Absorbedor de Metamaterial Ultra-delgado, Triple Banda, 99,9% Eficiencia y Estabilidad de Gran Ángulo para Aplicaciones Conformales Banda X/Ku

Resumen

Se presenta un absorbedor de metamaterial (MA) ultradelgado y flexible con tres picos de absorción. El absorbedor propuesto tiene tres picos a 8,5, 13,5 y 17 GHz (bandas X y Ku) con absorción del 99,9 %, 99,5 % y 99,9 %, respectivamente. La estructura propuesta tiene solo 0,4 mm de espesor, aproximadamente 1/88, 1/55 y 1/44 de las longitudes de onda en espacio libre de las frecuencias de absorción. El MA también es insensible a la polarización debido a su geometría simétrica. Además, la estructura exhibe absorción mínima del 86 % (incidencia TE) dentro de 60° de ángulo de incidencia. Para incidencia TM, el absorbedor exhibe más del 99 % de absorción hasta 60° de incidencia. Se investigaron distribuciones de corriente superficial y campo eléctrico para analizar el mecanismo de absorción. Se realizaron análisis de parámetros para optimización. El rendimiento del MA se demostró experimentalmente en espacio libre en una muestra con 20 × 30 celdas unitarias fabricadas en dieléctrico flexible. Bajo incidencia normal, el MA fabricado exhibe absorción casi perfecta en cada pico para todos los ángulos de polarización, y los resultados experimentales son consistentes con simulaciones. Debido a sus ventajas de absorción de alta eficiencia en amplio rango de ángulos de incidencia, el absorbedor propuesto puede usarse en recolección de energía y blindaje electromagnético.

Introducción

En años recientes, los metamateriales han recibido gran atención por sus propiedades exóticas, como índice de refracción negativo, imagen perfecta y efectos Doppler inversos. Debido a estas propiedades, se han propuesto para diversos dispositivos: camuflaje electromagnético, sensores ultra-sensibles, filtros y absorbedores. En particular, los absorbedores de metamaterial (MA), comparados con absorbedores de microondas tradicionales, se usan en campos desde militar hasta electrónica de consumo. Los MA tienden a ser ligeros y delgados.

En 2008, Landy et al. presentaron el primer MA perfecto. Posteriormente, diferentes tipos de MA: mono-banda, dual-banda, multi-banda y banda ancha, han sido presentados. Entre estos, los MA multi-banda permiten absorción perfecta en varias frecuencias discretas, permitiendo aplicaciones como sensado multi-banda. En general, un MA multi-banda puede configurarse con dos métodos. El primero es el método de construcción coplanar, donde varios resonadores de diferentes tamaños forman una superestructura unitaria. El segundo implica apilamiento vertical de estructuras multi-capa alternadas. Sin embargo, ninguno es ideal para fabricar estructura que proporcione absorción multi-banda. El método coplanar lleva a expansión inevitable del tamaño de la celda unitaria, mientras el diseño en capas no elimina desventaja de gran espesor y peso. Recientemente, se presentaron diseños estructurales simplificados para absorción multi-banda; no obstante, la absorción en ángulo de incidencia amplio aún necesita mejora.

En este artículo, proponemos un método de diseño que combina ventaja de tamaño compacto, ultra-delgado, ligero y fácil fabricación. Por mérito del diseño de celda unitaria, el MA triple-banda propuesto exhibe alta absorción incluso en ángulos amplios de incidencia. Resultados de simulación revelan tres bandas de absorción distintas con picos de 99,9 %, 99,5 % y 99,9 % a 8,5, 13,5 y 17 GHz. La estructura simétrica asegura absorción insensible a diferentes ángulos de polarización. Además, el MA propuesto ofrece absorción >86 % y >99 % para ondas TE y TM polarizadas a 60° de incidencia, respectivamente. Se examinó la relación entre parámetros geométricos y espectro de absorción. Para validar el rendimiento, un prototipo con 20 × 30 celdas unitarias fue fabricado, y resultados experimentales son consistentes con simulaciones. Debido a su bajo espesor y efectividad en amplio rango de ángulos, la estructura MA fue fabricada en película de poliamida altamente flexible, usable en aplicaciones no planas y conformales.

