Ultra-wideband and Polarization-Insensitive Perfect Absorber Menggunakan Multilayer Metamaterials, Lumped Resistor, dan Efek Kopling Kuat
Abstrak
Kami secara teoritis dan eksperimental mengusulkan struktur baru dari penyerap metamaterial ultra-wideband dan tipis yang sempurna yang dimuat dengan resistensi yang disatukan. Penyerap tipis terdiri dari empat lapisan dielektrik, struktur mikro resonator cincin ganda logam (MDSRR) dan satu set resistor yang disatukan. Mekanisme penyerapan ultra-wideband dianalisis dan studi parametrik juga dilakukan untuk mencapai operasi ultra-wideband. Fitur ultra-wideband, polarisasi-ketidakpekaan, dan penyerapan sudut kekebalan secara sistematis dicirikan oleh spektrum penyerapan sudut, medan listrik dekat, distribusi arus permukaan dan kerugian dielektrik dan ohmik. Hasil numerik menunjukkan bahwa penyerap metamaterial yang diusulkan mencapai penyerapan sempurna dengan absorptivitas lebih besar dari 80% pada insiden normal dalam 4,52~25,42 GHz (bandwidth absolut 20.9GHz), sesuai dengan bandwidth fraksional 139,6%. Untuk verifikasi, penyerap metamaterial tipis diimplementasikan menggunakan metode papan sirkuit tercetak umum dan kemudian diukur dalam ruang anechoic microwave. Hasil numerik dan eksperimen sangat cocok satu sama lain dan memverifikasi penyerapan sempurna pita lebar ultra-tidak sensitif terhadap polarisasi yang diinginkan.
Latar Belakang
Sebagai bahan rekayasa artifisial, metamaterial telah menarik minat yang signifikan karena menunjukkan sifat elektromagnetik yang fantastis yang tidak biasa atau sulit diperoleh selama dekade terakhir [1,2,3]. Dengan perkembangan pesat, metamaterial dengan anisotropi massa dinamis telah diterapkan untuk mengembangkan jubah akustik, hyperlenses, peredam sempurna, lensa indeks gradien [4,5,6,7], metalense, penghalang optofluida, konverter polarisasi, dll. [8,9 ,10,11,12,13,14,15,16]. Secara khusus, penyerap metamaterial sempurna (PMA) dengan profil ultra tipis dan penyerapan hampir kesatuan pertama kali diusulkan oleh Landy et al. [6]. Dibandingkan dengan penyerap konvensional, penyerap metamaterial, yang menawarkan manfaat besar dari profil tipis, miniaturisasi lebih lanjut, peningkatan efektivitas, dan kemampuan beradaptasi yang lebih luas, telah menjadi aplikasi metamaterial yang menjanjikan. Kemudian, peneliti melakukan beberapa upaya pada PMA untuk mencapai penyerapan sudut datang lebar [17,18,19], penyerapan multi-band [20, 21], penyerapan tidak sensitif polarisasi [22,23,24], dan penyerapan merdu [25 , 26]. Namun, peredam dengan bandwidth yang sempit membatasi penerapannya dalam praktik. Oleh karena itu, perlu dirancang penyerap metamaterial ultra-broadband, tidak sensitif terhadap polarisasi, dan tipis.
Untuk meningkatkan bandwidth penyerapan, beberapa metode seperti dengan menggunakan mekanisme multi-resonansi [27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], struktur fraktal [39], multilayer [40,41,42,43,44], media magnetik [45, 46], dan memuat elemen yang disatukan [47,48,49] telah diusulkan dalam desain penyerap metamaterial gigahertz dan terahertz. Misalnya, penyerap sempurna yang tidak sensitif terhadap polarisasi pita lebar yang menunjukkan bandwidth 9,25 GHz telah dirancang dalam satu lapisan berdasarkan pada metamaterial cincin segi delapan ganda dan resistansi yang disatukan [50]. Selain itu, penyerap yang terinspirasi metamaterial gigahertz sempurna diusulkan yang terdiri dari substrat tiga lapis, cincin gerigi split ganda, dan ground logam [51]. Meskipun bandwidth relatif 93,5% diperoleh, bandwidth penyerapan masih tidak mencukupi untuk aplikasi, seperti perlindungan elektromagnetik, siluman, dan peperangan elektronik.
