Absorber Metamaterial Triple-Band Ultrathin dengan Stabilitas Wide-Incidental-Angle untuk Aplikasi Konformal pada Pita Frekuensi X dan Ku
Abstrak
Penyerap metamaterial (MA) ultra tipis dan fleksibel dengan puncak serapan tiga kali lipat disajikan dalam makalah ini. Penyerap yang diusulkan telah dirancang sedemikian rupa sehingga tiga puncak serapan terletak pada 8,5, 13,5, dan 17 GHz (pita X dan Ku) dengan penyerapan masing-masing 99,9%, 99,5%, dan 99,9%. Struktur yang diusulkan hanya setebal 0,4 mm, yaitu kira-kira 1/88, 1/55, dan 1/44 untuk masing-masing panjang gelombang ruang bebas dari frekuensi absorpsi di berbagai pita. MA juga tidak sensitif karena geometri simetrisnya. Selain itu, struktur yang diusulkan menunjukkan penyerapan minimal 86% (insiden TE) dalam sudut datang 60°. Untuk kejadian TM, penyerap yang diusulkan menunjukkan lebih dari 99% absorptivitas hingga kejadian 60 °. Arus permukaan dan distribusi medan listrik diselidiki untuk menganalisis mekanisme yang mengatur penyerapan. Analisis parameter dilakukan untuk optimasi penyerapan. Selain itu, kinerja MA didemonstrasikan secara eksperimental di ruang bebas pada sampel yang diuji dengan sel unit 20 × 30 yang dibuat pada dielektrik fleksibel. Di bawah kejadian normal, MA yang dibuat menunjukkan penyerapan yang hampir sempurna pada setiap puncak penyerapan untuk semua sudut polarisasi, dan hasil eksperimen ditemukan konsisten dengan hasil simulasi. Karena keunggulan penyerapan efisiensi tinggi pada rentang sudut datang yang luas, penyerap yang diusulkan dapat digunakan dalam pemanenan energi dan pelindung elektromagnetik.
Pengantar
Dalam beberapa tahun terakhir, metamaterial telah mendapat perhatian luas karena sifat eksotis mereka, seperti indeks bias negatif [1], pencitraan sempurna [2], dan efek Doppler terbalik [3]. Karena sifat-sifat ini, metamaterial telah diusulkan untuk digunakan dalam berbagai perangkat, seperti penyelubungan elektromagnetik (EM) [4], penginderaan ultra-sensitif [5], filter [6, 7], dan peredam [8,9,10, 11,12]. Secara khusus, penyerap metamaterial (MA), dibandingkan dengan peredam gelombang mikro tradisional, digunakan di berbagai bidang, mulai dari militer hingga elektronik konsumen. MA cenderung ringan dan tipis.
Pada tahun 2008, MA sempurna pertama kali dipresentasikan 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 peredam pita lebar [28,29,30,31,32,33,34,35,36], telah dipresentasikan oleh berbagai peneliti. Di antara MA ini, MA multi-band memungkinkan penyerapan sempurna pada beberapa frekuensi diskrit, memungkinkan aplikasi seperti penginderaan multiband. Secara umum, MA multi-band 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 penumpukan vertikal struktur multi-lapisan bolak-balik [39, 40]. Namun, tidak satu pun dari metode ini yang ideal untuk membuat struktur yang menyediakan penyerapan multiband. Misalnya, metode konstruksi coplanar mengarah pada perluasan ukuran unit MA yang tak terhindarkan, sedangkan desain berlapis tidak dapat menghilangkan kerugian dari ketebalan yang besar dan bobot struktur yang berat. Baru-baru ini, beberapa desain struktural yang disederhanakan disajikan untuk mencapai penyerapan multi-band [41, 42]; namun demikian, penyerapan pada sudut datang yang lebar masih perlu ditingkatkan.