Métodos/Experimental

La Figura 1 muestra la geometría de la celda unitaria del MA propuesto, que consiste en capa de resonancia, capa dieléctrica y capa metálica de tierra. 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° alrededor del centro de la celda. La capa patrón superior y capa de tierra inferior son de cobre de 0,02 mm con conductividad 5,8 × 10⁷ S/m. El sustrato fue fabricado en poliamida con permitividad relativa 2,9 y tangente de pérdida 0,02. Los parámetros optimizados del MA se listan en Tabla 1.

Los espectros de absorción simulados se determinaron por simulación de diferencias finitas en dominio temporal (FDTD). En la simulación, condiciones de frontera de celda unitaria se aplicaron en direcciones x e y, mientras condición de puerto Floquet se impuso en dirección z. Se asumió onda EM plana incidente sobre la superficie del MA. La absorción (A) se define como A(ω)=1−|S₁₁(ω)|²−|S₂₁(ω)|², donde S₁₁ y S₂₁ son coeficientes de reflexión y transmisión. Como S₂₁=0 por reflexión total del plano de tierra de cobre, la absorción se simplifica a A(ω)=1−|S₁₁(ω)|². Los espectros simulados de reflexión y absorción bajo incidencia normal se muestran en Fig. 2a. El MA propuesto exhibe tres picos a 8,5, 13,5 y 17 GHz con absorción 99,9 %, 99,5 % y 99,9 %; factores Q correspondientes: 26,8, 28,4 y 27,1.

La Figura 2b muestra espectros de absorción para diferentes ángulos de polarización. La absorción permanece estable para ángulos de 0° a 90°. Por tanto, el MA propuesto es insensible a la polarización de ondas EM incidentes. Además, se investigó absorción en ángulos oblicuos (θ). Para polarización TE (Fig. 2c), la absorción disminuye al aumentar θ, porque aumenta el componente horizontal de intensidad de campo eléctrico para ondas TE, disminuyendo la efectividad de la corriente circulante generada. Sin embargo, los tres picos permanecen >86 % hasta θ=60°. Para polarización TM (Fig. 2d), la absorción en cada pico >99 % a θ=60°. Esto ocurre porque la absorción es menos sensible a cambios en intensidad de campo eléctrico por aumento de θ. Otra ventaja: estabilidad de frecuencia de absorción, los tres picos no cambian significativamente al aumentar θ.

Resultados y Discusión

Para facilitar explicación detallada de absorción, se presentan espectros de respuesta para diferentes partes de la estructura resonante en Fig. 3. Cada elemento en la capa patrón es responsable de una resonancia individual e intensa. La combinación conduce a absorción multi-banda perfecta. Como parte del diseño MRR, una mancha cuadrada se añade a cada esquina del resonador de anillo cerrado, aumentando la longitud eléctrica y desplazando la frecuencia de absorción hacia rojo sin aumentar el tamaño.

Para explorar mecanismo de absorción de ondas EM, se muestran distribuciones de densidad de corriente superficial en capas metálicas superior e inferior correspondientes a tres picos (Fig. 4). La corriente superficial en capa superior se concentra en MRR, SRR y estructuras en forma de 7 a 8,5, 13,5 y 17 GHz respectivamente. La distribución revela el origen de absorción. Comparado con capa superior, la intensidad en capa inferior es mucho más débil. La dirección de corriente en capa superior es anti-paralela al plano de tierra, resultando en bucles de corriente equivalentes que excitan dipolo magnético. La Figura 5 muestra amplitud de campo eléctrico (|E|) en MA para ondas TE incidentes a θ=0°, 30°, 60°. El campo se concentra fuertemente en barras horizontales del MRR a 8,5 GHz. A 13,5 GHz, absorción perfecta por resonancia LC en SRR. A 17 GHz, absorción por resonancia dipolo en mancha interna. Los resonadores en capa superior también desarrollan resonancias eléctricas. Ambas resonancias magnéticas y eléctricas contribuyen a fuerte absorción EM. Además, Fig. 5 muestra intensidad de campo disminuye al aumentar θ, resultando en disminución de absorción EM.

