Ultrabreitbandiger und polarisationsunempfindlicher perfekter Absorber mit mehrschichtigen Metamaterialien, konzentrierten Widerständen und starken Kopplungseffekten

Hintergrund

Als künstlich hergestelltes Material hat Metamaterial großes Interesse geweckt, da es in den letzten zehn Jahren fantastische elektromagnetische Eigenschaften aufwies, die ungewöhnlich oder schwer zu erhalten waren [1,2,3]. Mit der rasanten Entwicklung wurde Metamaterial mit dynamischer Massenanisotropie verwendet, um akustische Hüllen, Hyperlinsen, perfekte Absorber, Gradientenindexlinsen [4,5,6,7], Metalense, optofluidische Barriere, Polarisationskonverter usw. zu entwickeln [8,9 ,10,11,12,13,14,15,16]. Insbesondere der perfekte Metamaterial-Absorber (PMA) mit ultradünnem Profil und Near-Unit-Absorption wurde erstmals von Landy et al. [6]. Im Vergleich zu herkömmlichen Absorbern haben sich Metamaterial-Absorber, die große Vorteile durch dünnes Profil, weitere Miniaturisierung, erhöhte Wirksamkeit und breitere Anpassungsfähigkeit bieten, zu vielversprechenden Anwendungen von Metamaterialien entwickelt. Später unternehmen die Forscher mehrere Anstrengungen bei PMA, um eine Weiteinfallswinkelabsorption [17,18,19], eine Mehrbandabsorption [20, 21], eine polarisationsunempfindliche Absorption [22,23,24] und die abstimmbare Absorption [25 . zu erreichen , 26]. Absorber mit schmaler Bandbreite schränken jedoch ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis ein. Daher ist es notwendig, den ultrabreitbandigen, polarisationsunempfindlichen und dünnen Metamaterial-Absorber zu entwickeln.

Um die Absorptionsbandbreite zu erhöhen, werden verschiedene Methoden wie die Verwendung des Multiresonanzmechanismus [27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], der fraktalen Strukturen [39], die Mehrschicht [40,41,42,43,44], das magnetische Medium [45, 46] und das Laden der konzentrierten Elemente [47,48,49] wurden beim Design von Gigahertz- und Terahertz-Metamaterial-Absorbern vorgeschlagen. Beispielsweise wurde ein breitbandiger polarisationsunempfindlicher perfekter Absorber mit einer Bandbreite von 9,25 GHz in einer einzigen Schicht basierend auf den Metamaterialien des doppelten Achteckrings und konzentrierten Widerständen konstruiert [50]. Darüber hinaus wurde ein perfekter Gigahertz-Metamaterial-inspirierter Absorber vorgeschlagen, der aus dreischichtigen Substraten, doppelten Split-Serration-Ringen und einer Metallmasse besteht [51]. Obwohl eine relative Bandbreite von 93,5% erreicht wurde, reicht die Absorptionsbandbreite für Anwendungen wie elektromagnetischen Schutz, Tarnung und elektronische Kriegsführung immer noch nicht aus.

Im Gegensatz zu den vorherigen Metamaterial-Absorbern haben wir einen dünnen und ultrabreitbandigen perfekten Metamaterial-Absorber vorgeschlagen, indem wir die resonanten und resistiven Absorptionen unter Verwendung starker Kopplungseffekte kombinieren. Der Absorber bestand aus vier dielektrischen Schichten, zwei metallischen Doppel-Split-Ring-Resonatoren (MDSRR) und mehreren konzentrierten Widerständen. Die Eigenschaften der polarisationsunempfindlichen und breit einfallenden Absorption wurden sowohl numerisch als auch experimentell verifiziert. Dieser perfekte Metamaterial-Absorber ist vielversprechend für viele praktische Anwendungen wie die Reduzierung der Radar-Kreuzstreuung, Tarnung und elektromagnetischen Schutz in verschiedenen Flugplattformen.

