Un absorbeur de métamatériau ultramince à triple bande avec une stabilité à grand angle d'incident pour des applications conformes aux bandes de fréquences X et Ku

Introduction

Ces dernières années, les métamatériaux ont suscité de nombreuses inquiétudes en raison de leurs propriétés exotiques, telles que l'indice de réfraction négatif [1], l'imagerie parfaite [2] et les effets Doppler inverse [3]. En raison de ces propriétés, des métamatériaux ont été proposés pour une utilisation dans divers dispositifs, tels que l'occultation électromagnétique (EM) [4], la détection ultra-sensible [5], les filtres [6, 7] et les absorbeurs [8,9,10, 11,12]. En particulier, les absorbeurs de métamatériaux (MA), comparés aux absorbeurs de micro-ondes traditionnels, sont utilisés dans une variété de domaines, allant de l'électronique militaire à l'électronique grand public. Les MA ont tendance à être légers et minces.

En 2008, une MA parfaite a été présentée pour la première fois par Landy et al. [13]. Par la suite, différents types de MA, tels que monobande [14, 15], double bande [16,17,18,19,20,21], multibande [22,23,24,25,26,27 ], et des absorbeurs à large bande [28,29,30,31,32,33,34,35,36], ont été présentés par divers chercheurs. Parmi ces MA, les MA multibandes permettent une absorption parfaite à plusieurs fréquences discrètes, permettant des applications telles que la détection multibande. En général, une MA multibande peut être configurée avec deux méthodes. La première méthode est communément appelée méthode de construction coplanaire, où plusieurs résonateurs de différentes tailles sont formés en une structure super-unitaire [37, 38]. La deuxième méthode consiste à empiler verticalement des structures multicouches alternées [39, 40]. Cependant, aucune de ces méthodes n'est idéale pour fabriquer une structure qui fournit une absorption multibande. Par exemple, la méthode de construction coplanaire conduit à une augmentation inévitable de la taille de l'unité MA, alors que la conception en couches n'a pas pu éliminer l'inconvénient d'une grande épaisseur et d'un poids élevé de la structure. Récemment, des conceptions structurelles simplifiées ont été présentées pour obtenir une absorption multibande [41, 42] ; néanmoins, l'absorption au grand angle d'incidence doit encore être améliorée.

Dans cet article, nous proposons une méthode de conception qui combine l'avantage d'une taille compacte, ultra-mince, légère et facile à fabriquer. En raison de la conception de la cellule unitaire, le MA triple bande proposé présente une absorption élevée même à de grands angles d'incidence. Les résultats de la simulation révèlent trois bandes d'absorption distinctes avec une absorption maximale de 99,9 %, 99,5 % et 99,9 % à 8,5, 13,5 et 17 GHz, respectivement. La structure symétrique du MA garantit que son absorption est insensible aux différents angles de polarisation. De plus, le MA proposé offre une absorption supérieure à 86 % et 99 % lorsque les ondes polarisées TE et TM sont incidentes à un angle d'incidence de 60°, respectivement. La relation entre divers paramètres géométriques et le spectre d'absorption a été examinée. Pour valider les performances d'absorption du MA, un prototype avec des cellules unitaires 20 × 30 a été fabriqué, et les résultats expérimentaux se sont avérés cohérents avec les résultats de simulation. En raison de sa faible épaisseur et de son efficacité pour une large gamme d'angles d'incidence, la structure MA a été fabriquée sur un film de polyimide hautement flexible, qui peut être utilisé dans des applications non planes et conformes.

Méthodes/Expérimental

La figure 1 montre la géométrie de la cellule unitaire pour le MA proposé, qui se compose d'une couche de résonance, d'une couche diélectrique et d'une couche de masse métallique. La structure résonante combine un résonateur en anneau fendu (SRR), un résonateur en anneau modifié (MRR) et huit structures identiques en forme de 7, chacune tournée de 45° le long du centre de l'unité. La couche à motifs supérieure et la couche de masse inférieure sont constituées de cuivre de 0,02 mm d'épaisseur et d'une conductivité électrique de 5,8 × 10 ⁷ S/m. Le substrat a été fabriqué sur du polyimide avec une permittivité relative de 2,9 et une tangente de perte de 0,02. Les paramètres optimisés de la MA sont répertoriés dans le tableau 1.