Berbeda dari penyerap metamaterial sebelumnya, kami mengusulkan penyerap metamaterial sempurna yang tipis dan ultra-lebar dengan menggabungkan penyerapan resonansi dan resistif menggunakan efek kopling yang kuat. Penyerap terdiri dari empat lapisan dielektrik, dua resonator cincin ganda logam (MDSRR) dan beberapa resistor yang disatukan. Karakteristik polarisasi-insensitif dan penyerapan insiden lebar telah diverifikasi baik secara numerik dan eksperimental. Penyerap metamaterial yang sempurna ini menjanjikan untuk banyak aplikasi praktis seperti pengurangan hamburan silang radar, siluman, dan perlindungan elektromagnetik di platform penerbangan yang berbeda.
Metode
Meta-atom dari PMA ultra-wideband yang diusulkan terdiri dari empat lapisan dielektrik, struktur mikro logam ganda DSRR, dan resistansi yang disatukan pada Gambar. 1. Untuk mendapatkan interferensi destruktif, spacer dielektrik atas (pertama) dengan konstanta dielektrik 4,4 dan sudut kerugian tangen 0,02 diperlukan sebagai substrat pelapis antirefleksi untuk meningkatkan bandwidth penyerapan. Ketebalan keempat lapisan dielektrik adalah d1 , d2 , d3 , dan d4 . Konstanta dielektrik dan sudut kehilangan tangen substrat residu semuanya 4,2 dan 0,02 (εr = 4.2, tanδ = 0.02) masing-masing. Seperti yang diberikan pada Gambar. 1(d), mikrostruktur pertama MDSRR (F-MDSRR) dengan empat hambatan yang disatukan berada pada substrat kedua. Resonator cincin pisah logam-I (SRR-I) dan resonator cincin pisah-II (SRR-II) masing-masing berada pada substrat ketiga dan bawah yang membentuk struktur mikro DSRR (S-MDSRR) logam kedua. Mikrostruktur F-MDSRR dan S-MDSRR adalah tembaga dengan konduktivitas 5,8 × 10
7
S/m dan ketebalan 0,036 mm. Panjang meta-atom untuk PMA yang diusulkan adalah P =8.4 mm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1 (b) dan (c), panjang SRR-I dan SRR-II adalah a1 dan a2 . Lebarnya w1 dan dengan2 . Panjang dan lebar F-MDSRR, seperti yang diberikan pada Gambar. 1(d), diwakili oleh a3 , a4 , dengan3 , dan dengan4 . Resistansi yang dimuat pada cincin split dalam dan luar dilambangkan dengan R1,2 dan R3,4 . Dan s menunjukkan panjang pemisahan untuk F-MDSRR dan S-MDSRR. PMA yang diusulkan dirancang, dianalisis, dan dioptimalkan dalam simulasi. Simulasi elektromagnetik gelombang penuh dilakukan dengan menggunakan ANSYS Electro-magnetics Suite 15.0 berbasis analisis elemen hingga. Penyerap yang diusulkan disimulasikan dan dioptimalkan dengan parameter d1 = 2 mm, d2 = d3 = 1 mm, d4 = 1 mm, dengan1 = dengan2 = dengan3 = dengan4 = 0,8 mm, P = 8.4 mm, R1,2 = 60 Ω, R3,4 = 180 Ω, a1 = 7.8 mm, a2 = 6.6 mm, a3 = 5 mm, a4 = 3,4 mm, dan s = 1.2 mm.