Methoden

Das Metaatom des vorgeschlagenen Ultrabreitband-PMA besteht aus vier dielektrischen Schichten, doppelten metallischen DSRR-Mikrostrukturen und den konzentrierten Widerständen in Abb. 1. Um die destruktive Interferenz zu erhalten, wird der obere (erste) dielektrische Abstandshalter mit einer Dielektrizitätskonstanten von 4,4 und ein tangentialer Verlustwinkel von 0,02 ist als Antireflexbeschichtungssubstrat erforderlich, um die Absorptionsbandbreite zu erhöhen. Die Dicken der vier dielektrischen Schichten betragen d ₁ , d ₂ , d ₃ , und d ₄ . Die Dielektrizitätskonstante und der Tangensverlustwinkel der Restsubstrate betragen alle 4,2 und 0,02 (ε_r = 4,2, tanδ = 0,02) bzw. Wie in Abb. 1(d) dargestellt, befindet sich die erste MDSRR-Mikrostruktur (F-MDSRR) mit vier konzentrierten Widerständen auf dem zweiten Substrat. Der metallische Split-Ring-Resonator-I (SRR-I) und der Split-Ring-Resonator-II (SRR-II) befinden sich jeweils auf dem dritten und unteren Substrat, die die zweite metallische DSRR-(S-MDSRR)-Mikrostruktur bilden. Die Mikrostrukturen F-MDSRR und S-MDSRR bestehen aus Kupfer mit einer Leitfähigkeit von 5,8 × 10 ⁷ S/m und Dicke von 0,036 mm. Die Länge des Metaatoms für die vorgeschlagene PMA beträgt P = 8,4 mm. Wie in Abb. 1 (b) und (c) gezeigt, betragen die Längen von SRR-I und SRR-II a ₁ und a ₂ . Ihre Breiten sind w ₁ und w ₂ . Die Längen und Breiten von F-MDSRR, wie in Abb. 1(d) angegeben, werden durch a . dargestellt ₃ , a ₄ , w ₃ , und w ₄ . Die auf die inneren und äußeren Spaltringe belasteten Widerstände werden mit R . bezeichnet _1,2 und R _3,4 . Und s bezeichnet die Länge der Splits für F-MDSRR und S-MDSRR. Die vorgeschlagene PMA wird in der Simulation entworfen, analysiert und optimiert. Eine elektromagnetische Vollwellensimulation wird mit der auf Finite-Elemente-Analyse basierenden ANSYS Electro-magnetics Suite 15.0 durchgeführt. Der vorgeschlagene Absorber wird mit Parametern von d . simuliert und optimiert ₁ = 2 mm, d ₂ = d ₃ = 1 mm, d ₄ = 1 mm, w 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 und s = 1.2 mm.

Schematische Geometrie der Elementarzelle für den ultra-breitbandigen perfekten Metamaterial-Absorber. (a ) Das 3D-Schema einer Elementarzelle. (b ) Die unterste Schicht des vorgeschlagenen PMA mit dem Split-Ring-Resonator-II (SRR-II). (c ) Die dritte Schicht des vorgeschlagenen PMA mit dem Split-Ring-Resonator-I (SRR-I). (d ) Die zweite Schicht aus vorgeschlagenem PMA mit einer ersten metallischen DSRR (F-MDSRR)-Mikrostruktur und vier konzentrierten Widerständen. Die optimierten Parameter der PMA waren d ₁ = 2 mm, d ₂ = d ₃ = d ₄ = 1 mm, w 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. Die Dicke des Kupfers beträgt 0,036 mm

Um den Absorptionsmechanismus für die vorgeschlagene Ultrabreitband-PMA zu untersuchen, wurden die periodischen Randbedingungen (PBCs) und der Floquet-Port angewendet, um die unendlichen periodischen Zellen zu simulieren. Die elektromagnetische (EM) Welle würde vom Absorber entsprechend den Antireflexionsbedingungen allmählich absorbiert. Sowohl magnetische als auch elektrische Resonanzen würden unabhängig voneinander geweckt, was die Welle in die PMA-Zelle einschließen könnte. Die Welle könnte durch den dielektrischen Verlust allmählich absorbiert werden. Es könnte erreicht werden, dass die magnetische Permittivität der elektrischen Permittivität entspricht, was zu einem perfekten Absorptionsvermögen für einfallende EM-Wellen führt. In direkterer Perspektive wurde die Absorptionsfähigkeit definiert als [52,53,54,55]