Géométrie schématique d'une maille élémentaire pour l'AMM proposée. un Vue de dessus, b disposition des huit structures de résonance en forme de 7 et c vue en perspective d'une maille élémentaire

Les spectres d'absorption simulés de la MA proposée ont été déterminés à partir d'une simulation dans le domaine temporel aux différences finies (FDTD). Dans la simulation, les conditions aux limites des mailles unitaires ont été appliquées dans les directions x et y, tandis que la condition de port Floquet a été imposée le long de la direction z. De plus, une onde EM plane a été supposée frapper la surface de la MA. L'absorptivité (A ) peut être défini comme \(A\left(\upomega \right)=1-{|{S}_{11}(\upomega )|}^{2}-{|{S}_{21}(\ upomega )|}^{2}\), où \({S}_{11}(\upomega )\) et \({S}_{21}(\upomega )\) sont les coefficients de réflexion et de transmission , respectivement. Étant donné que le coefficient de transmission \({S}_{21}(\upomega )\) est nul en raison de la réflexion totale du plan de masse en cuivre, l'absorptivité peut être simplifiée comme \(A\left(\upomega \right)=1 -{|{S}_{11}(\upomega )|}^{2}\). Les spectres de réflexion et d'absorption simulés du MA proposé sous incidence normale sont illustrés à la figure 2a. L'AMM proposée présente trois pics d'absorption à 8,5, 13,5 et 17 GHz avec une absorption de 99,9 %, 99,5 % et 99,9 %, respectivement ; le Q correspondant le facteur de chaque mode de résonance peut atteindre respectivement 26,8, 28,4 et 27,1.

un Spectres d'absorption et de réflexion simulés à incidence normale. b Spectre d'absorption pour différents angles de polarisation φ . Absorption pour différents θ valeurs pour c TE et d Polarisation TM

La figure 2b montre les spectres d'absorption de la structure MA proposée pour différents angles de polarisation. On peut voir que l'absorption du MA reste stable pour des angles de polarisation allant de 0° à 90°. Par conséquent, la MA proposée est insensible à la polarisation des ondes électromagnétiques incidentes. De plus, nous avons étudié plus en détail l'absorption dans le MA conçu à un angle d'incidence oblique (θ ). Pour la polarisation TE, comme le montre la Fig. 2c, l'absorptivité diminue comme θ augmente. Cela peut se produire parce que l'augmentation de θ diminue la composante horizontale de l'intensité du champ électrique pour les ondes TE. Par conséquent, l'efficacité du courant de circulation généré par le champ électrique incident diminue progressivement. Cependant, les trois pics d'absorption restent supérieurs à 86 % car θ atteindre jusqu'à 60°. Pour la polarisation TM, comme le montre la figure 2d, l'absorptivité à chaque pic de résonance est supérieure à 99 % à θ = 60°. Cela se produit parce que l'absorption dans le MA proposé est moins sensible aux changements d'intensité du champ électrique provoqués par une augmentation de θ . Un autre avantage de la MA proposée est la stabilité de la fréquence d'absorption, comme le montre la Fig. 2, où les trois pics d'absorption distincts ne changent pas de manière significative lorsque θ augmente.

Résultats et discussion

Afin de faciliter une explication détaillée de l'absorption, les spectres de réponse pour différentes parties de la structure de résonance sont présentés sur la figure 3. Comme le montre la figure 3, chaque élément de la couche à motifs est responsable d'une résonance individuelle et intense. En conséquence, une combinaison de ces éléments conduit à une parfaite absorption multibande. Dans le cadre de la conception MRR, un patch carré est ajouté à chaque coin du résonateur en anneau fermé, ce qui augmente la longueur électrique du résonateur en anneau et décale vers le rouge la fréquence d'absorption sans augmenter la taille de la structure.

