Ein ultradünner Dreiband-Metamaterial-Absorber mit Weitwinkelstabilität für konforme Anwendungen im X- und Ku-Frequenzband

Einführung

In den letzten Jahren haben Metamaterialien aufgrund ihrer exotischen Eigenschaften wie negativer Brechungsindex [1], perfekte Bildgebung [2] und inverse Doppler-Effekte [3] weit verbreitete Bedenken hervorgerufen. Aufgrund dieser Eigenschaften wurden Metamaterialien für die Verwendung in verschiedenen Geräten vorgeschlagen, wie zum Beispiel elektromagnetische (EM) Tarnung [4], ultra-sensitive Sensoren [5], Filter [6, 7] und Absorber [8,9,10, 11,12]. Insbesondere Metamaterial-Absorber (MAs) werden im Vergleich zu herkömmlichen Mikrowellen-Absorbern in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, die vom Militär bis zur Unterhaltungselektronik reichen. MAs sind in der Regel leicht und dünn.

2008 wurde erstmals ein perfekter MA von Landy et al. [13]. Anschließend werden verschiedene Arten von MAs, wie Single-Band [14, 15], Dual-Band [16,17,18,19,20,21], Multi-Band [22,23,24,25,26,27 ] und Breitbandabsorber [28,29,30,31,32,33,34,35,36] wurden von verschiedenen Forschern vorgestellt. Unter diesen MAs ermöglichen Multiband-MAs eine perfekte Absorption bei mehreren diskreten Frequenzen, was Anwendungen wie die Multiband-Erfassung ermöglicht. Im Allgemeinen kann ein Multiband-MA mit zwei Verfahren konfiguriert werden. Die erste Methode ist allgemein als koplanare Bauweise bekannt, bei der mehrere Resonatoren unterschiedlicher Größe zu einer Super-Unit-Struktur geformt werden [37, 38]. Die zweite Methode beinhaltet das vertikale Stapeln alternierender Mehrschichtstrukturen [39, 40]. Keines dieser Verfahren ist jedoch ideal zum Herstellen einer Struktur, die eine Mehrbandabsorption bereitstellt. So führt beispielsweise die koplanare Bauweise zu einer zwangsläufigen Vergrößerung der MA-Einheitsgröße, während die geschichtete Bauweise den Nachteil der großen Dicke und des hohen Gewichts der Struktur nicht beseitigen konnte. Kürzlich wurden einige vereinfachte strukturelle Designs vorgestellt, um eine Multibandabsorption zu erreichen [41, 42]; dennoch muss die Absorption bei großem Einfallswinkel noch verbessert werden.

In diesem Beitrag schlagen wir eine Designmethode vor, die die Vorteile von kompakter Größe, ultradünnem, geringem Gewicht und einfacher Herstellung kombiniert. Aufgrund des Elementarzellendesigns zeigt der vorgeschlagene Dreiband-MA eine hohe Absorption selbst bei weiten Einfallswinkeln. Die Simulationsergebnisse zeigen drei unterschiedliche Absorptionsbanden mit einer Spitzenabsorption von 99,9 %, 99,5 % bzw. 99,9 % bei 8,5, 13,5 und 17 GHz. Die symmetrische Struktur des MA stellt sicher, dass seine Absorption gegenüber unterschiedlichen Polarisationswinkeln unempfindlich ist. Darüber hinaus bietet der vorgeschlagene MA eine Absorption von mehr als 86% bzw. 99%, wenn TE- und TM-polarisierte Wellen mit einem Einfallswinkel von 60° einfallen. Der Zusammenhang zwischen verschiedenen geometrischen Parametern und dem Absorptionsspektrum wurde untersucht. Um die Absorptionsleistung des MA zu validieren, wurde ein Prototyp mit 20 × 30 Elementarzellen hergestellt, und die experimentellen Ergebnisse stimmen mit Simulationsergebnissen überein. Aufgrund ihrer geringen Dicke und Wirksamkeit für einen breiten Einfallswinkelbereich wurde die MA-Struktur auf einem hochflexiblen Polyimidfilm hergestellt, der in nichtplanaren und konformen Anwendungen verwendet werden kann.