Geometri skema sel unit untuk penyerap metamaterial sempurna ultra-broadband. (a ) Skema 3D dari sel satuan. (b ) Lapisan bawah PMA yang diusulkan dengan split ring resonator-II (SRR-II). (c ) Lapisan ketiga dari PMA yang diusulkan dengan split ring resonator-I (SRR-I). (d ) Lapisan kedua dari PMA yang diusulkan dengan struktur mikro pertama DSRR (F-MDSRR) metalik dan empat tahanan yang disatukan. Parameter PMA yang dioptimalkan adalah d1 = 2 mm, d2 = d3 = d4 = 1 mm, dengan1 = dengan2 = dengan3 = dengan4 = 0.8 mm, P = 8.4 mm, R1,2 = 60 Ω, R3,4 = 180 Ω, a1 = 7.8 mm, a2 = 6.6 mm, a3 = 5 mm, a4 = 3.4 mm, s =1.2 mm. Ketebalan tembaga adalah 0,036 mm
Untuk mengeksplorasi mekanisme penyerapan untuk PMA ultra-wideband yang diusulkan, kondisi batas periodik (PBC) dan port Floquet diterapkan untuk mensimulasikan sel periodik tak terbatas. Gelombang elektromagnetik (EM) akan secara bertahap diserap oleh absorber sesuai dengan kondisi antirefleksi. Baik resonansi magnetik dan listrik akan dibangkitkan secara independen, yang dapat membatasi gelombang ke dalam sel PMA. Gelombang bisa secara bertahap diserap oleh kerugian dielektrik. Itu bisa mencapai bahwa permitivitas magnetik sama dengan permitivitas listrik, menghasilkan absorptivitas sempurna untuk gelombang EM yang datang. Dalam perspektif yang lebih langsung, absorptivitas didefinisikan sebagai [52,53,54,55]
Untuk memaksimalkan daya serap A (f ), kita bisa meminimalkan transmisi T (f ) (T (f ) = |S21|
2
) dan pantulan R (f ) (R (f ) = |S11|
2
) secara bersamaan. Penyerapan dapat dihitung dengan A (f ) = 1 − R (f ) karena PMA yang disajikan terhalang oleh pelat logam tanpa pola di lapisan bawah (jadi transmisinya nol, T (f ) = |S21|
2
= 0). Oleh karena itu, absorptivitas PMA yang disajikan dapat dihitung dengan
$$ A(f)=1-R(f)=1-{\left|{S}_{11}\kanan|}^2 $$ (2)
Dari Persamaan (2), jelas bahwa penyerapan mendekati 100% (A (f ) ≈ 100%) saat pantulan mendekati nol (R (f ) ≈ 0). Perlu diperhatikan bahwa S11 komponen termasuk refleksi gelombang EM terpolarisasi dan refleksi gelombang EM terpolarisasi silang [56,57,58]. Jadi S11 komponen dapat dinyatakan sebagai:
di mana xx dan xy menunjukkan ko-polarisasi dan polarisasi silang. Dalam desain PMA yang diusulkan, |S11| terdiri dari komponen ko-polarisasi dan polarisasi silang. Selanjutnya, refleksi PMA pada kejadian normal diberikan oleh [6, 21]:
dimana η0 , sekitar 377 Ω, mewakili impedansi ruang bebas. zeff (f ) adalah impedansi efektif dari PMA. Impedans efektif meliputi resistansi yang disamakan dalam PMA yang diusulkan, impedansi permukaan untuk mendapatkan disipasi resonansi yang besar dan impedansi substrat karena tangen tinggi. Dengan substitusi (5) di (4), absorptivitas A bisa juga ditulis dengan:
di mana Re [zeff (f )] dan saya [zeff (f )] masing-masing adalah bagian nyata dan bagian imajiner dari zeff (f ). Ketika PMA yang diusulkan berada pada mode resonansi, penyerapan mendekati satu (A = 1). Dari ekspresi (6), kita tahu bahwa ketika A = 1, Re [z] eff (ω )] dan saya [zeff (ω )] dapat dihitung sebagai:
Ditemukan bahwa penyerapan mendekati 100%, ketika bagian nyata dan bagian imajiner dari impedansi efektif masing-masing mendekati 377 Ω dan 0. Penyerapan ditingkatkan karena mode resonansi yang berbeda. Secara umum, penyerapan yang sangat baik dapat diperoleh karena permitivitas efektif sama dengan permeabilitas efektif. Jadi penyerapan broadband akan dicapai dengan memodulasi parameter yang efektif.