Um das Absorptionsvermögen zu maximieren A (f ), könnten wir die Übertragung minimieren T (f ) (T (f ) = |S ₂₁ | ² ) und die Reflexion R (f ) (R (f ) = |S ₁₁ | ² ) gleichzeitig. Der Absorptionsgrad könnte berechnet werden durch A (f ) = 1 − R (f ), da das präsentierte PMA von der Metallplatte ohne Muster auf der unteren Schicht blockiert wurde (also die Transmission Null war, T (f ) = |S ₂₁ | ² = 0). Daher könnte das Absorptionsvermögen des präsentierten PMA berechnet werden durch

Aus Gleichung (2) ist ersichtlich, dass die Absorption nahe 100% liegt (A (f ) ≈ 100 %, wenn die Reflexion nahe Null ist (R (f ) ≈ 0). Es ist zu beachten, dass die S₁₁ Komponenten umfassen die Reflexion von kopolarisierten EM-Wellen und die Reflexion von kreuzpolarisierten EM-Wellen [56,57,58]. Also das S ₁₁ Komponenten können ausgedrückt werden als:

Dementsprechend könnte die Gleichung (2) basierend auf Gleichung (3) ausgewertet werden durch

wo die xx und xy bezeichnen die Co-Polarisation und die Kreuz-Polarisation. Im vorgeschlagenen PMA-Design ist die | S ₁₁ | umfasst die Komponenten der Co-Polarisation und der Kreuz-Polarisation. Darüber hinaus ist die Reflexion von PMA bei senkrechtem Einfall gegeben durch [6, 21]:

wo η ₀ , etwa 377 , repräsentiert die Freiraumimpedanz. z _eff (f ) ist die effektive Impedanz von PMA. Die effektive Impedanz umfasst die konzentrierten Widerstände im vorgeschlagenen PMA, die Oberflächenimpedanz, die eine große resonante Dissipation erreichen soll, und die Substratimpedanz aufgrund des hohen Tangens. Durch Substitution von (5) in (4) wird der Absorptionsgrad A könnte auch geschrieben werden durch:

wobei Re [z _eff (f )] und Im [z _eff (f )] sind jeweils der Realteil und der Imaginärteil von z _eff (f ). Wenn sich der vorgeschlagene PMA im Resonanzmodus befindet, liegt die Absorption nahe bei eins (A = 1). Aus dem Ausdruck von (6) wissen wir, dass wenn A = 1, Re [z _eff (ω )] und Im [z _eff (ω )] kann wie folgt berechnet werden:

Es zeigt sich, dass die Absorption nahe 100 % liegt, wenn der Realteil und der Imaginärteil der effektiven Impedanz jeweils nahe 377  Ω bzw. 0 liegen. Das Absorptionsvermögen wird aufgrund der unterschiedlichen Resonanzmoden verbessert. Im Allgemeinen konnte eine ausgezeichnete Absorption erzielt werden, da die effektive Permittivität gleich der effektiven Permeabilität war. Die Breitbandabsorption würde also durch Modulation der effektiven Parameter erreicht.

Der Ultrabreitband-Metamaterial-Absorber wurde unter Verwendung der kommerziellen Software Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS 18.0) simuliert, die auf der Methode der Finite-Elemente-Analyse basiert. In der Berechnung wird eine ebene elektromagnetische Welle mit dem elektrischen Feld entlang der Richtung von x -Achse wurde als Inzidenz verwendet, die senkrecht auf die Resonanzstruktur entlang der Richtung des z . eingestrahlt wurde -Achse (dargestellt in Abb. 1). In der Simulation wurde der Frequenzbereich von 1,0 bis 30 GHz der Einfälle verwendet. Die Größe der Inzidenzen sollte etwas größer sein als die des dargestellten Zeitraums der Struktur; gleichzeitig genügend Simulationszeiten und die passenden Grenzen (periodische Grenzen in Richtungen von x - und y -Achse und perfekt aufeinander abgestimmte Ebenen in Richtung z -Achse) sollte verwendet werden, um die Genauigkeit der Berechnungsergebnisse sicherzustellen.