Methoden/Experimental

Abbildung 1 zeigt die Geometrie der Elementarzelle für die vorgeschlagene MA, die aus einer Resonanzschicht, einer dielektrischen Schicht und einer metallischen Masseschicht besteht. Die Resonanzstruktur kombiniert einen geteilten Ringresonator (SRR), einen modifizierten Ringresonator (MRR) und acht identische 7-förmige Strukturen, die jeweils um 45° um die Mitte der Einheit gedreht sind. Die obere strukturierte Schicht und die untere Masseschicht bestehen aus 0,02 mm dickem Kupfer und einer elektrischen Leitfähigkeit von 5,8 × 10 ⁷ S/m. Das Substrat wurde auf Polyimid mit einer relativen Permittivität von 2,9 und einem Verlustfaktor von 0,02 hergestellt. Die optimierten Parameter des MA sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Schematische Geometrie einer Elementarzelle für die vorgeschlagene MA. a Ansicht von oben, b Anordnung der acht 7-förmigen Resonanzstrukturen und c Perspektivische Ansicht einer Elementarzelle

Die simulierten Absorptionsspektren der vorgeschlagenen MA wurden aus einer Finite-Differenz-Zeitbereichssimulation (FDTD) bestimmt. In der Simulation wurden die Randbedingungen der Elementarzelle in x- und y-Richtung angewendet, während die Floquet-Port-Bedingung in z-Richtung auferlegt wurde. Darüber hinaus wurde angenommen, dass eine ebene EM-Welle auf die Oberfläche des MA trifft. Die Saugfähigkeit (A ) kann definiert werden als \(A\left(\upomega \right)=1-{|{S}_{11}(\upomega)|}^{2}-{|{S}_{21}(\ upomega )|}^{2}\), wobei \({S}_{11}(\upomega)\) und \({S}_{21}(\upomega)\) die Reflexions- und Transmissionskoeffizienten sind , bzw. Da der Transmissionskoeffizient \({S}_{21}(\upomega)\) aufgrund der Totalreflexion der Kupfer-Massefläche null ist, kann der Absorptionsgrad vereinfacht zu \(A\left(\upomega \right)=1 -{|{S}_{11}(\upomega)|}^{2}\). Die simulierten Reflexions- und Absorptionsspektren der vorgeschlagenen MA bei senkrechtem Einfall sind in Abb. 2a dargestellt. Die vorgeschlagene MA zeigt drei Absorptionspeaks bei 8,5, 13,5 und 17 GHz mit einer Absorption von 99,9 %, 99,5 % bzw. 99,9 %; das entsprechende Q Faktor jedes Resonanzmodus kann 26,8, 28,4 bzw. 27,1 erreichen.

a Simulierte Absorptions- und Reflexionsspektren bei senkrechtem Einfall. b Absorptionsspektrum für verschiedene Polarisationswinkel φ . Absorption für verschiedene θ Werte für c TE und d TM-Polarisation

Abbildung 2b zeigt die Absorptionsspektren der vorgeschlagenen MA-Struktur für verschiedene Polarisationswinkel. Man sieht, dass die Absorption des MA bei einem Polarisationswinkel von 0° bis 90° stabil bleibt. Daher ist die vorgeschlagene MA unempfindlich gegenüber der Polarisation einfallender EM-Wellen. Darüber hinaus haben wir die Absorption im entworfenen MA bei schrägem Einfallswinkel (θ ). Für die TE-Polarisation, wie in Abb. 2c gezeigt, nimmt das Absorptionsvermögen mit θ . ab steigt. Dies kann vorkommen, weil die Erhöhung von θ verringert die horizontale Komponente der elektrischen Feldstärke für TE-Wellen. Daher nimmt die Wirksamkeit des durch das einfallende elektrische Feld erzeugten zirkulierenden Stroms allmählich ab. Die drei Absorptionspeaks bleiben jedoch über 86% als θ bis zu 60° erreichen. Für die TM-Polarisation ist, wie in Abb. 2d gezeigt, das Absorptionsvermögen bei jedem Resonanzpeak bei θ . größer als 99 % = 60°. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Absorption im vorgeschlagenen MA weniger empfindlich auf Änderungen der elektrischen Feldstärke reagiert, die durch einen Anstieg von θ . verursacht werden . Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen MA ist die Absorptionsfrequenzstabilität, wie in Abb. 2 gezeigt, wo sich die drei unterschiedlichen Absorptionspeaks nicht signifikant ändern, wenn θ erhöht.

Ergebnisse und Diskussion

Um eine detaillierte Erklärung der Absorption zu erleichtern, sind die Antwortspektren für verschiedene Teile der Resonanzstruktur in Abb. 3 dargestellt. Wie in Abb. 3 gezeigt, ist jedes Element innerhalb der strukturierten Schicht für eine individuelle und intensive Resonanz verantwortlich. Im Ergebnis führt eine Kombination dieser Elemente zu einer perfekten Multiband-Absorption. Als Teil des MRR-Designs wird jeder Ecke des geschlossenen Ringresonators ein quadratischer Patch hinzugefügt, der die elektrische Länge des Ringresonators erhöht und die Absorptionsfrequenz rot verschiebt, ohne die Größe der Struktur zu vergrößern.