Contribution des éléments individuels à l'absorption

Pour explorer davantage le mécanisme d'absorption des ondes électromagnétiques, les distributions de densité de courant de surface sur les couches métalliques supérieure et inférieure correspondant à trois pics d'absorption sont illustrées à la Fig. 4. On peut voir que le courant de surface sur la couche à motifs supérieure est concentré sur le MRR , le SRR et les structures graphiques en forme de 7 à 8,5, 13,5 et 17 GHz, respectivement. La distribution du courant de surface révèle également l'origine de l'absorption des ondes, comme le montre la figure 3. Par rapport au courant de surface sur la couche supérieure, l'intensité sur la couche inférieure du sol est beaucoup plus faible. La direction du courant de surface sur la couche supérieure est anti-parallèle par rapport au plan de masse, ce qui entraîne des boucles de courant équivalentes dans le MA qui excite un dipôle magnétique. Pendant ce temps, la Fig. 5 montre l'amplitude du champ électrique (|E |) dans la MA pour les ondes de polarisation TE incidentes lorsque θ = 0°, 30° et 60°. On peut voir que le champ électrique est fortement concentré sur les barres horizontales du MRR car le MRR absorbe à 8,5 GHz. À 13,5 GHz, comme le montre la figure 5(b), l'absorption parfaite est due à la résonance LC dans le SRR. Enfin, l'absorption à 17 GHz est due à une résonance dipolaire dans le patch interne. Les résonateurs de la couche supérieure développent également des résonances électriques. Les résonances magnétique et électrique contribuent à une forte absorption EM dans la structure proposée. De plus, la Fig. 5 montre que l'intensité du champ diminue à mesure que θ augmente. En conséquence, l'absorption des ondes électromagnétiques diminue également avec l'augmentation de θ .

Distribution de courant de surface simulée sur la couche à motifs supérieure et la couche de sol inférieure à a , d 8.5, b , e 13.5, et c , f 17 GHz

L'absolu de la distribution du champ électrique (|E |) dans la MA pour la polarisation TE à différents angles d'incidence θ de a 8.5, b 13.5, et c 17 GHz

La figure 6 montre les effets de la géométrie MA sur l'absorption dans le MA proposé. Comme le montre la figure 6a, les fréquences de résonance se déplacent vers des fréquences plus élevées en tant que a augmente. La relation entre la largeur de l'espace b du SRR et le spectre d'absorption est illustré à la Fig. 6b. La capacité équivalente diminue lorsque b augmente; ainsi, le pic de résonance central se déplace vers des fréquences plus élevées. Cependant, les pics d'absorption inférieurs et supérieurs restent presque inchangés, ce qui constitue un moyen pratique de régler les fréquences d'absorption individuelles. De plus, la dépendance de l'absorption sur la largeur de la barre annulaire w ₂ est présenté sur la figure 6c, où les fréquences de résonance inférieure et centrale sont décalées vers le rouge en tant que w ₂ augmente. Comme w ₂ augmente, la capacité équivalente augmente car la distance entre le SRR et le MRR diminue, provoquant un décalage vers le rouge des fréquences de résonance inférieure et centrale. Enfin, en augmentant la largeur de la barre w ₃ provoquera un décalage vers le rouge dans la fréquence de résonance supérieure, comme le montre la figure 6d. Comme le mode de résonance est déterminé par le patch interne en forme de 7, augmentant w ₃ augmente également l'inductance équivalente du résonateur interne. Par conséquent, la fréquence de résonance présente un décalage vers le rouge.