La Figura 6 muestra efectos de geometría del MA en absorción. En Fig. 6a, frecuencias resonantes se desplazan a frecuencias mayores al aumentar a. Relación entre ancho de gap b del SRR y espectro (Fig. 6b): capacitancia equivalente disminuye al aumentar b; pico central se desplaza a frecuencias mayores. Sin embargo, picos inferior y superior permanecen casi inalterados, forma conveniente de sintonizar frecuencias individuales. Dependencia de absorción en ancho de barra del anillo w₂ (Fig. 6c): frecuencias resonantes inferior y central se desplazan hacia rojo al aumentar w₂. Al aumentar w₂, capacitancia equivalente aumenta porque distancia entre SRR y MRR disminuye, causando desplazamiento hacia rojo. Finalmente, aumentar ancho de barra w₃ causa desplazamiento hacia rojo en frecuencia resonante superior (Fig. 6d). Como modo resonante determinado por parche interno en forma de 7, aumentar w₃ aumenta inductancia equivalente del resonador interno, resultando en desplazamiento hacia rojo.

Un prototipo de 240 mm × 160 mm (20 × 30 celdas unitarias) fue fabricado (Fig. 7a). En preparación, capa delgada de cobre se evaporó sobre poliamida, y patrones se grabaron por ablación láser. Configuración de medición (Fig. 7b): absorción probada con método de espacio libre. Par de antenas corneta conectado a analizador de red vectorial (Rohde & Schwarz ZVA 40) para medir reflexión. Se midió espectro de reflexión de placa de cobre mismo tamaño y se usó como referencia. La muestra se colocó en misma ubicación y reflexión real se calculó restando potencias reflejadas medidas. Figura 8a muestra espectro de reflexión de placa de cobre y muestra fabricada; absorción en Fig. 8b. Absorción medida: 96 %, 97 %, 94 % a 8,7, 14,1 y 17,6 GHz. Comparado con simulación, picos se desplazan ligeramente a frecuencias mayores por tolerancias de fabricación y diferencias en permitividad del sustrato.

Figura 9 muestra absorción medida en diferentes ángulos de polarización φ=0°, 30°, 60°. Resultado muestra estructura insensible a ángulo de polarización. Figura 10 muestra espectros medidos para TE y TM a θ=30° y 60°. Absorción para ambas polarizaciones >95 % a θ=60° para todos los picos.

Como se mencionó, el MA fue fabricado en película de poliamida altamente flexible, usable en aplicaciones no planas. Figura 11a: absorbedor curvado y adherido a cilindro de 8 cm radio, absorción medida. Figura 11b: espectros para absorbedor plano y conformal. Absorción similar antes y después de doblar, importante en aplicaciones conformales.

Conclusión

Se presenta un MA ultra-delgado, flexible con tres picos de absorción. Comparado con diseños previos, nuestro absorbedor es ultradelgado con espesor total 0,4 mm, ~1/88 de longitud de onda en espacio libre correspondiente a frecuencia de absorción inferior. El absorbedor triple-banda exhibe alta absorción hasta 60° de incidencia (>86 % y >99 % para TE y TM). La simetría asegura absorción insensible a cambios de polarización. Un MA con 20 × 30 celdas unitarias fue fabricado y medido para diferentes ángulos. Resultados muestran alta absorción en ángulos grandes. El absorbedor en película flexible de poliamida puede usarse fácilmente en aplicaciones no planas y conformales. El absorbedor propuesto tiene gran potencial en recolección de energía y blindaje electromagnético.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricción.

Abreviaturas

MA:

Absorbedor de metamaterial

EM:

Electromagnético

SRR:

Resonador de anillo dividido

MRR:

Resonador de anillo modificado

FDTD:

Diferencias finitas en dominio temporal