Dalam makalah ini, kami mengusulkan metode desain yang menggabungkan keunggulan ukuran kompak, ultra tipis, ringan, dan mudah dibuat. Sesuai dengan desain sel satuan, MA triple-band yang diusulkan menunjukkan penyerapan tinggi bahkan pada sudut datang yang lebar. Hasil simulasi mengungkapkan tiga pita serapan yang berbeda dengan serapan puncak masing-masing 99,9%, 99,5%, dan 99,9% pada 8,5, 13,5, dan 17 GHz. Struktur simetris MA memastikan penyerapannya tidak sensitif terhadap sudut polarisasi yang berbeda. Selain itu, MA yang diusulkan menawarkan penyerapan lebih besar dari 86% dan 99% ketika gelombang terpolarisasi TE dan TM datang masing-masing pada sudut datang 60°. Hubungan antara berbagai parameter geometrik dan spektrum absorpsi diperiksa. Untuk memvalidasi kinerja penyerapan MA, prototipe dengan sel satuan 20 × 30 telah dibuat, dan hasil eksperimen ditemukan konsisten dengan hasil simulasi. Karena ketebalan dan efektivitasnya yang rendah untuk berbagai sudut datang, struktur MA dibuat pada film polimida yang sangat fleksibel, yang dapat digunakan dalam aplikasi non-planar dan konformal.
Metode/Eksperimental
Gambar 1 menunjukkan geometri sel satuan untuk MA yang diusulkan, yang terdiri dari lapisan resonansi, lapisan dielektrik, dan lapisan dasar logam. Struktur resonansi menggabungkan resonator cincin terpisah (SRR), resonator cincin yang dimodifikasi (MRR), dan delapan struktur berbentuk 7 yang identik, masing-masing diputar 45° di sepanjang pusat unit. Lapisan berpola atas dan lapisan tanah bawah terbuat dari tembaga setebal 0,02 mm dan konduktif listrik 5,8 × 10
7
S/m. Substrat dibuat pada polimida dengan permitivitas relatif 2,9 dan tangen rugi 0,02. Parameter MA yang dioptimalkan tercantum pada Tabel 1.
Geometri skema dari sel satuan untuk MA yang diusulkan. a Tampilan atas, b tata letak delapan struktur resonansi berbentuk 7, dan c tampilan perspektif sel satuan
Spektrum serapan yang disimulasikan dari MA yang diusulkan ditentukan dari simulasi domain waktu-perbedaan-hingga (FDTD). Dalam simulasi, kondisi batas sel satuan diterapkan pada arah x dan y, sedangkan kondisi Floquet port diterapkan sepanjang arah z. Selain itu, gelombang EM bidang diasumsikan mengenai permukaan MA. Daya serap (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 refleksi dan koefisien transmisi , masing-masing. Karena koefisien transmisi \({S}_{21}(\upomega )\) adalah nol karena pantulan total bidang dasar tembaga, absorptivitas dapat disederhanakan sebagai \(A\left(\upomega \right)=1 -{|{S}_{11}(\upomega )|}^{2}\). Refleksi simulasi dan spektrum penyerapan MA yang diusulkan di bawah kejadian normal ditunjukkan pada Gambar. 2a. MA yang diusulkan menunjukkan tiga puncak penyerapan pada 8,5, 13,5, dan 17 GHz dengan penyerapan masing-masing 99,9%, 99,5%, dan 99,9%; yang sesuai Q faktor masing-masing mode resonansi dapat mencapai 26,8, 28,4, dan 27,1.
a Simulasi penyerapan dan spektrum refleksi pada kejadian normal. b Spektrum serapan untuk sudut polarisasi yang berbeda φ . Penyerapan untuk θ . yang berbeda nilai untuk c TE dan d Polarisasi TM
Gambar 2b menunjukkan spektrum serapan struktur MA yang diusulkan untuk sudut polarisasi yang berbeda. Dapat dilihat bahwa penyerapan MA tetap stabil untuk sudut polarisasi berkisar antara 0° hingga 90°. Oleh karena itu, MA yang diusulkan tidak sensitif terhadap polarisasi gelombang EM yang datang. Selain itu, kami menyelidiki lebih lanjut penyerapan dalam MA yang dirancang pada sudut datang miring (θ ). Untuk polarisasi TE, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, absorptivitas menurun saat θ meningkat. Ini mungkin terjadi karena peningkatan θ menurunkan komponen horizontal intensitas medan listrik untuk gelombang TE. Oleh karena itu, efektivitas arus sirkulasi yang dihasilkan oleh medan listrik yang datang secara bertahap berkurang. Namun, tiga puncak penyerapan tetap di atas 86% sebagai θ mencapai 60 derajat. Untuk polarisasi TM, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d, absorptivitas pada setiap puncak resonansi lebih besar dari 99% pada θ =60 °. Hal ini terjadi karena penyerapan pada MA yang diusulkan kurang sensitif terhadap perubahan intensitas medan listrik yang disebabkan oleh peningkatan θ . Keuntungan lain dari MA yang diusulkan adalah stabilitas frekuensi penyerapan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, di mana tiga puncak serapan yang berbeda tidak berubah secara signifikan sebagai θ meningkat.
