Absorbeur parfait à ultra-large bande et insensible à la polarisation utilisant des métamatériaux multicouches, des résistances localisées et des effets de couplage puissants

Contexte

En tant que matériau artificiel, le métamatériau a suscité un grand intérêt car il présentait des propriétés électromagnétiques fantastiques inhabituelles ou difficiles à obtenir au cours de la dernière décennie [1,2,3]. Avec le développement rapide, le métamatériau avec anisotropie de masse dynamique a été appliqué pour développer des capes acoustiques, des hyperlentilles, des absorbeurs parfaits, des lentilles à gradient d'indice [4,5,6,7], metalense, barrière optofluidique, convertisseur de polarisation, etc. [8,9 ,10,11,12,13,14,15,16]. En particulier, l'absorbeur de métamatériau parfait (PMA) avec un profil ultrafin et une absorption proche de l'unité a été proposé pour la première fois par Landy et al. [6]. Par rapport aux absorbeurs conventionnels, l'absorbeur en métamatériau, qui offre de grands avantages en termes de profil mince, de miniaturisation supplémentaire, d'efficacité accrue et d'adaptabilité plus large, est devenu des applications prometteuses des métamatériaux. Plus tard, les chercheurs font plusieurs efforts sur le PMA pour obtenir une absorption à grand angle incident [17,18,19], une absorption multibande [20, 21], une absorption insensible à la polarisation [22,23,24] et l'absorption accordable [25 , 26]. Cependant, les absorbeurs à bande passante étroite limitent leurs applications en pratique. Par conséquent, il est nécessaire de concevoir l'absorbeur de métamatériau ultra-large bande, insensible à la polarisation et mince.

Pour augmenter la bande passante d'absorption, plusieurs méthodes comme en utilisant le mécanisme de multi-résonance [27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], les structures fractales [39], le multicouche [40,41,42,43,44], le milieu magnétique [45, 46], et le chargement des éléments localisés [47,48,49] ont été proposés dans la conception d'absorbeurs en métamatériau gigahertz et térahertz. Par exemple, un absorbeur parfait à large bande insensible à la polarisation présentant une bande passante de 9,25 GHz a été conçu en une seule couche sur la base des métamatériaux à double anneau octogonal et des résistances localisées [50]. De plus, un absorbeur gigahertz parfait inspiré du métamatériau a été proposé, composé de substrats à trois couches, d'anneaux à double dentelure et d'une masse métallique [51]. Bien qu'une bande passante relative de 93,5% ait été obtenue, la bande passante d'absorption est encore insuffisante pour des applications telles que la protection électromagnétique, la furtivité et la guerre électronique.

Différent des absorbeurs de métamatériaux précédents, nous avons proposé un absorbeur de métamatériau parfait mince et ultra-large bande en combinant les absorptions résonantes et résistives en utilisant des effets de couplage forts. L'absorbeur était composé de quatre couches diélectriques, de deux résonateurs métalliques à double anneau fendu (MDSRR) et de plusieurs résistances localisées. Les caractéristiques de l'absorption insensible à la polarisation et à incidence étendue ont été vérifiées à la fois numériquement et expérimentalement. Cet absorbeur de métamatériau parfait est prometteur pour de nombreuses applications pratiques telles que la réduction de la diffusion croisée radar, la furtivité et la protection électromagnétique dans différentes plates-formes de vol.

