Penyerap Metamaterial Triple-Band Ultra-Tipis dengan Efisiensi 99,9% dan Stabilitas Sudut Luas untuk Aplikasi Konformal X/Ku Band

Abstrak

Penyerap metamaterial (MA) ultra-tipis dan fleksibel dengan tiga puncak serapan disajikan dalam makalah ini. Penyerab yang diusulkan dirancang sehingga tiga puncak serapan terletak pada 8,5, 13,5, dan 17 GHz (band X dan Ku) dengan serapan masing-masing 99,9%, 99,5%, dan 99,9%. Struktur yang diusulkan hanya tebal 0,4 mm, yang sekitar 1/88, 1/55, dan 1/44 dari panjang gelombang ruang bebas masing-masing frekuensi serapan di berbagai band. MA juga tidak sensitif karena geometri simetrinya. Selain itu, struktur yang diusulkan menunjukkan serapan minimal 86% (insiden TE) dalam sudut insiden hingga 60°. Untuk insiden TM, penyerab yang diusulkan menunjukkan serapativitas di atas 99% hingga sudut insiden 60°. Distribusi arus permukaan dan medan listrik diteliti untuk menganalisis mekanisme yang mengatur serapan. Analisis parameter dilakukan untuk optimasi serapan. Selain itu, performa MA diuji secara eksperimental di ruang bebas pada sampel uji dengan 20 × 30 sel satuan yang dibuat pada dielektrik fleksibel. Pada insiden normal, MA yang dibuat menunjukkan serapan hampir sempurna pada setiap puncak serapan untuk semua sudut polarisasi, dan hasil eksperimental ditemukan konsisten dengan hasil simulasi. Dengan keuntungan serapan efisien tinggi pada rentang sudut insiden yang luas, penyerab yang diusulkan dapat digunakan untuk penangkapan energi dan pelindungan elektromagnetik.

Pendahuluan

Dalam beberapa tahun terakhir, metamaterial telah menerima perhatian luas karena properti eksotisnya, seperti indeks refraksi negatif [1], citra sempurna [2], dan efek Doppler terbalik [3]. Karena properti ini, metamaterial telah diusulkan untuk digunakan dalam berbagai perangkat, seperti pelindung elektromagnetik (EM) [4], sensor ultra-sensitif [5], filter [6, 7], dan penyerap [8,9,10,11,12]. Khususnya, penyerap metamaterial (MA), dibandingkan dengan penyerap mikroskop tradisional, digunakan dalam berbagai bidang, mulai dari militer hingga elektronik konsumen. MA cenderung ringan dan tipis.

Pada tahun 2008, MA sempurna pertama kali disajikan oleh Landy et al. [13]. Selanjutnya, berbagai jenis MA, seperti single-band [14, 15], dual-band [16,17,18,19,20,21], multi-band [22,23,24,25,26,27], dan penyerap wideband [28,29,30,31,32,33,34,35,36], telah disajikan oleh berbagai peneliti. Di antara MA ini, multi-band MA memungkinkan serapan sempurna pada beberapa frekuensi diskrit, mengaktifkan aplikasi seperti sensing multiband. Secara umum, multi-band MA dapat dikonfigurasi dengan dua metode. Metode pertama umumnya dikenal sebagai metode konstruksi coplanar, di mana beberapa resonator dengan ukuran berbeda dibentuk menjadi struktur super-unit [37, 38]. Metode kedua melibatkan tumpukan vertikal struktur multi-lapisan bergantian [39, 40]. Namun, tidak ada salah satu dari metode ini yang ideal untuk memfabrikasi struktur yang menyediakan serapan multiband. Misalnya, metode konstruksi coplanar menyebabkan perluasan ukuran unit MA yang tidak terhindarkan, sedangkan desain berlapis tidak dapat mengeliminasi kekurangan ketebalan besar dan bobot berat struktur. Akhir-akhir ini, beberapa desain struktural yang disederhanakan disajikan untuk mencapai serapan multiband [41, 42]; namun, serapan pada sudut insiden yang luas masih perlu ditingkatkan.

