad de la frecuencia de absorción, como se muestra en la Fig.2, donde los tres picos de absorción distintos no cambian significativamente a medida que θ aumenta.

Resultados y discusión

Para facilitar una explicación detallada de la absorción, los espectros de respuesta para diferentes partes de la estructura de resonancia se presentan en la Fig. 3. Como se muestra en la Fig. 3, cada elemento dentro de la capa con patrón es responsable de una resonancia individual e intensa. Como resultado, una combinación de estos elementos conduce a una perfecta absorción multibanda. Como parte del diseño de MRR, se agrega un parche cuadrado a cada esquina del resonador de anillo cerrado, lo que aumenta la longitud eléctrica del resonador de anillo y desplaza al rojo la frecuencia de absorción sin aumentar el tamaño de la estructura.

Contribución de los elementos individuales a la absorción

Para explorar más el mecanismo de absorción de ondas EM, en la Fig. 4 se muestran las distribuciones de densidad de corriente superficial en las capas metálicas superior e inferior correspondientes a tres picos de absorción. Se puede ver que la corriente superficial en la capa superior con patrón se concentra en el MRR , el SRR y las estructuras gráficas en forma de 7 a 8.5, 13.5 y 17 GHz, respectivamente. La distribución de la corriente superficial también revela el origen de la absorción de ondas, como se muestra en la Fig. 3. En comparación con la corriente superficial en la capa superior, la intensidad en la capa inferior del suelo es mucho más débil. La dirección de la corriente superficial en la capa superior es antiparalela con respecto al plano de tierra, lo que da como resultado bucles de corriente equivalentes dentro del MA que excita un dipolo magnético. Mientras tanto, la Fig.5 muestra la amplitud del campo eléctrico (| E |) en el MA para ondas de polarización TE incidentes cuando θ =0 °, 30 ° y 60 °. Se puede ver que el campo eléctrico está fuertemente concentrado en las barras horizontales del MRR cuando el MRR absorbe a 8.5 GHz. A 13,5 GHz, como se muestra en la Fig. 5 (b), la absorción perfecta se debe a la resonancia LC en el SRR. Finalmente, la absorción a 17 GHz se debe a una resonancia dipolo en el parche interno. Los resonadores de la capa superior también desarrollan resonancias eléctricas. Tanto la resonancia magnética como la eléctrica contribuyen a una fuerte absorción EM en la estructura propuesta. Además, la Fig. 5 muestra que la intensidad del campo disminuye a medida que θ aumenta. Como resultado, la absorción de ondas EM también disminuye con el aumento de θ .

Distribución de corriente superficial simulada en la capa superior con patrón y la capa inferior del suelo en a , d 8.5, b , e 13.5 y c , f 17 GHz

El absoluto de la distribución del campo eléctrico (| E |) en el MA para la polarización TE en diferentes ángulos de incidencia θ de un 8.5, b 13.5 y c 17 GHz

La Figura 6 muestra los efectos de la geometría MA sobre la absorción en el MA propuesto. Como se muestra en la Fig. 6a, las frecuencias de resonancia se desplazan hacia frecuencias más altas como a aumenta. La relación entre el ancho del espacio b del SRR y el espectro de absorción se muestra en la Fig. 6b. La capacitancia equivalente disminuye a medida que aumenta b; por tanto, el pico resonante central se desplaza a frecuencias más altas. Sin embargo, los picos de absorción inferior y superior permanecen casi sin cambios, lo que proporciona una forma conveniente de ajustar las frecuencias de absorción individuales. Además, la dependencia de la absorción del ancho de la barra del anillo w ₂ se presenta en la Fig. 6c, donde las frecuencias resonantes inferior y central se desplazan al rojo como w ₂ aumenta. Como w ₂ aumenta, la capacitancia equivalente aumenta porque la distancia entre el SRR y el MRR disminuye, lo que hace que las frecuencias de resonancia inferior y central se desplacen hacia el rojo. Finalmente, aumentando el ancho de la barra w ₃ causará un desplazamiento hacia el rojo en la frecuencia de resonancia superior, como se muestra en la Fig. 6d. Como el modo resonante está determinado por el parche interno en forma de 7, aumentando w ₃ también aumenta la inductancia equivalente del resonador interno. Por lo tanto, la frecuencia de resonancia presenta un corrimiento hacia el rojo.