Méthodes

Le méta-atome du PMA ultra-large bande proposé se compose de quatre couches diélectriques, de doubles microstructures métalliques DSRR et des résistances localisées de la Fig. 1. Pour obtenir l'interférence destructive, le (premier) espaceur diélectrique supérieur avec une constante diélectrique de 4,4 et un angle de perte tangente de 0,02 est requis en tant que substrat de revêtement antireflet pour améliorer la bande passante d'absorption. Les épaisseurs des quatre couches diélectriques sont d ₁ , d ₂ , d ₃ , et d ₄ . La constante diélectrique et l'angle de perte tangente des substrats résiduels sont tous de 4,2 et 0,02 (ε_r = 4,2, tanδ = 0,02) respectivement. Comme indiqué sur la figure 1(d), la première microstructure MDSRR (F-MDSRR) avec quatre résistances localisées se trouve sur le deuxième substrat. Le résonateur à anneau fendu métallique-I (SRR-I) et le résonateur à anneau fendu-II (SRR-II) sont respectivement sur le troisième et le substrat inférieur qui constituent la deuxième microstructure métallique DSRR (S-MDSRR). Les microstructures F-MDSRR et S-MDSRR sont en cuivre avec une conductivité de 5,8 × 10 ⁷ S/m et épaisseur de 0.036 mm. La longueur du méta-atome pour le PMA proposé est P = 8.4 mm. Comme le montre la Fig. 1 (b) et (c), les longueurs de SRR-I et SRR-II sont a ₁ et un ₂ . Leurs largeurs sont w ₁ et w ₂ . Les longueurs et largeurs de F-MDSRR, comme indiqué sur la figure 1(d), sont représentées par a ₃ , un ₄ , w ₃ , et w ₄ . Les résistances chargées sur les bagues fendues intérieures et extérieures sont notées R _1,2 et R _3,4 . Et s désigne la longueur des divisions pour F-MDSRR et S-MDSRR. Le PMA proposé est conçu, analysé et optimisé en simulation. Une simulation électromagnétique pleine onde est effectuée à l'aide de l'analyse par éléments finis ANSYS Electro-magnetics Suite 15.0. L'absorbeur proposé est simulé et optimisé avec des paramètres de d ₁ = 2 mm, d ₂ = d ₃ = 1 mm, d ₄ = 1 mm, w ₁ = w ₂ = w ₃ = w ₄ = 0.8 mm, P = 8.4 mm, R _1,2 = 60 Ω, R _3,4 = 180 Ω, un ₁ = 7.8 mm, a ₂ = 6.6 mm, a ₃ = 5 mm, a ₄ = 3.4 mm, et s = 1.2 mm.

Géométrie schématique de la cellule unitaire pour l'absorbeur de métamatériau parfait ultra large bande. (un ) Le schéma 3D d'une cellule unitaire. (b ) La couche inférieure du PMA proposé avec le résonateur à anneau fendu-II (SRR-II). (c ) La troisième couche de PMA proposée avec le résonateur à anneau fendu-I (SRR-I). (d ) La deuxième couche de PMA proposée avec la première microstructure métallique DSRR (F-MDSRR) et quatre résistances localisées. Les paramètres optimisés du PMA étaient d ₁ = 2 mm, d ₂ = d ₃ = d ₄ = 1 mm, w ₁ = w ₂ = w ₃ = w ₄ = 0.8 mm, P = 8.4 mm, R _1,2 = 60 Ω, R _3,4 = 180 Ω, un ₁ = 7.8 mm, a ₂ = 6.6 mm, a ₃ = 5 mm, a ₄ = 3.4 mm, s = 1.2 mm. L'épaisseur du cuivre est de 0,036 mm

Pour explorer le mécanisme d'absorption du PMA ultra-large bande proposé, les conditions aux limites périodiques (PBC) et le port Floquet ont été appliqués pour simuler les cellules périodiques infinies. L'onde électromagnétique (EM) serait progressivement absorbée par l'absorbeur en fonction des conditions antireflet. Les résonances magnétiques et électriques seraient déclenchées indépendamment, ce qui pourrait confiner l'onde dans la cellule PMA. L'onde pourrait être progressivement absorbée par la perte diélectrique. Il pourrait parvenir à ce que la permittivité magnétique soit égale à la permittivité électrique, résultant en une absorptivité parfaite pour les ondes électromagnétiques incidentes. Dans une perspective plus directe, l'absorptivité a été définie comme [52,53,54,55]

Afin de maximiser l'absorptivité A (f ), on pourrait minimiser la transmission T (f ) (T (f ) = |S ₂₁ | ² ) et le reflet R (f ) (R (f ) = |S ₁₁ | ² ) simultanément. L'absorptivité pourrait être calculée par A (f ) = 1 − R (f ) car le PMA présenté était bloqué par la plaque métallique sans motifs sur la couche inférieure (donc la transmission était nulle, T (f ) = |S ₂₁ | ² = 0). Par conséquent, l'absorptivité du PMA présenté pourrait être calculée par