Beitrag einzelner Elemente zur Absorption

Um den Mechanismus der EM-Wellenabsorption weiter zu untersuchen, sind in Abb. 4 Oberflächenstromdichteverteilungen auf der oberen und unteren Metallschicht gezeigt, die drei Absorptionspeaks entsprechen. Man kann sehen, dass der Oberflächenstrom auf der oberen strukturierten Schicht auf MRR . konzentriert ist , der SRR und die 7-förmigen grafischen Strukturen bei 8,5, 13,5 bzw. 17 GHz. Die Oberflächenstromverteilung zeigt auch den Ursprung der Wellenabsorption, wie in Abb. 3 gezeigt. Im Vergleich zum Oberflächenstrom auf der oberen Schicht ist die Intensität auf der unteren Grundschicht viel geringer. Die Richtung des Oberflächenstroms auf der oberen Schicht ist in Bezug auf die Masseebene antiparallel, was zu äquivalenten Stromschleifen innerhalb des MA führt, die einen magnetischen Dipol anregen. Währenddessen zeigt Abb. 5 die Amplitude des elektrischen Felds (|E |) im MA für einfallende TE-Polarisationswellen bei θ = 0°, 30° und 60°. Man sieht, dass das elektrische Feld stark auf die horizontalen Balken des MRR konzentriert ist, da der MRR bei 8,5 GHz absorbiert. Bei 13,5 GHz, wie in Abb. 5(b) gezeigt, ist die perfekte Absorption auf die LC-Resonanz im SRR zurückzuführen. Schließlich ist die Absorption bei 17 GHz auf eine Dipolresonanz im inneren Patch zurückzuführen. Auch die Resonatoren in der obersten Schicht entwickeln elektrische Resonanzen. Sowohl die magnetischen als auch die elektrischen Resonanzen tragen zu einer starken EM-Absorption in der vorgeschlagenen Struktur bei. Außerdem zeigt Abb. 5, dass die Feldstärke mit θ . abnimmt steigt. Infolgedessen nimmt auch die Absorption von EM-Wellen mit der Zunahme von θ . ab .

Simulierte Oberflächenstromverteilung auf der oberen strukturierten Schicht und der unteren Bodenschicht bei a , d 8.5, b , e 13.5 und c , f 17 GHz

Das Absolute der elektrischen Feldverteilung (|E |) im MA für TE-Polarisation bei unterschiedlichem Einfallswinkel θ von a 8.5, b 13.5 und c 17 GHz

Abbildung 6 zeigt die Auswirkungen der MA-Geometrie auf die Absorption im vorgeschlagenen MA. Wie in Abb. 6a gezeigt, verschieben sich die Resonanzfrequenzen zu höheren Frequenzen als a steigt. Die Beziehung zwischen Spaltbreite b des SRR und des Absorptionsspektrums ist in Abb. 6b dargestellt. Die Ersatzkapazität nimmt mit zunehmendem b ab; somit verschiebt sich die Mittenresonanzspitze zu höheren Frequenzen. Die unteren und oberen Absorptionspeaks bleiben jedoch fast unverändert, was eine bequeme Möglichkeit bietet, einzelne Absorptionsfrequenzen abzustimmen. Außerdem ist die Abhängigkeit der Absorption von der Breite des Ringstabs w ₂ ist in Abb. 6c dargestellt, wobei sowohl die untere als auch die mittlere Resonanzfrequenz eine Rotverschiebung als w . aufweist ₂ steigt. Wie w ₂ zunimmt, nimmt die äquivalente Kapazität zu, da der Abstand zwischen SRR und MRR abnimmt, was eine Rotverschiebung der unteren und mittleren Resonanzfrequenzen verursacht. Schließlich erhöhen Sie die Balkenbreite w ₃ verursacht eine Rotverschiebung der oberen Resonanzfrequenz, wie in Fig. 6d gezeigt. Da der Resonanzmodus durch den inneren 7-förmigen Patch bestimmt wird, erhöht sich w ₃ erhöht auch die äquivalente Induktivität des inneren Resonators. Daher weist die Resonanzfrequenz eine Rotverschiebung auf.