Dalam makalah ini, kami mengusulkan metode desain yang menggabungkan keuntungan ukuran kompak, ultra-tipis, berat ringan, dan mudah dibuat. Dengan desain sel satuan, MA triple-band yang diusulkan menunjukkan serapan tinggi bahkan pada sudut insiden yang luas. Hasil simulasi mengungkapkan tiga pita serapan yang berbeda dengan puncak serapan 99,9%, 99,5%, dan 99,9% pada 8,5, 13,5, dan 17 GHz, masing-masing. Struktur simetris MA memastikan serapannya tidak sensitif terhadap sudut polarisasi yang berbeda. Selain itu, MA yang diusulkan menawarkan serapan di atas 86% dan 99% ketika gelombang TE dan TM-polarisasi jatuh pada sudut insiden 60°, masing-masing. Hubungan antara parameter geometris yang berbeda dan spektrum serapan diperiksa. Untuk memvalidasi performa serapan MA, prototipe dengan 20 × 30 sel satuan dibuat, dan hasil eksperimental ditemukan konsisten dengan hasil simulasi. Dengan ketebalan rendah dan efektivitas untuk rentang sudut insiden yang luas, struktur MA dibuat pada film poliamida yang sangat fleksibel, yang dapat digunakan dalam aplikasi non-datar dan konformal.

Metode/Eksperimen

Gambar 1 menunjukkan geometri sel satuan untuk MA yang diusulkan, yang terdiri dari lapisan resonansi, lapisan dielektrik, dan lapisan ground logam. Struktur resonansi menggabungkan split ring resonator (SRR), modified ring resonator (MRR), dan delapan struktur 7-shaped identik, masing-masing diputar 45° sepanjang pusat unit. Lapisan pola atas dan lapisan ground bawah terbuat dari tembaga tebal 0,02 mm dengan konduktivitas listrik 5,8 × 10⁷ S/m. Substrat dibuat pada poliamida dengan permitivitas relatif 2,9 dan loss tangent 0,02. Parameter teroptimasi MA tercantum dalam Tabel 1.

Spektrum serapan simulasi MA yang diusulkan ditentukan dari simulasi finite-difference time-domain (FDTD). Dalam simulasi, kondisi batas sel satuan diterapkan di arah x dan y, sementara kondisi port Floquet diberlakukan di arah z. Selain itu, gelombang EM datar diasumsikan mengenai permukaan MA. Serapativitas (A) dapat didefinisikan sebagai \(A\left(\upomega \right)=1-{|{S}_{11}(\upomega )|}^{2}-{|{S}_{21}(\upomega )|}^{2}\), di mana \({S}_{11}(\upomega )\) dan \({S}_{21}(\upomega )\) adalah koefisien refleksi dan transmisi, masing-masing. Karena koefisien transmisi \({S}_{21}(\upomega )\) adalah nol karena refleksi total dari ground plane tembaga, serapativitas dapat disederhanakan sebagai \(A\left(\upomega \right)=1-{|{S}_{11}(\upomega )|}^{2}\). Spektrum refleksi dan serapan simulasi MA yang diusulkan pada insiden normal ditunjukkan dalam Gambar 2a. MA yang diusulkan menunjukkan tiga puncak serapan pada 8,5, 13,5, dan 17 GHz dengan serapan 99,9%, 99,5%, dan 99,9%, masing-masing; faktor Q yang sesuai dari setiap mode resonansi dapat mencapai 26,8, 28,4, dan 27,1, masing-masing.

Gambar 2b menunjukkan spektrum serapan struktur MA yang diusulkan untuk berbagai sudut polarisasi. Terlihat bahwa serapan MA tetap stabil untuk sudut polarisasi dari 0° hingga 90°. Oleh karena itu, MA yang diusulkan tidak sensitif terhadap polarisasi gelombang EM insiden. Selain itu, kami lebih lanjut menyelidiki serapan dalam MA yang dirancang pada sudut insiden miring (θ). Untuk polarisasi TE, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2c, serapativitas menurun seiring bertambahnya θ. Ini mungkin terjadi karena peningkatan θ mengurangi komponen horizontal intensitas medan listrik untuk gelombang TE. Oleh karena itu, efektivitas arus sirkulasi yang dihasilkan oleh medan listrik insiden secara bertahap menurun. Namun, tiga puncak serapan tetap di atas 86% ketika θ mencapai 60°. Untuk polarisasi TM, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2d, serapativitas pada setiap puncak resonansi lebih dari 99% pada θ = 60°. Ini terjadi karena serapan dalam MA yang diusulkan kurang sensitif terhadap perubahan intensitas medan listrik yang disebabkan oleh peningkatan θ. Keuntungan lain dari MA yang diusulkan adalah stabilitas frekuensi serapan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2, di mana tiga puncak serapan yang berbeda tidak berubah secara signifikan seiring bertambahnya θ.