D'après l'équation (2), il est évident que l'absorption est proche de 100 % (A (f ) ≈ 100%) lorsque la réflexion est proche de zéro (R (f ) ≈ 0). Il faut noter que le S₁₁ les composants incluent la réflexion des ondes EM co-polarisées et la réflexion des ondes EM à polarisation croisée [56,57,58]. Alors le S ₁₁ les composants peuvent être exprimés sous la forme :

En conséquence, sur la base de l'équation (3), l'équation (2) pourrait être évaluée par

où le xx et xy désignent la co-polarisation et la polarisation croisée. Dans la conception PMA proposée, le | S ₁₁ | comprend les composantes de la copolarisation et de la polarisation croisée. De plus, la réflexion de la PMA à incidence normale est donnée par [6, 21] :

où η ₀ , environ 377 Ω, représente l'impédance d'espace libre. z _eff (f ) est l'impédance effective du PMA. L'impédance effective comprend les résistances localisées dans le PMA proposé, l'impédance de surface qui doit obtenir une grande dissipation de résonance et l'impédance du substrat due à la tangente élevée. Par substitution de (5) en (4), l'absorptivité A pourrait aussi être écrit par :

où Re [z _eff (f )] et je suis [z _eff (f )] sont respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de z _eff (f ). Lorsque le PMA proposé est aux modes de résonance, l'absorption est proche de un (A = 1). De l'expression de (6), nous savons que lorsque A = 1, Re [z _eff (ω )] et je suis [z _eff (ω )] peut être calculé comme :

On constate que l'absorption est proche de 100 %, lorsque la partie réelle et la partie imaginaire de l'impédance effective sont respectivement voisines de 377 Ω et 0. L'absorptivité est renforcée du fait des différents modes de résonance. Généralement, l'excellente absorption a pu être obtenue car la permittivité effective était égale à la perméabilité effective. Ainsi, l'absorption à large bande serait obtenue en modulant les paramètres effectifs.

L'absorbeur de métamatériau ultra-large bande a été simulé en utilisant le logiciel commercial, Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS 18.0), qui était basé sur la méthode d'analyse par éléments finis. Dans le calcul, une onde électromagnétique plane avec le champ électrique suivant la direction de x -axe a été utilisé comme incidences, qui a été irradié perpendiculairement à la structure de résonance le long de la direction du z -axe (illustré à la Fig. 1). La gamme de fréquences de 1,0 à 30 GHz des incidences avait été utilisée dans la simulation. La taille des incidences doit être légèrement supérieure à celle de la période présentée de la structure ; en même temps, suffisamment de temps de simulation et les limites appropriées (limites périodiques dans les directions de x - et y -axe et couches parfaitement appariées dans la direction de z -axis) doit être utilisé pour garantir l'exactitude des résultats de calcul.

Résultats et discussion

L'amplitude simulée de S ₁₁ , l'absorption, l'impédance effective et les composantes de réflexion de la polarisation croisée de 1 à 30  GHz sont illustrées sur la figure 2. Comme illustré sur la figure 2a, on peut voir que le PMA proposé présentait une réflexion inférieure à ultra-large bande de 4,5 à 25,5 GHz que celui du PMA utilisant la même microstructure sans résistances localisées. En particulier, les différences entre la microstructure avec et sans résistances localisées étaient évidentes de 9 à 14 GHz et de 19 à 21 GHz. Sur la figure 2b, nous avons pu voir que l'absorption ultra-large bande de 4,52 à 25,42  GHz avec une absorptivité supérieure à 80% pourrait être obtenue pour le PMA proposé et que l'absorption se détériorerait pour la microstructure proposée sans résistances localisées évidemment. Les parties réelle et imaginaire de l'impédance effective étaient respectivement proches de 377 Ω et de 0 pour le PMA proposé à la fréquence de résonance de 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 et 25,42 GHz sur la figure 2c. Plus l'absorptivité était proche de 100 %, plus les parties réelle et imaginaire de l'impédance effective étaient respectivement proches de 377  Ω et de 0. D'après la figure 2d, les composantes de réflexion de la polarisation croisée étaient à peu près nulles pour l'absorbeur proposé de 1 à 30 GHz. Il fallait noter que les composantes de réflexion | S _11,xy | ² de polarisation croisée était d'environ 0,35 à 2,8 GHz pour la microstructure proposée sans résistances localisées. Ce phénomène a été causé par la structure dissymétrique et les faibles modes de résonateur à la fréquence. Par conséquent, les résistances localisées étaient importantes pour la conception du PMA ultra-large bande. À partir des figures 2b, d, la partie réelle et la partie imaginaire de la permittivité effective ont été respectivement rapprochées de celle de la perméabilité effective pour le PMA proposé de 4,52 à 25,42 GHz. La partie imaginaire de l'indice de réfraction était supérieure à zéro dans cette bande. Par conséquent, l'ultra-large bande peut être exposé pour le PMA présenté.