Absorptionsspektrum der MA für verschiedene Strukturparameter:a Einheitsperiodizität a , b SRR-Spaltbreite b , c MSR-Ringstabbreite w ₂ , d 7-förmige Patchbreite w ₃

Ein 240 mm ×  160 mm-Prototyp, der 20 × 30-Elementarzellen entspricht, wurde hergestellt, wie in Fig. 7a gezeigt. Bei der Probenvorbereitung wurde eine dünne Kupferschicht auf die Oberfläche des Polyimids aufgedampft und anschließend wurden die Muster mittels Laserablation geätzt. Der Messaufbau ist in Abb. 7b dargestellt, wobei die Absorption in der Probe mit der Freiraummethode getestet wurde. Ein Paar Hornantennen wurde an einen Vektornetzwerkanalysator (Rohde &Schwarz ZVA 40) angeschlossen, um die Reflexion von der Probe zu messen. Das Reflexionsspektrum für eine Kupferplatte mit der gleichen Größe wie die hergestellte Probe wurde gemessen und als Referenz verwendet. Die Probe wurde dann an derselben Stelle platziert und die tatsächliche Reflexion von der Probe wurde durch Subtrahieren der beiden gemessenen reflektierten Leistungen berechnet. Abbildung 8a zeigt das von der Kupferplatte und der hergestellten Probe gemessene Reflexionsspektrum, während das Absorptionsvermögen des MA in Abbildung 8b gezeigt ist. Die gemessene Absorption beträgt 96 %, 97 % bzw. 94 % bei 8,7, 14,1 und 17,6 GHz. Im Vergleich zu den Simulationsergebnissen verschieben sich die Absorptionsspitzenfrequenzen aufgrund von Fertigungstoleranzen und Unterschieden in der Permittivität des Substrats leicht zu höheren Frequenzen.

a Hergestellter MA-Prototyp. b Messaufbau

a Reflexionskoeffizient und b Absorptionsvermögen der MA bei normaler Inzidenz

Abbildung 9 zeigt die Absorption im MA, gemessen bei verschiedenen Polarisationswinkeln von φ = 0°, 30° und 60°. Das Ergebnis zeigt, dass die vorgeschlagene Struktur gegenüber dem Polarisationswinkel unempfindlich ist. Abbildung 10 zeigt die gemessenen Absorptionsspektren für TE- und TM-Polarisation bei θ = 30° und 60°. Die Absorption für beide Polarisationen bleibt über 95 %, wenn θ = 60° für alle Absorptionspeaks.

Gemessene Absorption für verschiedene Polarisationswinkel unter senkrechtem Einfall

Simulierte und gemessene Absorption für verschiedene Einfallswinkel:a TE und b TM-Polarisation

Wie bereits erwähnt, wurde der vorgeschlagene MA auf einem hochflexiblen Polyimidfilm hergestellt, der in nichtplanaren Anwendungen verwendet werden kann. Wie in Abb. 11a gezeigt, wurde der Absorber gekrümmt und an einem Zylinder mit einem Radius von 8 cm befestigt, und seine Absorption wurde dann gemessen. Abbildung 11b zeigt Absorptionsspektren für den flachen und konformen Absorber. Es ist zu beobachten, dass das Absorptionsvermögen beider Absorber ähnlich ist. Darüber hinaus war die Spitzenabsorption bei den drei Resonanzfrequenzen vor und nach dem Biegen ähnlich, was bei konformen Anwendungen wichtig ist.

a Flexibler Absorber, der an einem Zylinder befestigt ist. b Absorptionsspektren des flachen und konformen MA

Schlussfolgerung

In diesem Beitrag wird ein ultradünner, flexibler MA mit drei Absorptionspeaks vorgestellt. Im Vergleich zu früheren Designs ist unser vorgeschlagener Absorber mit einer Gesamtdicke von 0,4 mm ultradünn, was ungefähr 1/88 der Freiraumwellenlänge entspricht, die der niedrigeren Absorptionsfrequenz entspricht. Der vorgeschlagene Dreibandabsorber zeigt eine hohe Absorption bis zu einem Einfallswinkel von 60° (über 86% bzw. 99% für TE- bzw. TM-Polarisation). Gleichzeitig sorgt die Symmetrie der Struktur dafür, dass die Absorption gegenüber Polarisationsänderungen unempfindlich ist. Ein MA mit 20 × 30 Elementarzellen wurde hergestellt und für verschiedene Einfallswinkel vermessen. Die Ergebnisse zeigen, dass das MA bei großen Einfallswinkeln eine hohe Absorption zeigt. Der Absorber wurde auf einem flexiblen Polyimidfilm hergestellt, der problemlos in nichtplanaren und konformen Anwendungen verwendet werden kann. Der vorgeschlagene Absorber hat ein großes Anwendungspotenzial bei der Energiegewinnung und der elektromagnetischen Abschirmung.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

MA:

Metamaterialabsorber

EM:

Elektromagnetisch

SRR:

Split-Ring-Resonator

MRR:

Modifizierter Ringresonator

FDTD:

Zeitbereich mit endlicher Differenz