Hasil dan Diskusi
Untuk memudahkan penjelasan rinci tentang penyerapan, spektrum respons untuk bagian yang berbeda dari struktur resonansi disajikan pada Gambar 3. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, setiap elemen dalam lapisan berpola bertanggung jawab atas resonansi individual dan intens. Akibatnya, kombinasi elemen-elemen ini menghasilkan penyerapan multiband yang sempurna. Sebagai bagian dari desain MRR, patch persegi ditambahkan ke setiap sudut resonator cincin tertutup, yang meningkatkan panjang listrik resonator cincin dan menggeser frekuensi penyerapan tanpa meningkatkan ukuran struktur.
Kontribusi dari elemen individu untuk penyerapan
Untuk mengeksplorasi lebih lanjut mekanisme penyerapan gelombang EM, distribusi kerapatan arus permukaan pada lapisan logam atas dan bawah yang sesuai dengan tiga puncak serapan ditunjukkan pada Gambar 4. Dapat dilihat bahwa arus permukaan pada lapisan berpola atas terkonsentrasi pada MRR. , SRR, dan struktur grafis berbentuk 7 pada masing-masing 8,5, 13,5, dan 17 GHz. Distribusi arus permukaan juga mengungkapkan asal mula penyerapan gelombang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Dibandingkan dengan arus permukaan pada lapisan atas, intensitas pada lapisan tanah bawah jauh lebih lemah. Arah arus permukaan pada lapisan atas adalah antiparalel terhadap bidang tanah, yang menghasilkan loop arus ekivalen dalam MA yang mengeksitasi dipol magnet. Sementara itu, Gambar 5 menunjukkan amplitudo medan listrik (|E |) di MA untuk gelombang polarisasi TE yang terjadi saat θ = 0°, 30°, dan 60°. Orang dapat melihat bahwa medan listrik terkonsentrasi kuat pada batang horizontal MRR karena MRR menyerap pada 8,5 GHz. Pada 13,5 GHz, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5(b), penyerapan sempurna disebabkan oleh resonansi LC di SRR. Terakhir, penyerapan pada 17 GHz disebabkan oleh resonansi dipol di patch bagian dalam. Resonator di lapisan atas juga mengembangkan resonansi listrik. Baik resonansi magnetik dan listrik berkontribusi pada penyerapan EM yang kuat dalam struktur yang diusulkan. Selain itu, Gambar 5 menunjukkan bahwa intensitas medan berkurang saat θ meningkat. Akibatnya, penyerapan gelombang EM juga berkurang dengan meningkatnya θ .
Simulasi distribusi arus permukaan pada lapisan berpola atas dan lapisan tanah bawah pada a , d 8.5, b , e 13.5, dan c , f 17 GHz
Distribusi medan listrik mutlak (|E |) dalam MA untuk polarisasi TE pada sudut datang yang berbeda θ dari a 8.5, b 13.5, dan c 17 GHz
Gambar 6 menunjukkan efek geometri MA pada penyerapan di MA yang diusulkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, frekuensi resonansi bergeser ke frekuensi yang lebih tinggi sebagai a meningkat. Hubungan antara lebar celah b dari SRR dan spektrum penyerapan ditunjukkan pada Gambar. 6b. Kapasitansi ekuivalen berkurang dengan meningkatnya b; dengan demikian, puncak resonansi pusat bergeser ke frekuensi yang lebih tinggi. Namun, puncak absorpsi bawah dan atas tetap hampir tidak berubah, yang menyediakan cara yang nyaman untuk menyetel frekuensi absorpsi individu. Selain itu, ketergantungan penyerapan pada lebar bilah cincin w2 disajikan pada Gambar. 6c, di mana frekuensi resonansi bawah dan tengah bergeser merah sebagai w2 meningkat. Sebagai dengan2 meningkat, kapasitansi ekuivalen meningkat karena jarak antara SRR dan MRR berkurang, menyebabkan frekuensi resonansi yang lebih rendah dan tengah bergeser merah. Terakhir, menambah lebar bilah w3 akan menyebabkan pergeseran merah pada frekuensi resonansi atas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6d. Karena mode resonansi ditentukan oleh patch berbentuk 7 bagian dalam, meningkatkan w3 juga meningkatkan induktansi ekivalen dari resonator dalam. Oleh karena itu, frekuensi resonansi menunjukkan pergeseran merah.