Ergebnisse und Diskussion

Die simulierte Amplitude von S ₁₁ , Absorption, effektive Impedanz und Reflexionskomponenten der Kreuzpolarisation von 1 bis 30 GHz sind in Fig. 2 gezeigt. Wie in Fig. 2a gezeigt, ist zu sehen, dass der vorgeschlagene PMA eine niedrigere Ultrabreitbandreflexion von 4,5 bis . aufwies 25,5 GHz als bei PMA mit der gleichen Mikrostruktur ohne konzentrierte Widerstände. Insbesondere die Unterschiede zwischen der Mikrostruktur mit und ohne konzentrierte Widerstände waren von 9 bis 14 GHz und von 19 bis 21 GHz deutlich. In Abb. 2b konnten wir sehen, dass die Ultrabreitband-Absorption von 4,52 bis 25,42 GHz mit einem Absorptionsvermögen von mehr als 80 % für das vorgeschlagene PMA erhalten werden könnte und sich die Absorption für die vorgeschlagene Mikrostruktur ohne konzentrierte Widerstände offensichtlich verschlechtern würde. Der Real- und der Imaginärteil der effektiven Impedanz lagen bei der vorgeschlagenen PMA bei den Resonanzfrequenzen von 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 und 25,42  GHz in Abb. 2c nahe bei 377 Ω bzw. 0. Je mehr das Absorptionsvermögen nahe 100 % liegt, desto näher lagen die Real- und Imaginärteile der effektiven Impedanz jeweils nahe bei 377  Ω bzw. 0. Aus Fig. 2d waren die Reflexionskomponenten der Kreuzpolarisation für den vorgeschlagenen Absorber von 1 bis . ungefähr null 30 GHz. Es war zu beachten, dass die Reflexionskomponenten | S _11,xy | ² der Kreuzpolarisation betrug etwa 0,35 bei 2,8 GHz für die vorgeschlagene Mikrostruktur ohne konzentrierte Widerstände. Dieses Phänomen wurde durch die unsymmetrische Struktur und die schwachen Resonatormoden bei der Frequenz verursacht. Daher waren die konzentrierten Widerstände für das Ultrabreitband-PMA-Design wichtig. Aus Abb. 2b, d wurden der Realteil und der Imaginärteil der effektiven Permittivität jeweils an die der effektiven Permeabilität für die vorgeschlagene PMA von 4,52 bis 25,42 GHz angenähert. Der Imaginärteil des Brechungsindex war in diesem Band größer als Null. Folglich kann das Ultrabreitband für die vorgestellte PMA gezeigt werden.

Die simulierte |S11|, Absorption, effektive Parameter, effektive Impedanzen und Brechungsindex von 1 bis 30 GHz für den vorgeschlagenen ultrabreitbandigen perfekten Metamaterial-Absorber, der mit konzentrierten Widerständen und der gleichen Mikrostruktur ohne die konzentrierten Widerstände geladen ist. a Simuliert |S11| Ergebnisse. b Simulierte Absorptionsergebnisse und effektive Parameter. c Die effektiven Impedanzen des vorgeschlagenen PMA mit konzentrierten Widerständen und der gleichen Mikrostruktur ohne konzentrierte Widerstände. d Die Reflexionskomponenten der Kreuzpolarisation für das vorgeschlagene PMA mit konzentrierten Widerständen und der gleichen Mikrostruktur ohne konzentrierte Widerstände und der Brechungsindex des vorgestellten PMA

Eine parametrische Studie wurde von ANSYS HFSS Solver durchgeführt. In dieser Studie war es das Hauptziel, eine ultrabreitbandige Absorption zu erreichen. Entsprechend diesem Ziel sind einige Parameter der konzentrierten Widerstände R _1,2 und R _3,4 im inneren und äußeren Spaltring die Zelllänge P des PMA, die Länge s der Splits für F-MDSRR und S-MDSRR, die Dicke d ₁ des Antireflexbeschichtungssubstrats und die Dicke d ₂ wurden in der Studie ausgewählt.