Penyerap metamaterial pita lebar disimulasikan dengan menggunakan perangkat lunak komersial, Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS 18.0), yang didasarkan pada metode analisis elemen hingga. Dalam perhitungan, gelombang elektromagnetik bidang dengan medan listrik sepanjang arah x -sumbu digunakan sebagai insiden, yang disinari tegak lurus ke struktur resonansi sepanjang arah z -sumbu (ditunjukkan pada Gambar. 1). Rentang frekuensi dari 1,0 hingga 30 GHz dari insiden telah digunakan dalam simulasi. Ukuran insiden harus sedikit lebih besar dari periode struktur yang disajikan; pada saat yang sama, waktu simulasi yang cukup dan batas yang sesuai (batas periodik dalam arah x - dan y -sumbu dan lapisan yang sangat cocok dengan arah z -axis) harus digunakan untuk memastikan keakuratan hasil perhitungan.
Hasil dan Diskusi
Amplitudo simulasi S11 , penyerapan, impedansi efektif, dan komponen refleksi dari polarisasi silang dari 1 hingga 30 GHz ditunjukkan pada Gambar 2. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a, dapat dilihat bahwa PMA yang diusulkan menunjukkan refleksi ultra-broadband yang lebih rendah dari 4,5 hingga 25,5 GHz daripada PMA yang menggunakan struktur mikro yang sama tanpa hambatan yang disamakan. Khususnya, perbedaan antara struktur mikro dengan dan tanpa resistensi yang disamakan terlihat jelas dari 9 hingga 14 GHz dan dari 19 hingga 21 GHz. Pada Gambar. 2b, kita dapat melihat bahwa penyerapan ultra-broadband dari 4,52 hingga 25,42 GHz dengan absorptivitas lebih besar dari 80% dapat diperoleh untuk PMA yang diusulkan dan penyerapan akan memburuk untuk struktur mikro yang diusulkan tanpa resistensi yang disamakan secara jelas. Bagian nyata dan imajiner dari impedansi efektif masing-masing mendekati 377 Ω dan 0 untuk PMA yang diusulkan pada frekuensi resonansi 5.13, 14.49, 19.05, 20.77, dan 25.42 GHz pada Gambar. 2c. Semakin banyak absorptivitas mendekati 100%, semakin banyak bagian nyata dan imajiner dari impedansi efektif masing-masing mendekati 377 Ω dan 0. Dari Gambar 2d, komponen refleksi polarisasi silang adalah sekitar nol untuk penyerap yang diusulkan dari 1 hingga 30 GHz. Perlu dicatat bahwa komponen refleksi |S11,xy|
2
polarisasi silang adalah sekitar 0,35 pada 2,8 GHz untuk struktur mikro yang diusulkan tanpa resistensi yang disamakan. Fenomena ini disebabkan oleh struktur yang tidak simetris dan mode resonator yang lemah pada frekuensi. Oleh karena itu, resistensi yang disamakan penting untuk desain PMA ultra-broadband. Dari Gambar. 2b, d, bagian nyata dan bagian imajiner dari permitivitas efektif masing-masing didekati dengan permeabilitas efektif untuk PMA yang diusulkan dari 4,52 hingga 25,42 GHz. Bagian imajiner indeks bias lebih dari nol pada pita ini. Akibatnya, ultra-broadband dapat dipamerkan untuk PMA yang disajikan.
Simulasi |S11|, penyerapan, parameter efektif, impedansi efektif, dan indeks bias dari 1 hingga 30 GHz untuk penyerap metamaterial sempurna ultra-wideband yang diusulkan yang dimuat dengan resistansi yang disatukan dan struktur mikro yang sama tanpa resistansi yang disatukan. a Simulasi |S11| hasil. b Hasil penyerapan simulasi dan parameter efektif. c Impedansi efektif dari PMA yang diusulkan dengan resistensi yang disamakan dan struktur mikro yang sama tanpa resistensi yang disamakan. d Komponen refleksi dari polarisasi silang untuk PMA yang diusulkan dengan resistensi yang disamakan dan struktur mikro yang sama tanpa resistensi yang disamakan dan indeks bias dari PMA yang disajikan
Sebuah studi parametrik dilakukan oleh ANSYS HFSS Solver. Dalam penelitian ini, tujuan utama untuk mencapai penyerapan ultra-broadband. Menurut tujuan ini, beberapa parameter hambatan gabungan R1,2 dan R3,4 di cincin split dalam dan luar, panjang sel P dari PMA, panjang s dari perpecahan untuk F-MDSRR dan S-MDSRR, ketebalan d1 substrat lapisan antirefleksi, dan ketebalan d2 dipilih dalam penelitian ini.