Le |S11| simulé, l'absorption, les paramètres effectifs, les impédances effectives et l'indice de réfraction de 1 à 30 GHz pour l'absorbeur en métamatériau parfait ultra-large bande proposé chargé avec des résistances localisées et la même microstructure sans les résistances localisées. un Simulé |S11| résultats. b Résultats d'absorption simulés et paramètres effectifs. c Les impédances effectives du PMA proposé avec des résistances localisées et la même microstructure sans résistances localisées. d Les composants de réflexion de la polarisation croisée pour le PMA proposé avec des résistances localisées et la même microstructure sans résistances localisées et l'indice de réfraction du PMA présenté

Une étude paramétrique a été réalisée par ANSYS HFSS Solver. Dans cette étude, l'objectif principal était d'obtenir une absorption ultra-large bande. Selon cet objectif, certains paramètres des résistances localisées R _1,2 et R _3,4 dans les anneaux brisés intérieur et extérieur, la longueur de cellule P du PMA, la longueur s des fentes pour F-MDSRR et S-MDSRR, l'épaisseur d ₁ du substrat de revêtement antireflet, et l'épaisseur d ₂ ont été sélectionnés dans l'étude.

La figure 3a montre l'absorption simulée, lorsque le PMA proposé a adopté les résistances localisées de R _1,2 = 50 Ω, 60 Ω, 100 Ω, 150 Ω. En adoptant R _1,2 , l'absorption s'est nettement améliorée de 19 à 25 GHz. En tant que R _1,2 décalé de 50 à 150 Ω, les résistances localisées ont eu un léger effet sur l'absorption en basse fréquence. Par conséquent, en sélectionnant une valeur appropriée pour R _1,2 = 60 Ω, le PMA proposé a obtenu l'absorption ultra-large bande. Comme le montre la figure 3b, le R _3,4 principalement affecté l'absorption dans la gamme de 6~17 GHz et 21~23 GHz. Pour l'absorption à large bande, R _3,4 a été choisi pour être 180 Ω. La longueur était un autre paramètre critique. Le cas avec différentes longueurs de cellules PMA et des divisions pour F-MDSRR et S-MDSRR a été étudié. La figure 3c montre que l'absorption de 21 à 25 GHz était très sensible à la longueur P de la cellule PMA. Pour obtenir une absorption à large bande, nous avons sélectionné P = 8.4 mm. Sur la figure 3d, il était clair que le PMA avait une absorption large bande à basse fréquence et que la bande passante était influencée par s qui a été décalé de 0,6 à 1,5 mm. Selon la norme d'absorptivité supérieure à 0,8, s = 1.2 mm a été sélectionné pour obtenir une absorption à large bande pour le PMA proposé. Les effets des épaisseurs de substrat de revêtement antireflet d ₁ sont illustrés à la Fig. 3e. Il était évident que l'épaisseur d ₁ influencé l'absorption large bande de 7 à 30 GHz et d ₁ = 2.0 mm a été choisi pour la conception PMA à large bande. Les résultats d'absorption avec différents d ₂ sont donnés dans la Fig. 3f. Il était clair que d ₂ était les paramètres clés pour le PMA à large bande en haute fréquence. Pour obtenir l'absorption ultra-large bande, le d optimisé ₂ de 1,0 mm a été sélectionné dans la conception PMA.