Abbildung 3a zeigt die simulierte Absorption, wenn der vorgeschlagene PMA die konzentrierten Widerstände von R . annahm _1,2 = 50 Ω, 60 Ω, 100 Ω, 150 Ω. Durch die Annahme von R _1,2 , die Absorption wurde offensichtlich von 19 auf 25 GHz verbessert. Während als R _1,2 von 50 auf 150 verschoben, hatten die konzentrierten Widerstände einen leichten Einfluss auf die Absorption bei niedrigen Frequenzen. Durch Auswahl eines geeigneten Wertes für R _1,2 = 60 Ω, die vorgeschlagene PMA erzielte die Ultrabreitband-Absorption. Wie in Abb. 3b gezeigt, ist der R _3,4 beeinflusste hauptsächlich die Absorption im Bereich von 6~17 GHz und 21~23 GHz. Für Breitbandabsorption, R _3,4 wurde als 180 Ω gewählt. Die Länge war ein weiterer kritischer Parameter. Der Fall mit unterschiedlichen Längen von PMA-Zellen und Aufspaltungen für F-MDSRR und S-MDSRR wurde untersucht. Abbildung 3c zeigt, dass die Absorption von 21 bis 25 GHz sehr empfindlich auf die Länge P . reagierte der PMA-Zelle. Um eine Breitbandabsorption zu erreichen, haben wir P . ausgewählt = 8,4 mm. In Abb. 3d war klar, dass der PMA eine Breitbandabsorption bei niedriger Frequenz aufwies und die Bandbreite von s . beeinflusst wurde die von 0,6 auf 1,5 mm verschoben wurde. Gemäß dem Absorptionsstandard von mehr als 0,8, s = 1,2 mm wurde gewählt, um eine Breitbandabsorption für die vorgeschlagene PMA zu erhalten. Die Auswirkungen der Substratdicken der Antireflexbeschichtung d ₁ sind in Abb. 3e dargestellt. Es war offensichtlich, dass die Dicke d ₁ beeinflusste die Breitbandabsorption von 7 bis 30 GHz und d ₁ = 2,0 mm wurde für das Breitband-PMA-Design gewählt. Die Absorptionsergebnisse mit unterschiedlichen d ₂ sind in Abb. 3f angegeben. Es war klar, dass d ₂ war der Schlüsselparameter für Breitband-PMA im Hochfrequenzbereich. Um die Ultra-Breitband-Absorption zu erreichen, ist das optimierte d ₂ von 1.0 mm wurde im PMA-Design gewählt.

Absorptionsergebnisse von 1 bis 30 GHz für den vorgeschlagenen ultrabreitbandigen perfekten Metamaterial-Absorber mit unterschiedlichen Parametern. a Absorptionsergebnisse der PMA mit unterschiedlichem R _a Werte. b Absorptionsergebnisse der PMA mit unterschiedlichem R _b Werte. c Absorptionsergebnisse der PMA mit unterschiedlichen Längen von P . d Absorptionsergebnisse der PMA mit unterschiedlichen Längen von s . e Absorptionsergebnisse der PMA mit unterschiedlichen Dicken von d ₁ . f Absorptionsergebnisse der PMA mit unterschiedlichen Dicken von d ₂

Von Feigen. 2 und 3 war ersichtlich, dass die Absorptionsbandbreite des vorgeschlagenen PMA empfindlich auf die Dicken von d . reagierte ₁ und d ₂ , und die Werte der konzentrierten Widerstände. Darüber hinaus waren die Aufteilungen in F-MDSRR und S-MDSRR notwendig, um die Breitbandabsorption in unserem Design zu erreichen. Daher mussten die Dicken und die konzentrierten Widerstände für die Ultrabreitbandabsorption optimiert werden.