Gambar 3a menunjukkan penyerapan simulasi, saat PMA yang diusulkan mengadopsi resistansi gabungan R1,2 = 50 Ω, 60, 100, 150. Dengan mengadopsi R1,2 , penyerapan jelas ditingkatkan dari 19 menjadi 25 GHz. Sementara sebagai R1,2 bergeser dari 50 ke 150 Ω, resistansi yang disamakan memiliki sedikit efek pada penyerapan dalam frekuensi rendah. Oleh karena itu, dengan memilih nilai yang tepat untuk R1,2 = 60 Ω, PMA yang diusulkan memperoleh penyerapan ultra-broadband. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, R3,4 terutama mempengaruhi penyerapan di kisaran 6~17 GHz dan 21~23 GHz. Untuk penyerapan pita lebar, R3,4 dipilih menjadi 180 Ω. Panjangnya adalah parameter penting lainnya. Kasus dengan panjang sel PMA yang berbeda dan terbelah untuk F-MDSRR dan S-MDSRR telah dipelajari. Gambar 3c menunjukkan bahwa penyerapan dari 21 hingga 25 GHz sangat sensitif terhadap panjang P dari sel PMA. Untuk mencapai penyerapan pita lebar, kami memilih P =8.4 mm. Pada Gambar 3d, terlihat jelas bahwa PMA memiliki penyerapan pita lebar pada frekuensi rendah dan bandwidth dipengaruhi oleh s yang digeser dari 0,6 menjadi 1,5 mm. Menurut standar absorptivitas lebih dari 0,8, s = 1.2 mm dipilih untuk mendapatkan penyerapan pita lebar untuk PMA yang diusulkan. Efek dari ketebalan substrat lapisan antirefleksi d1 diilustrasikan pada Gambar. 3e. Jelas bahwa ketebalan d1 mempengaruhi penyerapan pita lebar dari 7 hingga 30 GHz dan d1 = 2.0 mm dipilih untuk desain PMA broadband. Hasil penyerapan dengan d . yang berbeda 2 diberikan pada Gambar. 3f. Jelas bahwa d2 adalah parameter kunci untuk PMA pita lebar dalam frekuensi tinggi. Untuk mencapai penyerapan ultra-broadband, d . yang dioptimalkan 2 1,0 mm dipilih dalam desain PMA.
Hasil penyerapan dari 1 hingga 30 GHz untuk penyerap metamaterial sempurna pita lebar ultra yang diusulkan dengan parameter berbeda. a Hasil penyerapan PMA dengan R . yang berbeda a nilai-nilai. b Hasil penyerapan PMA dengan R . yang berbeda b nilai-nilai. c Hasil penyerapan PMA dengan panjang P different yang berbeda . d Hasil penyerapan PMA dengan panjang s different yang berbeda . e Hasil penyerapan PMA dengan ketebalan d . yang berbeda 1 . f Hasil penyerapan PMA dengan ketebalan d . yang berbeda 2
Dari Gambar. 2 dan 3, terlihat bahwa bandwidth penyerapan PMA yang diusulkan sensitif terhadap ketebalan d1 dan d2 , dan nilai-nilai hambatan yang disamakan. Selain itu, pemisahan F-MDSRR dan S-MDSRR diperlukan untuk mencapai penyerapan pita lebar dalam desain kami. Oleh karena itu, ketebalan dan hambatan gabungan perlu dioptimalkan untuk penyerapan ultra-broadband.