Hasil dan Pembahasan

Untuk memfasilitasi penjelasan mendetail tentang serapan, spektrum respons untuk berbagai bagian struktur resonansi disajikan dalam Gambar 3. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3, setiap elemen dalam lapisan pola bertanggung jawab atas resonansi individu yang intens. Akibatnya, kombinasi elemen-elemen ini mengarah pada serapan multiband sempurna. Sebagai bagian dari desain MRR, persegi patch ditambahkan di setiap sudut ring resonator tertutup, yang meningkatkan panjang listrik ring resonator dan mered-shift frekuensi serapan tanpa meningkatkan ukuran struktur.

Untuk menjelajihi mekanisme serapan gelombang EM lebih lanjut, distribusi kepadatan arus permukaan pada lapisan logam atas dan bawah yang sesuai dengan tiga puncak serapan ditunjukkan dalam Gambar 4. Terlihat bahwa arus permukaan pada lapisan pola atas terkonsentrasi pada MRR, SRR, dan struktur grafis 7-shaped pada 8,5, 13,5, dan 17 GHz, masing-masing. Distribusi arus permukaan juga mengungkapkan asal-usul serapan gelombang, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3. Dibandingkan dengan arus permukaan pada lapisan atas, intensitas pada lapisan ground bawah jauh lebih lemah. Arah arus permukaan pada lapisan atas anti-paralel terhadap ground plane, yang menghasilkan arus sederhana setara dalam MA yang mengesatkan dipol magnetik. Sementara itu, Gambar 5 menunjukkan amplitudo medan listrik (|E|) dalam MA untuk gelombang insiden TE-polarisasi ketika θ = 0°, 30°, dan 60°. Terlihat bahwa medan listrik sangat terkonsentrasi pada bar horizontal MRR karena MRR menyerap pada 8,5 GHz. Pada 13,5 GHz, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5(b), serapan sempurna disebabkan oleh resonansi LC dalam SRR. Terakhir, serapan pada 17 GHz disebabkan oleh resonansi dipol pada patch dalam. Resonator pada lapisan atas juga mengembangkan resonansi listrik. Baik resonansi magnetik maupun listrik berkontribusi pada serapan EM yang kuat dalam struktur yang diusulkan. Selain itu, Gambar 5 menunjukkan bahwa intensitas medan menurun seiring bertambahnya θ. Akibatnya, serapan gelombang EM juga menurun seiring bertambahnya θ.

Gambar 6 menunjukkan efek geometri MA terhadap serapan dalam MA yang diusulkan. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6a, frekuensi resonansi bergeser ke frekuensi yang lebih tinggi seiring bertambahnya a. Hubungan antara lebar celah b SRR dan spektrum serapan ditunjukkan dalam Gambar 6b. Kapasitansi setara menurun seiring bertambahnya b; oleh karena itu, puncak resonansi tengah bergeser ke frekuensi yang lebih tinggi. Namun, puncak serapan bawah dan atas hampir tidak berubah, yang menyediakan cara yang nyaman untuk menyesuaikan frekuensi serapan individu. Selain itu, ketergantungan serapan terhadap lebar bar ring w₂ disajikan dalam Gambar 6c, di mana keduanya frekuensi resonansi bawah dan tengah mered-shift seiring bertambahnya w₂. Seiring bertambahnya w₂, kapasitansi setara meningkat karena jarak antara SRR dan MRR berkurang, menyebabkan frekuensi resonansi bawah dan tengah mered-shift. Terakhir, peningkatan lebar bar w₃ akan menyebabkan mered-shift pada frekuensi resonansi atas, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6d. Karena mode resonansi ditentukan oleh patch 7-shaped dalam, peningkatan w₃ juga meningkatkan induktansi setara resonator dalam. Oleh karena itu, frekuensi resonansi menunjukkan mered-shift.