Um den Mechanismus der Ultrabreitbandabsorption zu untersuchen, wurden die Oberflächenstromverteilungen und die Verteilungen der elektrischen Nahfelder des PMA in Abb. 4 bei den Resonanzfrequenzen 5,1, 14,5, 19,1, 20,8 und 25,4 GHz angegeben. Es zeigte sich der exquisite resonanzabsorbierende Effekt in Abb. 4a, der primär dem SRR-I für die S-MDSRR-Mikrostruktur und den äußeren Spaltringen für die F-MDSRR-Mikrostruktur bei 5,13 GHz zugeschrieben wurde. Die starke Kopplung zwischen den S-MDSRR- und F-MDSRR-Mikrostrukturen führte zur Resonanzabsorption. Aus Abb. 4c ist ersichtlich, dass der Absorptionspeak bei 14,49   GHz für den vorgeschlagenen Absorber aufgrund der F-MDSRR-Mikrostruktur mit vier konzentrierten Widerständen und der starken Kopplung in der F-MDSRR-Mikrostruktur erhalten würde. Wie in Abb. 4e dargestellt, erreichte die vorliegende Ultrabreitband-PMA eine Absorptionsresonanz, die sich aus den Zwischenspaltringen für F-MDSRR und den Kopplungseffekten zwischen SRR-II und SRR-I ergibt. Bei 20,77  GHz wurde der Absorptionspeak hauptsächlich durch die Zwischenspaltringe für F-MDSRR in Abb. 4g verursacht. Die starken Kopplungseffekte zwischen den äußeren Spaltringen für F-MDSRR und dem SRR-II für die S-MDSRR-Mikrostruktur wurden aus Abb. 4i erreicht. Es war zu beachten, dass die Dipolresonanz, die äquivalente Induktivitäts- und Kapazitätsresonanz sowie die Kopplungsresonanz für die Erzielung der ultrabreitbandigen Absorption von primärer Bedeutung waren. Aus Abb. 4b, d, f, h und j konnte festgestellt werden, dass sich die nahen elektrischen Felder von 5,13 GHz im oberen Raum aufgrund der stärkeren Kopplungseffekte zwischen dem SRR-I und von denen der anderen Ansprechfrequenzen unterschieden die äußeren Spaltringe. Die Art der Resonanzabsorption bei 14,49, 19,1 und 20,8 GHz war untereinander gleich, und ihre Absorptionspeaks wurden beide durch die F-MDSRR-Mikrostruktur erreicht. Es kann festgestellt werden, dass die bessere Absorption des PMA erreicht wird, je mehr Dichte des PMA gezeigt wird. Wie in Abb. 4j gezeigt, gab es sechs Raumpunkte (A ₁ , A ₂ , A ₃ , A ₄ , A ₅ , A ₆ ,) nahe dem Ursprungspunkt mit starker Dichte. Diese physikalischen Phänomene wurden alle durch die Kopplungseffekte und Moden höherer Ordnung für die vorgeschlagene Ultrabreitband-PMA veranschaulicht. Folglich waren die Kopplungseffekte zwischen den verschiedenen Mikrostrukturen und den Moden höherer Ordnung die entscheidende Komponente beim Design des Breitband-PMA.

Die Oberflächenstromverteilungen der F-MDSRR-Mikrostruktur, S-MDSRR-Mikrostruktur und Masseebene und die nahen elektrischen Felder des PMA bei der Resonanzfrequenz von 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 und 25,42 GHz. a Oberflächenstromverteilungen bei 5,13 GHz. b Verteilungen von nahen elektrischen Feldern bei 5,13 GHz. c Oberflächenstromverteilungen um 14.49 Uhr. d Verteilungen von nahen elektrischen Feldern bei 14,49 GHz. e Oberflächenstromverteilungen bei 19,05 GHz. f Verteilungen von nahen elektrischen Feldern bei 19,05 GHz. g Oberflächenstromverteilungen bei 20,77 GHz. h Verteilungen von nahen elektrischen Feldern bei 20,77 GHz. ich Oberflächenstromverteilungen bei 25,42 GHz. j Verteilungen von nahen elektrischen Feldern bei 25,42 GHz

Die simulierten Absorptionsergebnisse des vorliegenden PMA mit unterschiedlichen Theta- und Phi-Winkeln werden in Abb. 5 für die einfallenden transversal elektromagnetischen (TEM) Wellen diskutiert. Aus Abb. 5a konnten wir sehen, dass der vorgeschlagene PMA ein hohes Absorptionsvermögen von 4,5 bis 25 GHz mit Theta = 0° aufwies. da sich der Winkel von Phi von 0 auf 360° verschoben hat. Es war offensichtlich, dass die Absorption drastisch abnahm, wenn der Winkel von 70 auf 80° vergrößert wurde oder von – 70 auf – 80° in Abb. 5b abnahm. Im Allgemeinen konnte die Ultrabreitband- und Weitwinkelabsorption für die vorgeschlagene PMA mit einem von – 70 auf 70° verschobenen Theta-Winkel und einem von 0 auf 360° vergrößerten Phi-Winkel erhalten werden. Um die hervorragende Absorption zu veranschaulichen, sind die simulierten Absorptionsergebnisse bei den Resonanzfrequenzen von 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 und 25,42 GHz mit − 90° < Theta< 90° und 0° < phi< 360° in Abb. 5c– angegeben. g. Aus diesen Zahlen konnten wir deutlich erkennen, dass die hervorragende Absorption bei 14,49 GHz für den PMA mit − 90° < theta< 90° und 0° < phi< 360° aufgrund der symmetrischen F-MDSRR-Mikrostruktur mit vier konzentrierten Widerständen und die starken Kopplungseffekte zwischen den inneren und äußeren Spaltringen. Der PMA bei 19,05  GHz bzw. 20,77   GHz behielt eine hohe Absorptionseffizienz mit einer breiten Absorption in Abb. 5e, f bei. Diese Phänomene wurden bewiesen, dass ihre Absorptionspeaks alle durch die symmetrische F-MDSRR-Mikrostruktur erreicht wurden. Da die Resonanz des PMA bei 5,13 GHz durch die unsymmetrische S-MDSRR-Mikrostruktur bestimmt wurde, waren die Absorptionsergebnisse bei dieser Frequenz in Abb. 5c nicht unsymmetrisch. Wie in Abb. 5g gezeigt, musste darauf hingewiesen werden, dass die Absorption bei 25,42  GHz aufgrund der Kopplungseffekte zwischen den F-MDSRR- und S-MDSRR-Mikrostrukturen und den Moden höherer Ordnung für die vorgeschlagene Ultrabreitband-PMA inkonstant war. Aus diesen Zahlen konnten wir sehen, dass die vorgeschlagene PMA die Weitwinkelabsorption für elektromagnetische Wellen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln aufwies.