Untuk mengeksplorasi mekanisme penyerapan ultra-broadband, distribusi arus permukaan dan distribusi medan listrik dekat PMA telah diberikan pada Gambar. 4 pada frekuensi resonansi 5.1, 14.5, 19.1, 20.8, dan 25.4GHz. Efek penyerapan resonansi yang luar biasa pada Gambar 4a telah diperlihatkan yang terutama dikaitkan dengan SRR-I untuk struktur mikro S-MDSRR dan cincin split luar untuk struktur mikro F-MDSRR pada 5,13 GHz. Kopling yang kuat antara mikrostruktur S-MDSRR dan F-MDSRR mengarah pada penyerapan resonansi. Dari Gambar 4c, dapat dilihat bahwa puncak serapan pada 14,49 GHz untuk penyerap yang diusulkan akan diperoleh karena struktur mikro F-MDSRR dengan empat resistansi yang disatukan dan kopling yang kuat dalam struktur mikro F-MDSRR. Seperti yang diberikan pada Gambar. 4e, PMA ultra-broadband saat ini mencapai resonansi absorpsi yang dihasilkan dari cincin intersplit untuk F-MDSRR dan efek kopling antara SRR-II dan SRR-I. Pada 20,77 GHz, puncak absorpsi terutama disebabkan oleh cincin intersplit untuk F-MDSRR pada Gambar 4g. Efek kopling yang kuat antara cincin split luar untuk F-MDSRR dan SRR-II untuk struktur mikro S-MDSRR telah dicapai dari Gambar 4i. Perlu dicatat bahwa resonansi dipol, induktansi ekivalen dan resonansi kapasitansi, dan resonansi kopling sangat penting untuk mencapai penyerapan ultra-broadband. Dari Gambar 4b, d, f, h, dan j, dapat ditemukan bahwa medan listrik dekat 5,13 GHz di ruang atas berbeda dari frekuensi respons lainnya karena efek kopling yang lebih kuat antara SRR-I dan cincin perpecahan luar. Jenis serapan resonansi pada 14,49, 19,1, dan 20,8 GHz sama satu sama lain, dan puncak penyerapan keduanya dicapai oleh struktur mikro F-MDSRR. Dapat ditemukan bahwa semakin banyak densitas PMA yang dipamerkan, semakin baik penyerapan PMA yang dicapai. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4j, ada enam titik spasi (A1 , A2 , A3 , A4 , A5 , A6 ,) dekat dengan titik asal dengan kepadatan yang kuat. Fenomena fisik ini semua diilustrasikan oleh efek kopling dan mode orde tinggi untuk PMA ultra-broadband yang diusulkan. Akibatnya, efek kopling antara struktur mikro yang berbeda dan mode tingkat tinggi adalah komponen penting untuk merancang PMA broadband.
Distribusi arus permukaan mikrostruktur F-MDSRR, mikrostruktur S-MDSRR, dan bidang tanah dan medan listrik dekat PMA pada frekuensi resonansi 5,13, 14,49, 19,05, 20,77, dan 25,42 GHz. a Distribusi arus permukaan pada 5,13 GHz. b Distribusi medan listrik dekat pada 5,13 GHz. c Distribusi arus permukaan pada 14.49. d Distribusi medan listrik dekat pada 14,49 GHz. e Distribusi arus permukaan pada 19,05 GHz. f Distribusi medan listrik dekat pada 19,05 GHz. g Distribusi arus permukaan pada 20,77 GHz. h Distribusi medan listrik dekat pada 20,77 GHz. saya Distribusi arus permukaan pada 25,42 GHz. j Distribusi medan listrik dekat pada 25,42 GHz