Spektrum penyerapan MA untuk parameter struktural yang berbeda:a periodisitas satuan a , b Lebar celah SRR b , c Lebar bilah cincin MSR w2 , d Lebar patch berbentuk 7 w3
Prototipe 240 mm × 160 mm, sesuai dengan sel satuan 20 × 30, telah dibuat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a. Dalam preparasi sampel, lapisan tipis tembaga diuapkan pada permukaan polimida, dan kemudian polanya digores menggunakan ablasi laser. Penyiapan pengukuran ditunjukkan pada Gambar 7b, di mana penyerapan dalam sampel diuji dengan metode ruang bebas. Sepasang antena klakson dihubungkan ke penganalisis jaringan vektor (Rohde &Schwarz ZVA 40) untuk mengukur pantulan dari sampel. Spektrum refleksi untuk pelat tembaga dengan ukuran yang sama dengan sampel fabrikasi diukur dan digunakan sebagai referensi. Sampel kemudian ditempatkan pada lokasi yang sama dan pantulan nyata dari sampel dihitung dengan mengurangkan dua kekuatan pantul yang diukur. Gambar 8a menunjukkan spektrum pantulan yang diukur dari pelat tembaga dan sampel yang dibuat, sedangkan absorptivitas MA ditunjukkan pada Gambar 8b. Penyerapan terukur adalah 96%, 97%, dan 94% pada masing-masing 8,7, 14,1, dan 17,6 GHz. Dibandingkan dengan hasil simulasi, frekuensi puncak serapan bergerak sedikit ke arah frekuensi yang lebih tinggi karena toleransi pembuatan dan perbedaan permitivitas substrat.
a Prototipe MA yang dibuat. b Penyiapan pengukuran
a Koefisien refleksi dan b absorptivitas MA pada kejadian normal
Gambar 9 menunjukkan penyerapan dalam MA yang diukur pada sudut polarisasi yang berbeda dari φ = 0°, 30°, dan 60°. Hasil penelitian menunjukkan bahwa struktur yang diusulkan tidak sensitif terhadap sudut polarisasi. Gambar 10 menunjukkan spektrum serapan terukur untuk polarisasi TE dan TM saat θ = 30° dan 60°. Penyerapan untuk kedua polarisasi tetap di atas 95% saat θ = 60 ° untuk semua puncak penyerapan.
Penyerapan terukur untuk sudut polarisasi yang berbeda di bawah kejadian normal
Penyerapan simulasi dan terukur untuk sudut datang yang berbeda:a TE dan b Polarisasi TM
Seperti disebutkan sebelumnya, MA yang diusulkan dibuat pada film polimida yang sangat fleksibel, yang dapat digunakan dalam aplikasi non-planar. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11a, penyerap dilengkungkan dan dipasang pada silinder dengan radius 8 cm, dan penyerapannya kemudian diukur. Gambar 11b menunjukkan spektrum serapan untuk penyerap datar dan konformal. Dapat diamati bahwa absorptivitas kedua absorber adalah serupa. Selain itu, penyerapan puncak pada tiga frekuensi resonansi serupa sebelum dan sesudah pembengkokan, yang penting dalam aplikasi konformal.
a Penyerap fleksibel terpasang pada silinder. b Spektrum serapan MA datar dan konformal
Kesimpulan
MA ultra-tipis dan fleksibel dengan tiga puncak serapan disajikan dalam makalah ini. Dibandingkan dengan desain sebelumnya, penyerap yang kami usulkan sangat tipis dengan ketebalan total 0,4 mm, yang kira-kira 1/88 panjang gelombang ruang bebas yang sesuai dengan frekuensi penyerapan yang lebih rendah. Penyerap triple-band yang diusulkan menunjukkan penyerapan tinggi hingga sudut datang 60° (masing-masing di atas 86% dan 99% untuk polarisasi TE dan TM). Sementara itu, simetri struktur memastikan penyerapan tidak sensitif terhadap perubahan polarisasi. MA dengan sel unit 20 × 30 dibuat dan diukur untuk sudut datang yang berbeda. Hasilnya menunjukkan bahwa MA menunjukkan penyerapan yang tinggi pada sudut datang yang besar. Penyerap dibuat pada film polimida fleksibel yang dapat dengan mudah digunakan dalam aplikasi non-planar dan konformal. Penyerap yang diusulkan memiliki potensi penggunaan yang besar dalam pemanenan energi dan pelindung elektromagnetik.