Die Absorptionsergebnisse der vorliegenden Ultrabreitband-PMA mit unterschiedlichen Winkeln von Theta und Phi. a Absorptionsergebnisse des PMA mit verschiedenen Phi-Winkeln von 1 bis 30 GHz (Theta = 0 deg). b Absorptionsergebnisse der PMA bei verschiedenen Thetawinkeln von 1 bis 30 GHz (phi = 0°). c Absorptionsergebnisse bei 5,13 GHz mit − 90° < Theta< 90° und 0° < phi< 360°. d Absorptionsergebnisse bei 14,49 GHz mit − 90° < Theta< 90° und 0° < phi< 360°. e Absorptionsergebnisse bei 19.05 GHz mit − 90° < Theta< 90° und 0° < phi< 360°. f Absorptionsergebnisse bei 20,77 GHz mit − 90° < Theta< 90° und 0° < phi< 360°. g Absorptionsergebnisse bei 25,42 GHz mit − 90° < Theta < 90° und 0° < phi< 360°

Um die Polarisationsunempfindlichkeit des Ultrabreitband-PMA für transversal elektrisch (TE) und transversal magnetisch (TM) polarisierte Einfälle zu interpretieren, haben wir die schräge Absorption, die Oberflächenstromverteilungen bei 12 GHz und die nahen elektrischen Felder bei 12 GHz in Abb . 6. Aus Fig. 6a, b ist ersichtlich, dass die schrägen Absorptionsergebnisse bei TM-polarisiertem Einfall dieselben waren wie bei TE-polarisiertem Einfall. Dem Absorptionsmechanismus und der vorliegenden Mikrostruktur wurden die gleichen schrägen Absorptionen mit unterschiedlicher Häufigkeit zugeschrieben. Zum Beispiel wurden die Oberflächenstromverteilungen und die nahen elektrischen Felder bei 12 GHz mit TE- und TM-polarisierten Einfällen weiter untersucht, um die Polarisierungsunempfindlichkeit des Ultrabreitband-PMA in Abb. 6c–f zu veranschaulichen. Es wurde berichtet, dass der vorgestellte PMA die gleichen Oberflächenstromverteilungen und nahen elektrischen Felder mit unterschiedlich polarisierten einfallenden Wellen aufwies. Folglich konnte die Eigenschaft der Polarisationsunempfindlichkeit für diesen Ultrabreitband-PMA erreicht werden.