Hasil simulasi penyerapan PMA saat ini dengan sudut teta dan phi yang berbeda dibahas pada Gambar 5 untuk gelombang datang elektromagnetik transversal (TEM). Dari Gambar 5a, kita dapat melihat bahwa PMA yang diusulkan menunjukkan absorptivitas tinggi dari 4,5 hingga 25 GHz dengan theta = 0°. karena sudut phi bergeser dari 0 ke 360°. Jelas bahwa penyerapan menurun drastis untuk sudut meningkat 70-80 ° atau menurun dari -70 ke -80 ° pada Gambar. 5b. Umumnya, serapan ultra-broadband dan sudut lebar dapat diperoleh untuk PMA yang diusulkan dengan sudut teta bergeser dari 70 menjadi 70° dan sudut phi meningkat dari 0 menjadi 360°. Untuk menggambarkan penyerapan yang sangat baik, hasil simulasi penyerapan pada frekuensi resonansi 5.13, 14.49, 19.05, 20.77, dan 25.42 GHz diberikan dengan − 90° < theta< 90° dan 0° < phi< 360° pada Gambar. 5c– G. Dari angka-angka ini, kami dengan jelas mengamati bahwa penyerapan luar biasa pada 14,49 GHz dapat diperoleh untuk PMA dengan 90° < theta< 90° dan 0° < phi< 360° karena struktur mikro F-MDSRR simetris dengan empat hambatan yang disamakan dan efek kopling yang kuat antara cincin split bagian dalam dan luar. PMA pada 19,05 GHz dan 20,77 GHz masing-masing mempertahankan efisiensi penyerapan yang tinggi dengan penyerapan yang luas pada Gambar 5e, f. Fenomena-fenomena tersebut dibuktikan bahwa puncak-puncak absorpsinya semuanya dicapai oleh struktur mikro F-MDSRR yang simetris. Karena resonansi PMA pada 5,13 GHz ditentukan oleh struktur mikro S-MDSRR yang tidak simetris, hasil penyerapan pada frekuensi ini tidak tidak simetris pada Gambar 5c. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5g, perlu untuk menunjukkan bahwa penyerapan pada 25,42 GHz tidak konstan karena efek kopling antara mikrostruktur F-MDSRR dan S-MDSRR dan mode orde tinggi untuk PMA ultra-broadband yang diusulkan. Dari gambar ini, kita dapat melihat bahwa PMA yang diusulkan menunjukkan penyerapan sudut lebar untuk gelombang elektromagnetik dengan sudut datang yang berbeda.
Hasil penyerapan PMA ultra-broadband hadir dengan sudut theta dan phi yang berbeda. a Hasil penyerapan PMA dengan sudut phi yang berbeda dari 1 sampai 30 GHz (theta = 0 deg). b Hasil penyerapan PMA dengan sudut teta yang berbeda dari 1 hingga 30 GHz (phi = 0°). c Hasil penyerapan pada 5,13 GHz dengan 90° < theta< 90° dan 0° < phi< 360°. d Hasil penyerapan pada 14,49 GHz dengan 90° < theta< 90° dan 0° < phi< 360°. e Hasil penyerapan pada 19,05 GHz dengan 90° < theta< 90° dan 0° < phi< 360°. f Hasil penyerapan pada 20,77 GHz dengan 90° < theta< 90° dan 0° < phi< 360°. g Hasil penyerapan pada 25,42 GHz dengan 90° < theta < 90° dan 0° < phi< 360°
Untuk menafsirkan ketidakpekaan terpolarisasi dari PMA ultra-broadband untuk insiden terpolarisasi listrik transversal (TE) dan magnet transversal (TM), kami menyajikan penyerapan miring, distribusi arus permukaan pada 12 GHz dan medan listrik dekat pada 12 GHz pada Gambar . 6. Dari Gambar 6a, b, terlihat jelas bahwa hasil penyerapan miring pada kejadian terpolarisasi TM sama dengan yang terjadi pada kejadian terpolarisasi TE. Penyerapan miring yang sama dengan insiden yang berbeda dikaitkan dengan mekanisme penyerapan dan struktur mikro saat ini. Misalnya, distribusi arus permukaan dan medan listrik dekat pada 12GHz dengan insiden terpolarisasi TE dan TM lebih lanjut dieksplorasi untuk menggambarkan ketidakpekaan terpolarisasi dari PMA ultra-broadband pada Gambar. 6c–f. Dilaporkan bahwa PMA yang disajikan menunjukkan distribusi arus permukaan yang sama dan medan listrik dekat dengan gelombang insiden terpolarisasi yang berbeda. Akibatnya, karakteristik ketidakpekaan terpolarisasi dapat dicapai untuk PMA ultra-broadband ini.