Prototipe 240 mm × 160 mm, yang sesuai dengan 20 × 30 sel satuan, dibuat, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7a. Dalam persiapan sampel, lapisan tembaga tipis dievaporasi pada permukaan poliamida, dan kemudian pola diukir menggunakan ablasi laser. Pengaturan pengukuran ditunjukkan dalam Gambar 7b, di mana serapan sampel diuji dengan metode ruang bebas. Sejuta pasang antena terhubung ke vektor analisis jaringan (Rohde & Schwarz ZVA 40) untuk mengukur refleksi dari sampel. Spektrum refleksi untuk plate tembaga dengan ukuran yang sama seperti sampel yang dibuat diukur dan digunakan sebagai referensi. Sampel kemudian ditempatkan pada lokasi yang sama dan refleksi nyata dari sampel dihitung dengan mengurangi dua daya refleksi yang diukur. Gambar 8a menunjukkan spektrum refleksi yang diukur dari plate tembaga dan sampel yang dibuat, sementara serapativitas MA ditunjukkan dalam Gambar 8b. Serapan yang diukur adalah 96%, 97%, dan 94% pada 8,7, 14,1, dan 17,6 GHz, masing-masing. Dibandingkan dengan hasil simulasi, frekuensi puncak serapan bergerak sedikit ke frekuensi yang lebih tinggi karena toleransi manufaktur dan perbedaan permitivitas substrat.

Gambar 9 menunjukkan serapan MA yang diukur pada berbagai sudut polarisasi φ = 0°, 30°, dan 60°. Hasil menunjukkan bahwa struktur yang diusulkan tidak sensitif terhadap sudut polarisasi. Gambar 10 menunjukkan spektrum serapan yang diukur untuk polarisasi TE dan TM ketika θ = 30° dan 60°. Serapan untuk kedua polarisasi tetap di atas 95% ketika θ = 60° untuk semua puncak serapan.

Seperti yang disebutkan sebelumnya, MA yang diusulkan dibuat pada film poliamida yang sangat fleksibel, yang dapat digunakan dalam aplikasi non-datar. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11a, penyerab dibentuk dan dilekatkan pada silinder dengan radius 8 cm, dan serapannya kemudian diukur. Gambar 11b menunjukkan spektrum serapan untuk penyerab datar dan konformal. Terlihat bahwa serapativitas kedua penyerab serupa. Selain itu, puncak serapan pada tiga frekuensi resonansi serupa sebelum dan setelah dibentuk, yang penting dalam aplikasi konformal.

Kesimpulan

MA ultra-tipis, fleksibel dengan tiga puncak serapan disajikan dalam makalah ini. Dibandingkan dengan desain sebelumnya, penyerab yang diusulkan ultra-tipis dengan ketebalan total 0,4 mm, yang sekitar 1/88 panjang gelombang ruang bebas yang sesuai dengan frekuensi serapan terendah. Penyerab triple-band yang diusulkan menunjukkan serapan tinggi hingga sudut insiden 60° (di atas 86% dan 99% untuk polarisasi TE dan TM, masing-masing). Sementara itu, simetri struktur memastikan serapan tidak sensitif terhadap perubahan polarisasi. MA dengan 20 × 30 sel satuan dibuat dan diukur untuk berbagai sudut insiden. Hasil menunjukkan bahwa MA menunjukkan serapan tinggi pada sudut insiden besar. Penyerab dibuat pada film poliamida fleksibel yang dapat dengan mudah digunakan dalam aplikasi non-datar dan konformal. Penyerab yang diusulkan memiliki potensi penggunaan yang besar dalam penangkapan energi dan pelindungan elektromagnetik.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data sepenuhnya tersedia tanpa pembatasan.

Singkatan

MA:

Penyerap Metamaterial

EM:

Elektromagnetik

SRR:

Split Ring Resonator

MRR:

Modified Ring Resonator

FDTD:

Finite-Difference Time-Domain