Espectro de absorción del MA para diferentes parámetros estructurales: a unidad de periodicidad a , b Ancho de espacio de SRR b , c Ancho de barra de anillo MSR w ₂ , d Ancho de parche en forma de 7 w ₃

Se fabricó un prototipo de 240 mm × 160 mm, correspondiente a 20 × 30 celdas unitarias, como se muestra en la Fig. 7a. En la preparación de la muestra, se evaporó una fina capa de cobre sobre la superficie de la poliimida y luego se grabaron los patrones mediante ablación con láser. La configuración de medición se muestra en la Fig. 7b, donde se probó la absorción en la muestra con el método del espacio libre. Se conectó un par de antenas de bocina a un analizador de redes vectoriales (Rohde &Schwarz ZVA 40) para medir la reflexión de la muestra. Se midió el espectro de reflexión para una placa de cobre del mismo tamaño que la muestra fabricada y se utilizó como referencia. A continuación, se colocó la muestra en el mismo lugar y se calculó la reflexión real de la muestra restando las dos potencias reflejadas medidas. La figura 8a muestra el espectro de reflexión medido a partir de la placa de cobre y la muestra fabricada, mientras que la absortividad del MA se muestra en la figura 8b. La absorción medida es del 96%, 97% y 94% a 8,7, 14,1 y 17,6 GHz, respectivamente. En comparación con los resultados de la simulación, las frecuencias de los picos de absorción se mueven ligeramente hacia frecuencias más altas debido a las tolerancias de fabricación y las diferencias en la permitividad del sustrato.

un Prototipo MA fabricado. b Configuración de medición

un Coeficiente de reflexión y b absortividad del MA con incidencia normal

La Figura 9 muestra la absorción en el MA medida en diferentes ángulos de polarización de φ =0 °, 30 ° y 60 °. El resultado muestra que la estructura propuesta es insensible al ángulo de polarización. La Figura 10 muestra los espectros de absorción medidos para la polarización TE y TM cuando θ =30 ° y 60 °. La absorción para ambas polarizaciones permanece por encima del 95% cuando θ =60 ° para todos los picos de absorción.

Absorción medida para diferentes ángulos de polarización bajo incidencia normal

Absorción simulada y medida para diferentes ángulos de incidencia: a TE y b Polarización TM

Como se mencionó anteriormente, el MA propuesto se fabricó sobre una película de poliimida altamente flexible, que se puede usar en aplicaciones no planas. Como se muestra en la Fig. 11a, el absorbedor se curvó y se unió a un cilindro con un radio de 8 cm, y luego se midió su absorción. La Figura 11b muestra los espectros de absorción para el absorbente plano y conforme. Se puede observar que la absortividad de ambos absorbentes es similar. Además, la absorción máxima en las tres frecuencias resonantes fue similar antes y después de la flexión, lo cual es importante en aplicaciones de conformación.

un Absorbedor flexible unido a un cilindro. b Espectros de absorción del MA plano y conforme

Conclusión

En este artículo se presenta un MA ultrafino y flexible con tres picos de absorción. En comparación con los diseños anteriores, nuestro absorbente propuesto es ultrafino con un grosor total de 0,4 mm, que es aproximadamente 1/88 de la longitud de onda del espacio libre correspondiente a la frecuencia de absorción más baja. El absorbedor de triple banda propuesto presenta una alta absorción hasta un ángulo de incidencia de 60 ° (por encima del 86% y el 99% para la polarización TE y TM, respectivamente). Mientras tanto, la simetría de la estructura asegura que la absorción sea insensible a los cambios de polarización. Se fabricó un MA con celdas unitarias de 20 × 30 y se midió para diferentes ángulos de incidencia. Los resultados muestran que el MA exhibe una alta absorción en grandes ángulos de incidencia. El absorbente se fabricó sobre una película de poliimida flexible que se puede utilizar fácilmente en aplicaciones conformadas y no planas. El absorbedor propuesto tiene un gran potencial de uso en la recolección de energía y el blindaje electromagnético.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricciones.

Abreviaturas

MA:

Absorbente de metamaterial

EM:

Electromagnético

SRR:

Resonador de anillo partido

MRR:

Resonador de anillo modificado

FDTD:

Dominio del tiempo de diferencia finita

Uso de la impresión asistida por llama para fabricar una película fina de óxido nanoestructurado grande para aplicaciones electrocrómicas Diodos emisores de luz roja con nanocables compuestos totalmente inorgánicos CsPbI3 / TOPO Películas de conversión de color