Résultats d'absorption de 1 à 30 GHz pour l'absorbeur de métamatériau parfait ultra-large bande proposé avec différents paramètres. un Résultats d'absorption du PMA avec différents R _un valeurs. b Résultats d'absorption du PMA avec différents R _b valeurs. c Résultats d'absorption du PMA avec différentes longueurs de P . d Résultats d'absorption du PMA avec différentes longueurs de s . e Résultats d'absorption du PMA avec différentes épaisseurs de d ₁ . f Résultats d'absorption du PMA avec différentes épaisseurs de d ₂

De Fig. 2 et 3, on a pu voir que la bande passante d'absorption du PMA proposé était sensible aux épaisseurs de d ₁ et d ₂ , et les valeurs des résistances localisées. De plus, les divisions dans le F-MDSRR et le S-MDSRR étaient nécessaires pour atteindre l'absorption à large bande dans notre conception. Par conséquent, les épaisseurs et les résistances localisées devaient être optimisées pour une absorption ultra-large bande.

Pour explorer le mécanisme d'absorption ultra-large bande, les distributions de courant de surface et les distributions de champs électriques proches du PMA ont été données sur la figure 4 à la fréquence de résonance de 5,1, 14,5, 19,1, 20,8 et 25,4 GHz. L'effet d'absorption de résonance exquis de la Fig. 4a a été présenté, principalement attribué au SRR-I pour la microstructure S-MDSRR et aux anneaux fendus externes pour la microstructure F-MDSRR à 5,13  GHz. Le couplage fort entre les microstructures S-MDSRR et F-MDSRR a conduit à l'absorption de résonance. À partir de la figure 4c, on peut voir que le pic d'absorption à 14,49 GHz pour l'absorbeur proposé serait obtenu en raison de la microstructure F-MDSRR avec quatre résistances localisées et du couplage fort dans la microstructure F-MDSRR. Comme indiqué sur la Fig. 4e, le PMA ultra-large bande actuel a obtenu une résonance d'absorption résultant des anneaux fendus entre le F-MDSRR et des effets de couplage entre le SRR-II et le SRR-I. À 20,77  GHz, le pic d'absorption était principalement causé par les anneaux fendus entre le F-MDSRR de la figure 4g. Les effets de couplage forts entre les anneaux fendus externes pour le F-MDSRR et le SRR-II pour la microstructure S-MDSRR avaient été obtenus à partir de la Fig. 4i. Il fallait noter que la résonance dipolaire, l'inductance équivalente et la résonance capacitive, et la résonance de couplage étaient d'une importance primordiale pour atteindre l'absorption ultra-large bande. À partir de la Fig. 4b, d, f, h et j, on a pu constater que les champs électriques proches de 5,13 GHz dans l'espace supérieur étaient différents de ceux des autres fréquences de réponse en raison des effets de couplage plus forts entre le SRR-I et les anneaux brisés extérieurs. Le type d'absorption de résonance à 14,49, 19,1 et 20,8 GHz était le même, et leurs pics d'absorption ont tous deux été atteints par la microstructure F-MDSRR. On peut constater que plus la densité du PMA présenté est élevée, meilleure est l'absorption du PMA obtenue. Comme le montre la figure 4j, il y avait six points spatiaux (A ₁ , A ₂ , A ₃ , A ₄ , A ₅ , A ₆ ,) près du point d'origine avec une forte densité. Ces phénomènes physiques ont tous été illustrés par les effets de couplage et les modes d'ordre élevé pour le PMA ultra-large bande proposé. Par conséquent, les effets de couplage entre les différentes microstructures et les modes d'ordre élevé ont été le composant crucial pour concevoir le PMA à large bande.

Les distributions de courant de surface de la microstructure F-MDSRR, de la microstructure S-MDSRR et du plan de masse et les champs électriques proches du PMA à la fréquence de résonance de 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 et 25,42 GHz. un Distributions de courant de surface à 5.13 GHz. b Distributions de champs électriques proches à 5,13 GHz. c Distributions de courant de surface à 14,49. d Distributions proches des champs électriques à 14,49 GHz. e Distributions de courant de surface à 19,05 GHz. f Distributions de champs électriques proches à 19,05 GHz. g Distributions de courant de surface à 20,77 GHz. h Distributions proches des champs électriques à 20,77 GHz. je Distributions de courant de surface à 25,42 GHz. j Distributions proches des champs électriques à 25,42 GHz