Die Absorptionsergebnisse, Oberflächenstromverteilungen und nahen elektrischen Felder der vorliegenden Ultrabreitband-PMA mit unterschiedlichen polarisierten Einfällen. a Die schrägen Absorptionsergebnisse des PMA mit TE-polarisierten Einfällen von 1 bis 30 GHz mit Thetaverschiebung von 0 bis 60°. b . Die nahen elektrischen Felder von PMA bei 12 GHz mit TE-polarisierten Einfällen. c Die Oberflächenstromverteilungen von PMA bei 12 GHz mit TE-polarisierten Einfällen. d Die schrägen Absorptionsergebnisse des PMA mit TM-polarisierten Einfällen von 1 bis 30 GHz mit Thetaverschiebung von 0 bis 60°. e Die Oberflächenstromverteilungen von PMA bei 12 GHz mit TM-polarisierten Einfällen. f Die nahen elektrischen Felder von PMA bei 12 GHz mit TM-polarisierten Einfällen

Um die dielektrischen und ohmschen Verluste auszuarbeiten, zeigt Abb. 7 die Volumenverlustdichte (VLD) der Substrate und konzentrierte Widerstände für das vorgeschlagene PAM bei 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 und 25,42  GHz. In Abb. 7a konnten wir beobachten, dass die VLD zunahm, wenn sich die Resonanzfrequenz von 5,13 auf 25,42 GHz verschoben hat. Die verschiedenen Moden konnten aus den ohmschen Verlusten der konzentrierten Widerstände in Abb. 7b erreicht werden. Die Volumenverlustdichte von R ₃₄ war deutlich mehr als die von R ₁₂ bei 5,13 GHz. Die Differenz würde bei 14,49 GHz abnehmen. Bei 19,05 GHz und 20,77 GHz ist die VLD von R ₃₄ war etwas weniger als das von R ₁₂ . Bei 25,42 GHz waren die Volumenverlustdichten von R ₃₄ und R ₁₂ waren beide geringer als bei anderen Frequenzen. Es war offensichtlich, dass die ohmschen Verluste im Bereich von 1 × 10 ⁵ w/mm ³ bis 1 × 10 ⁷ w/mm ³ waren höher als die dielektrischen Verluste im Bereich von 100 W/mm ³ bis 1 × 10 ⁷ w/mm ⁶ . Folglich waren die ohmschen und dielektrischen Verluste für diesen vorgeschlagenen Ultrabreitband-Absorber aus den Fig. 1 und 2 wichtig. 3(e) und (f) und 7.

Die dielektrischen und ohmschen Verluste der Substrate und die konzentrierten Widerstände für das vorgeschlagene PAM bei 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 und 25,42 GHz. a Die Volumenverlustdichte (VLD) von Substraten bei der Resonanzfrequenz. b Die Volumenverlustdichte (VLD) von konzentrierten Widerständen bei der Resonanzfrequenz

Fertigung und Messung

Um die Zeichen zu verifizieren, werden zwei 900-Zellen (30 × 30)-Bausteine ​​des vorgeschlagenen Ultrabreitband-PMA hergestellt und in Fig. 8 dargestellt Kammer. Die ultrabreitbandige PMA-Probe wurde unter Verwendung eines optischen lithographischen Prozesses auf drei Substraten (ε _r = 4,2 und tanδ = 0,02) mit einer Dicke von 2 mm, 1 mm, 1 mm und 1 mm. Zwei linear polarisierte Hornantennen mit Standardverstärkung als Sender und Empfänger wurden an den Agilent Vector Network Analyzer (VNA, N5230C) angeschlossen. Um die Störung der Umgebung zu eliminieren, wurde die Funktion des Zeitbereichs-Gatings im Netzwerkanalysator in Experimenten übernommen. Die Geräte wurden vertikal in der Mitte eines Plattenspielers platziert, um sicherzustellen, dass die EM-Welle einer ebenen Welle auf der Vorderseite des Geräts ähnelt. Der Abstand zwischen den Antennen und den zu testenden Geräten erfüllt die Fernfeldbedingung.

Prototypen der vorgeschlagenen Ultrabreitband-PMA-Geräte in einer reflexionsarmen Mikrowellenkammer

Die experimentellen Ergebnisse der Winkelabsorption für die vorgeschlagene PMA-Probe sind in Abb. 9 angegeben, wenn der Einfallswinkel (θ ) von 0 auf 45° verschoben. Die Messergebnisse zeigten, dass die Winkelabsorption mit zunehmendem Einfallswinkel von 0 auf 45° im x . träge abnahm - und y - polarisierte Einfälle. When the incident angle was zero (θ  = 0), the ultra-broadband absorption from 4.48 to 25.46 GHz could be achieved with absorptivity larger than 80% not only in 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 - and 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. a 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.

Abkürzungen

EM:

Elektromagnetisch

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:

Quermagnetisch