Hasil penyerapan, distribusi arus permukaan dan medan listrik dekat dari PMA ultra-broadband saat ini dengan insiden terpolarisasi yang berbeda. a Hasil penyerapan miring dari PMA dengan insiden terpolarisasi TE dari 1 hingga 30 GHz dengan theta bergeser dari 0 hingga 60 °. b . Medan listrik dekat PMA pada 12 GHz dengan insiden terpolarisasi TE. c Distribusi arus permukaan PMA pada 12 GHz dengan insiden terpolarisasi TE. d Hasil penyerapan miring dari PMA dengan insiden terpolarisasi TM dari 1 hingga 30 GHz dengan theta bergeser dari 0 hingga 60 °. e Distribusi arus permukaan PMA pada 12 GHz dengan insiden terpolarisasi TM. f Medan listrik dekat PMA pada 12 GHz dengan insiden terpolarisasi TM
Untuk menguraikan kerugian dielektrik dan ohmik, Gbr. 7 menunjukkan kerapatan kehilangan volume (VLD) substrat dan resistansi gabungan untuk PAM yang diusulkan pada 5,13, 14,49, 19,05, 20,77, dan 25,42 GHz. Dari Gbr. 7a, kita dapat mengamati bahwa VLD meningkat saat frekuensi resonansi bergeser dari 5,13 ke 25,42 GHz. Mode yang berbeda dapat dicapai dari rugi-rugi ohmik dari hambatan-hambatan yang disamakan pada Gambar 7b. Kepadatan kehilangan volume R34 jelas lebih dari R12 pada 5,13 GHz. Perbedaannya akan berkurang pada 14,49 GHz. Pada 19,05 GHz dan 20,77 GHz, VLD R34 sedikit kurang dari R12 . Saat itu 25,42 GHz, kepadatan kehilangan volume R34 dan R12 keduanya kurang dari frekuensi lainnya. Jelas bahwa kerugian ohmik dengan kisaran dari 1 × 10
5
w/mm
3
hingga 1 × 10
7
w/mm
3
lebih dari kerugian dielektrik dengan kisaran dari 100 w/mm
3
hingga 1 × 10
7
w/mm
6
. Akibatnya, kerugian ohmik dan dielektrik penting untuk penyerap ultra-broadband yang diusulkan ini dari Gambar. 3(e) dan (f) dan 7.
Rugi-rugi dielektrik dan ohmik substrat dan hambatan yang disatukan untuk PAM yang diusulkan pada 5,13, 14,49, 19,05, 20,77, dan 25,42 GHz. a Kepadatan kehilangan volume (VLD) substrat pada frekuensi resonansi. b Kepadatan kehilangan volume (VLD) dari resistansi yang disamakan pada frekuensi resonansi
Fabrikasi dan Pengukuran
Untuk memverifikasi karakter, dua perangkat 900-sel (30 × 30) dari PMA ultra-broadband yang diusulkan dibuat dan diilustrasikan pada Gambar. 8. Perangkat telah diukur dengan menggunakan metode uji ruang bebas dalam gelombang mikro anechoic ruang. Sampel PMA ultra-broadband dibuat menggunakan proses litografi optik pada tiga substrat (εr = 4.2 dan tanδ = 0.02) dengan ketebalan 2 mm, 1 mm, 1 mm, dan 1 mm. Dua antena tanduk gain standar terpolarisasi linier sebagai pemancar dan penerima terhubung ke Agilent Vector Network Analyzer (VNA, N5230C). Untuk menghilangkan gangguan lingkungan, fungsi gating domain waktu di Network Analyzer diadopsi dalam eksperimen. Perangkat ditempatkan secara vertikal di tengah meja putar untuk memastikan bahwa gelombang EM dapat serupa dengan gelombang bidang di bagian depan perangkat. Jarak antara antena dan perangkat yang diuji memenuhi kondisi medan jauh.
Prototipe perangkat PMA ultra-broadband yang diusulkan dalam ruang anechoic microwave
Hasil eksperimen penyerapan sudut untuk sampel PMA yang diusulkan diberikan pada Gambar. 9 ketika sudut datang (θ ) bergeser dari 0 ke 45°. Hasil pengukuran mengilustrasikan bahwa penyerapan sudut menurun dengan lambat saat sudut datang meningkat dari 0 menjadi 45° di x - dan y - insiden terpolarisasi. 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.