Les résultats d'absorption simulée du présent PMA avec différents angles de thêta et phi sont discutés dans la Fig. 5 pour les ondes incidentes électromagnétiques transversales (MET). À partir de la Fig. 5a, nous avons pu voir que le PMA proposé présentait une capacité d'absorption élevée de 4,5 à 25 GHz avec theta = 0°. lorsque l'angle de phi est passé de 0 à 360°. Il était évident que l'absorption diminuait considérablement pour l'angle augmentait de 70 à 80° ou diminuait de - 70 à - 80° sur la figure 5b. Généralement, l'absorption ultra-large bande et grand angle a pu être obtenue pour le PMA proposé avec l'angle de thêta décalé de - 70 à 70° et l'angle de phi augmenté de 0 à 360°. Pour illustrer l'excellente absorption, les résultats d'absorption simulée à la fréquence de résonance de 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 et 25,42 GHz sont donnés avec − 90° < theta< 90° et 0° < phi< 360° dans la Fig. 5c– g. A partir de ces figures, nous avons clairement observé que l'absorption exceptionnelle à 14,49 GHz pouvait être obtenue pour le PMA avec − 90° < theta< 90° et 0° < phi< 360° en raison de la microstructure F-MDSRR symétrique avec quatre résistances localisées et les forts effets de couplage entre les bagues fendues intérieures et extérieures. Le PMA à 19,05 GHz et 20,77 GHz respectivement a conservé une efficacité d'absorption élevée avec une large absorption dans les Fig. 5e, f. Ces phénomènes ont été prouvés que leurs pics d'absorption étaient tous atteints par la microstructure symétrique F-MDSRR. Étant donné que la résonance du PMA à 5,13 GHz a été déterminée par la microstructure asymétrique S-MDSRR, les résultats d'absorption à cette fréquence n'étaient pas asymétriques sur la figure 5c. Comme le montre la figure 5g, il était nécessaire de souligner que l'absorption à 25,42 GHz était inconstante en raison des effets de couplage entre les microstructures F-MDSRR et S-MDSRR et les modes d'ordre élevé pour le PMA ultra-large bande proposé. À partir de ces figures, nous avons pu voir que le PMA proposé présentait l'absorption grand angle pour les ondes électromagnétiques avec différents angles d'incidence.

Les résultats d'absorption du PMA ultra-large bande actuel avec différents angles de thêta et phi. un Résultats d'absorption du PMA avec différents angles de phi de 1 à 30 GHz (theta = 0 deg). b Résultats d'absorption du PMA avec différents angles de thêta de 1 à 30 GHz (phi = 0°). c Résultats d'absorption à 5.13 GHz avec − 90° < theta< 90° et 0° < phi< 360°. d Résultats d'absorption à 14,49 GHz avec − 90° < theta< 90° et 0° < phi< 360°. e Résultats d'absorption à 19,05 GHz avec − 90° < theta< 90° et 0° < phi< 360°. f Résultats d'absorption à 20,77 GHz avec − 90° < theta< 90° et 0° < phi< 360°. g Résultats d'absorption à 25,42 GHz avec − 90° < theta < 90° et 0° < phi< 360°

Pour interpréter l'insensibilité polarisée du PMA ultra-large bande pour les incidences polarisées électriques transversales (TE) et magnétiques transversales (TM), nous avons présenté l'absorption oblique, les distributions de courant de surface à 12 GHz et les champs électriques proches à 12 GHz sur la Fig. . 6. D'après les figures 6a, b, il est évident que les résultats de l'absorption oblique en incidence polarisée TM étaient les mêmes que ceux en incidence polarisée TE. Les mêmes absorptions obliques avec des incidences différentes ont été attribuées au mécanisme d'absorption et à la microstructure actuelle. Par exemple, les distributions de courant de surface et les champs électriques proches à 12 GHz avec des incidences polarisées TE et TM ont été explorées plus avant pour illustrer l'insensibilité polarisée du PMA ultra-large bande sur la figure 6c–f. Il a été rapporté que le PMA présenté présentait les mêmes distributions de courant de surface et des champs électriques proches avec différentes ondes incidentes polarisées. Par conséquent, la caractéristique d'insensibilité polarisée a pu être atteinte pour ce PMA ultra-large bande.

