Penyerap Metamaterial Sempurna Ultra-Lebar Band, Insensitif terhadap Polarisasi, dengan Struktur Multilayer, Resistor Terpusat, dan Efek Penguatan Kuat

Abstrak

Kami menyajikan penyerap metamaterial sempurna (PMA) ultra-lebar band inovatif yang mengintegrasikan tumpukan dielectric multilayer, resonator split-ring logam ganda (MDSRR), dan resistor terpusat yang ditempatkan secara strategis. Desain ini mencapai daya serap di atas 80 % pada rentang 4,52–25,42 GHz (bandwidth 20,9 GHz, 139,6 % fraksional), sambil tetap insensitif terhadap polarisasi dan robust terhadap sudut kemiringan. Simulasi gelombang penuh (ANSYS HFSS) dan pengukuran kamar anechoic microwave mengonfirmasi prediksi teoretis, menunjukkan penyerap tipis (≤4 mm) yang praktis dan cocok untuk reduksi penampang radar serta perlindungan gangguan elektromagnetik.

Latar Belakang

Metamaterial memungkinkan respons elektromagnetik yang disesuaikan yang sulit atau tidak mungkin dicapai dengan media alami. Selama satu dekade terakhir, penyerap sempurna—struktur tipis yang menekan refleksi dan transmisi—menarik perhatian untuk aplikasi yang berkisar dari teknologi stealth hingga perlindungan broadband. PMA awal, seperti desain Landy, menggabungkan lapisan resonan dengan bidang tanah untuk menghasilkan serapan hampir unit dalam satu band. Works selanjutnya berfokus pada perpanjangan bandwidth, mencapai independensi polarisasi, dan mengaktifkan tunabilitas melalui elemen aktif atau komponen terpusat.

Performa broadband telah dicoba melalui tumpukan multi-resonansi, geometri fraktal, rekayasa dielectric multilayer, inklusi magnetik, dan pemuatan resistif. Meskipun bandwidth hingga 93,5 % telah dilaporkan, hal itu masih tidak cukup untuk banyak aplikasi dunia nyata yang memerlukan serapan kontinu di seluruh rentang frekuensi yang luas. Karya kami mengatasi kesenjangan ini dengan menggabungkan mekanisme resonansi dan resistif dengan penguatan antar-lapisan yang kuat, resulting in penyerap ultra-lebar band, insensitif terhadap polarisasi, dan ultra-tipis.

Metode

Sel unit terdiri dari empat lapisan dielectric (εr = 4,2–4,4, tan δ = 0,02), dua MDSRR, dan empat resistor terpusat. Spacer atas (d1 = 2 mm) berfungsi sebagai lapisan anti-refleksi; spacer yang tersisa (d2 = d3 = d4 = 1 mm) menyediakan pencocokan impedansi. Jejak tembaga (ketebalan = 0,036 mm) membentuk resonan: SRR-I (a1 = 7,8 mm, w1 = 0,8 mm), SRR-II (a2 = 6,6 mm, w2 = 0,8 mm), dan DSRR pertama (a3 = 5 mm, w3 = 0,8 mm, a4 = 3,4 mm, w4 = 0,8 mm). Resistor terpusat (R1,2 = 60 Ω, R3,4 = 180 Ω) disematkan di celah split (s = 1,2 mm). Periodisitas sel unit adalah P = 8,4 mm.

Simulasi menggunakan kondisi batas periodik dan port Floquet untuk memodelkan array tak hingga. Daya serap dihitung sebagai A = 1 – |S11|², dengan transmisi nol karena bidang tanah. Impedansi efektif z_eff diekstrak dan dicocokkan dengan impedansi ruang bebas (η0 ≈ 377 Ω) pada resonansi, memastikan refleksi minimal. Pengawasan parametrik atas nilai resistor, ketebalan spacer, dan dimensi resonator mengidentifikasi konfigurasi optimal untuk bandwidth maksimum.

Geometri skematis sel unit penyerap metamaterial sempurna ultra-lebar band. (a) Tampilan 3D. (b) Lapisan bawah dengan SRR-II. (c) Lapisan ketiga dengan SRR-I. (d) Lapisan kedua dengan DSRR pertama dan empat resistor terpusat.

Hasil dan Pembahasan

Kurva |S11| dan daya serap yangディsimulasikan (1–30 GHz) menunjukkan bahwa konfigurasi resonator-resistor menurunkan refleksi di bawah –10 dB dari 4,5 hingga 25,5 GHz, unggul dari struktur yang sama tanpa resistor. Daya serap melebihi 80 % pada 4,52–25,42 GHz, dengan resonansi pada 5,13, 14,49, 19,05, 20,77, dan 25,42 GHz tempat Re(z_eff) ≈ 377 Ω dan Im(z_eff) ≈ 0. Refleksi cross-polarisasi tetap sangat kecil (< 0,35 dB) di seluruh band, mengonfirmasi independensi polarisasi.

Hasil simulasi: |S11|, daya serap, impedansi efektif, cross-polarisasi, dan indeks bias untuk penyerap dengan dan tanpa resistor terpusat.

Optimisasi parametrik menyoroti peran krusial dari nilai resistor (R1,2 = 60 Ω; R3,4 = 180 Ω), periode sel (P = 8,4 mm), lebar split (s = 1,2 mm), dan ketebalan spacer (d1 = 2 mm, d2 = 1 mm). Penguatan kuat antara dua DSRR dan perilaku resonansi dari setiap split ring menghasilkan banyak puncak serapan yang bergabung menjadi respons ultra-lebar band kontinu. Plot near-field dan arus permukaan pada setiap resonansi mengonfirmasi bahwa resonansi magnetik dan listrik coexist, memfasilitasi pencocokan sempurna.

Pengujian performa sudut menunjukkan daya serap tinggi (> 80 %) untuk sudut insiden hingga ±70° (θ) dan 0–360° (φ) dengan insiden elektromagnetik transverse. Pengujian polarisasi mengonfirmasi respons identik untuk gelombang TE dan TM hingga 60°, mengonfirmasi independensi polarisasi. Pengukuran di kamar anechoic ruang bebas menggunakan prototipe sel 30 × 30 memvalidasi simulasi: daya serap 80 % pada 4,48–25,46 GHz pada insiden normal, dan daya serap 60 % pada 4,76–25,03 GHz pada insiden 45°.

Prototipe penyerap metamaterial sempurna ultra-lebar band sel 30 × 30 diukur di kamar anechoic.

Kesimpulan

Kami telah merancang penyerap sempurna ultra-lebar band dan insensitif terhadap polarisasi yang menggabungkan rekayasa dielectric multilayer, resonator split-ring ganda, dan pemuatan resistif terpusat. Perangkat mencapai daya serap > 80 % pada 4,52–25,42 GHz (bandwidth fraksional 139,6 %) sambil mempertahankan performa pada sudut kemiringan besar dan kedua polarisasi. Profil tipisnya (≤ 4 mm) dan performa yang kuat menjadikannya kandidat yang kuat untuk aplikasi dalam stealth radar, perlindungan elektromagnetik, dan perlindungan sensor terintegrasi.