Spectre d'absorption du MA pour différents paramètres structurels :a périodicité unitaire a , b Largeur de l'espace SRR b , c Largeur de la barre d'anneau MSR w ₂ , d Largeur de patch en forme de 7 w ₃

Un prototype de 240 mm × 160 mm, correspondant à 20 × 30 cellules unitaires, a été fabriqué, comme le montre la figure 7a. Lors de la préparation de l'échantillon, une fine couche de cuivre a été évaporée à la surface du polyimide, puis les motifs ont été gravés par ablation laser. La configuration de mesure est illustrée à la Fig. 7b, où l'absorption dans l'échantillon a été testée avec la méthode de l'espace libre. Une paire d'antennes cornet a été connectée à un analyseur de réseau vectoriel (Rohde &Schwarz ZVA 40) pour mesurer la réflexion de l'échantillon. Le spectre de réflexion pour une plaque de cuivre de la même taille que l'échantillon fabriqué a été mesuré et utilisé comme référence. L'échantillon a ensuite été placé au même endroit et la réflexion réelle de l'échantillon a été calculée en soustrayant les deux puissances réfléchies mesurées. La figure 8a montre le spectre de réflexion mesuré à partir de la plaque de cuivre et de l'échantillon fabriqué, tandis que l'absorptivité du MA est montrée sur la figure 8b. L'absorption mesurée est de 96 %, 97 % et 94 % à 8,7, 14,1 et 17,6 GHz, respectivement. Par rapport aux résultats de la simulation, les fréquences de pic d'absorption se déplacent légèrement vers des fréquences plus élevées en raison des tolérances de fabrication et des différences de permittivité du substrat.

un Prototype MA fabriqué. b Configuration de la mesure

un Coefficient de réflexion et b Absorptivité de l'AMM à incidence normale

La figure 9 montre l'absorption dans la MA mesurée à différents angles de polarisation de φ = 0°, 30° et 60°. Le résultat montre que la structure proposée est insensible à l'angle de polarisation. La figure 10 montre les spectres d'absorption mesurés pour la polarisation TE et TM lorsque θ = 30° et 60°. L'absorption pour les deux polarisations reste supérieure à 95 % lorsque θ = 60° pour tous les pics d'absorption.

Absorption mesurée pour différents angles de polarisation sous incidence normale

Absorption simulée et mesurée pour différents angles d'incidence :a TE et b Polarisation TM

Comme mentionné précédemment, le MA proposé a été fabriqué sur un film de polyimide hautement flexible, qui peut être utilisé dans des applications non planes. Comme le montre la figure 11a, l'absorbeur a été incurvé et attaché à un cylindre de 8 cm de rayon, et son absorption a ensuite été mesurée. La figure 11b montre les spectres d'absorption pour l'absorbeur plat et conforme. On peut observer que la capacité d'absorption des deux absorbeurs est similaire. De plus, l'absorption maximale aux trois fréquences de résonance était similaire avant et après la flexion, ce qui est important dans les applications conformes.

un Absorbeur flexible attaché à un cylindre. b Spectres d'absorption du MA plat et conforme

Conclusion

Un MA ultra-mince et flexible avec trois pics d'absorption est présenté dans cet article. Par rapport aux conceptions précédentes, notre absorbeur proposé est ultrafin avec une épaisseur totale de 0,4 mm, ce qui correspond à environ 1/88 de la longueur d'onde en espace libre correspondant à la fréquence d'absorption inférieure. L'absorbeur triple bande proposé présente une absorption élevée jusqu'à un angle d'incidence de 60° (au-dessus de 86 % et 99 % pour les polarisations TE et TM, respectivement). Pendant ce temps, la symétrie de la structure garantit que l'absorption est insensible aux changements de polarisation. Un MA avec 20 x 30 cellules unitaires a été fabriqué et mesuré pour différents angles d'incidence. Les résultats montrent que le MA présente une absorption élevée aux grands angles d'incidence. L'absorbeur a été fabriqué sur un film de polyimide flexible qui peut être facilement utilisé dans les applications non planes et conformes. L'absorbeur proposé a un grand potentiel d'utilisation dans la récupération d'énergie et le blindage électromagnétique.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

MA :

Absorbeur métamatériau

EM :

Électromagnétique

SRR :

Résonateur à anneau brisé

MRR :

Résonateur en anneau modifié

FDTD :

Domaine temporel aux différences finies