Les résultats d'absorption, les distributions de courant de surface et les champs électriques proches du PMA ultra-large bande actuel avec différentes incidences polarisées. un L'absorption oblique résulte du PMA avec des incidences polarisées TE de 1 à 30 GHz avec un décalage thêta de 0 à 60°. b . Les champs électriques proches du PMA à 12 GHz avec des incidences polarisées TE. c Les distributions de courant de surface du PMA à 12 GHz avec des incidences polarisées TE. d L'absorption oblique résulte du PMA avec des incidences polarisées TM de 1 à 30 GHz avec un décalage thêta de 0 à 60°. e Les distributions de courant de surface du PMA à 12 GHz avec des incidences polarisées TM. f Les champs électriques proches du PMA à 12 GHz avec des incidences polarisées TM

Afin d'élaborer les pertes diélectriques et ohmiques, la figure 7 montre la densité de perte volumique (VLD) des substrats et les résistances localisées pour le PAM proposé à 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 et 25,42  GHz. À partir de la figure 7a, nous avons pu observer que le VLD augmentait à mesure que la fréquence de résonance passait de 5,13 à 25,42  GHz. Les différents modes pourraient être obtenus à partir des pertes ohmiques des résistances localisées de la Fig. 7b. La densité de perte de volume de R ₃₄ était nettement plus que celui de R ₁₂ à 5.13 GHz. La différence diminuerait à 14,49 GHz. À 19,05 GHz et 20,77 GHz, le VLD de R ₃₄ était légèrement inférieur à celui de R ₁₂ . Lorsqu'il était de 25,42 GHz, les densités de perte de volume de R ₃₄ et R ₁₂ étaient tous deux inférieurs à celui des autres fréquences. Il était évident que les pertes ohmiques allant de 1 × 10 ⁵ avec/mm ³ à 1 × 10 ⁷ avec/mm ³ étaient plus que les pertes diélectriques avec la gamme de 100 w/mm ³ à 1 × 10 ⁷ avec/mm ⁶ . Par conséquent, les pertes ohmiques et diélectriques étaient importantes pour cet absorbeur ultra-large bande proposé des Figs. 3(e) et (f) et 7.

Les pertes diélectriques et ohmiques des substrats et les résistances localisées pour le PAM proposé à 5,13, ​​14,49, 19,05, 20,77 et 25,42  GHz. un La densité de perte de volume (VLD) des substrats à la fréquence de résonance. b La densité de perte de volume (VLD) des résistances localisées à la fréquence de résonance

Fabrication et mesure

Afin de vérifier les caractères, deux dispositifs à 900 cellules (30 × 30) du PMA à ultra-large bande proposé sont fabriqués et illustrés à la figure 8. Le dispositif a été mesuré en utilisant la méthode de test en espace libre dans un micro-onde anéchoïque chambre. L'échantillon de PMA ultra-large bande a été fabriqué à l'aide d'un processus de lithographie optique sur trois substrats (ε _r = 4.2 et tanδ = 0.02) avec une épaisseur de 2 mm, 1 mm, 1 mm et 1 mm. Deux antennes cornet à gain standard polarisées linéairement en tant qu'émetteur et récepteur ont été connectées à l'analyseur de réseau vectoriel Agilent (VNA, N5230C). Pour éliminer les interférences de l'environnement, la fonction de déclenchement dans le domaine temporel dans l'analyseur de réseau a été adoptée dans les expériences. Les appareils ont été placés verticalement au centre d'un plateau tournant pour s'assurer que l'onde EM pourrait être similaire à une onde plane sur le devant de l'appareil. La distance entre les antennes et les appareils testés satisfaisait à la condition de champ lointain.

Prototypes des dispositifs PMA ultra-large bande proposés dans une chambre anéchoïque à micro-ondes

Les résultats expérimentaux de l'absorption angulaire pour l'échantillon de PMA proposé sont donnés sur la Fig. 9 lorsque l'angle d'incidence (θ ) décalé de 0 à 45°. Les résultats mesurés ont montré que l'absorption angulaire diminuait lentement à mesure que l'angle incident augmentait de 0 à 45° dans le x - et y - incidences polarisées. Lorsque l'angle incident était nul (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. un 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.

Abréviations

EM :

Électromagnétique

MDSRR:

Metallic double split ring resonators

PBCs:

Periodic boundary conditions

PMA :

Perfect metamaterial absorber

SRR-I:

Split ring resonator-I

SRR-II:

Split ring resonator-II

TE:

Transverse electric

TEM :

Transverse electromagnetic

TM :

Magnétique transversale