Absorbeur métamatériau ultra-mince, triple bande, à 99,9 % d'efficacité et stabilité grand angle pour applications conformes bandes X/Ku

Résumé

Cet article présente un absorbant métamatériau (AM) ultra-mince et flexible à trois pics d'absorption. L'absorbant proposé a été conçu de manière à ce que trois pics d'absorption soient situés à 8,5, 13,5 et 17 GHz (bandes X et Ku) avec des absorptions de 99,9 %, 99,5 % et 99,9 %, respectivement. La structure proposée ne fait que 0,4 mm d'épaisseur, soit environ 1/88, 1/55 et 1/44 des longueurs d'onde dans le vide correspondant aux fréquences d'absorption dans les différentes bandes. L'AM est également insensible à la polarisation en raison de sa géométrie symétrique. De plus, la structure proposée présente une absorption minimale de 86 % (incidence TE) dans un angle d'incidence de 60°. Pour une incidence TM, l'absorbant proposé présente une absorbance supérieure à 99 % jusqu'à 60° d'incidence. Les distributions de courant de surface et de champ électrique ont été étudiées pour analyser le mécanisme régissant l'absorption. Des analyses de paramètres ont été effectuées pour l'optimisation de l'absorption. Par ailleurs, la performance de l'AM a été démontrée expérimentalement en espace libre sur un échantillon sous test avec 20 × 30 cellules unitaires fabriquées sur un diélectrique flexible. Sous incidence normale, l'AM fabriqué présente une absorption quasi parfaite à chaque pic d'absorption pour tous les angles de polarisation, et les résultats expérimentaux se sont avérés cohérents avec les résultats de simulation. En raison de ses avantages d'absorption à haute efficacité sur une large gamme d'angles d'incidence, l'absorbant proposé peut être utilisé dans la récupération d'énergie et le blindage électromagnétique.

Introduction

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

En 2008, un AM parfait a été présenté pour la première fois par Landy et al. [13]. Par la suite, différents types d'AM, tels que mono-bande [14, 15], double-bande [16-20], multi-bande [21-27] et large bande [28-36], ont été présentés par divers chercheurs. Parmi ces AM, les AM multi-bandes permettent une absorption parfaite à plusieurs fréquences discrètes, permettant des applications comme la détection multi-bande. En général, un AM multi-bande peut être configuré avec deux méthodes. La première méthode est communément connue sous le nom de méthode de construction coplanaire, où plusieurs résonateurs de tailles différentes sont formés en une super-structure unitaire [37, 38]. La seconde méthode implique l'empilement vertical de structures multicouches alternées [39, 40]. Cependant, aucune de ces méthodes n'est idéale pour fabriquer une structure offrant une absorption multi-bande. Par exemple, la méthode de construction coplanaire entraîne inévitablement une augmentation de la taille de l'unité de l'AM, tandis que la conception multicouche ne pouvait éliminer l'inconvénient de la grande épaisseur et du poids lourd de la structure. Récemment, certaines conceptions structurelles simplifiées ont été présentées pour atteindre l'absorption multi-bande [41, 42] ; néanmoins, l'absorption à grand angle d'incidence doit encore être améliorée.

Dans cet article, nous proposons une méthode de conception qui combine les avantages de taille compacte, ultra-mince, légère et facile à fabriquer. Grâce à la conception de la cellule unitaire, l'AM triple bande proposé présente une absorption élevée même à de grands angles d'incidence. Les résultats de 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 de l'AM garantit que son absorption est insensible aux différents angles de polarisation. De plus, l'AM proposé offre une absorption supérieure à 86 % et 99 % lorsque des ondes polarisées TE et TM sont incidentes à un angle de 60°, respectivement. La relation entre divers paramètres géométriques et le spectre d'absorption a été examinée. Pour valider la performance d'absorption de l'AM, un prototype avec 20 × 30 cellules unitaires 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 de l'AM 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 l'AM proposé, qui se compose d'une couche de résonance, d'une couche diélectrique et d'une couche de masse métallique. La structure de résonance 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 supérieure structurée et la couche de masse inférieure sont en cuivre d'une épaisseur de 0,02 mm et d'une conductivité électrique de 5,8 × 10⁷ 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 l'AM sont répertoriés dans le Tableau 1.

Les spectres d'absorption simulés de l'AM proposé ont été déterminés à partir d'une simulation par différences finies dans le domaine temporel (FDTD). Dans la simulation, les conditions aux limites de cellule unitaire ont été appliquées dans les directions x et y, tandis que la condition de port de Floquet a été imposée le long de la direction z. De plus, on a supposé qu'une onde EM plane frappait la surface de l'AM. L'absorbance (A) peut être définie comme A(ω) = 1 - |S₁₁(ω)|² - |S₂₁(ω)|², où S₁₁(ω) et S₂₁(ω) sont les coefficients de réflexion et de transmission, respectivement. Comme le coefficient de transmission S₂₁(ω) est nul en raison de la réflexion totale du plan de masse en cuivre, l'absorbance peut être simplifiée en A(ω) = 1 - |S₁₁(ω)|². Les spectres de réflexion et d'absorption simulés de l'AM proposé sous incidence normale sont montrés à la Fig. 2a. L'AM proposé présente trois pics d'absorption à 8,5, 13,5 et 17 GHz avec des absorptions de 99,9 %, 99,5 % et 99,9 %, respectivement ; le facteur Q correspondant de chaque mode de résonance peut atteindre 26,8, 28,4 et 27,1, respectivement.

La figure 2b montre les spectres d'absorption de la structure d'AM proposée pour différents angles de polarisation. On voit que l'absorption de l'AM reste stable pour un angle de polarisation allant de 0° à 90°. Par conséquent, l'AM proposé est insensible à la polarisation des ondes EM incidentes. De plus, nous avons étudié l'absorption dans l'AM conçu à un angle d'incidence oblique (θ). Pour la polarisation TE, comme le montre la Fig. 2c, l'absorbance diminue à mesure que θ augmente. Cela peut se produire car l'augmentation de θ diminue la composante horizontale de l'intensité du champ électrique pour les ondes TE. Par conséquent, l'efficacité du courant circulant généré par le champ électrique incident diminue progressivement. Cependant, les trois pics d'absorption restent supérieurs à 86 % lorsque θ atteint 60°. Pour la polarisation TM, comme le montre la Fig. 2d, l'absorbance à chaque pic de résonance est supérieure à 99 % à θ = 60°. Cela se produit car l'absorption dans l'AM proposé est moins sensible aux changements d'intensité du champ électrique causés par l'augmentation de θ. Un autre avantage de l'AM proposé est la stabilité de la fréquence d'absorption, comme le montre la Fig. 2, où les trois pics d'absorption distincts ne changent pas significativement à mesure que 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 à la Fig. 3. Comme le montre la Fig. 3, chaque élément de la couche structurée est responsable d'une résonance individuelle et intense. Par conséquent, une combinaison de ces éléments conduit à une absorption multi-bande parfaite. Dans le cadre de la conception du 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.

Pour explorer davantage le mécanisme d'absorption des ondes EM, les distributions de densité de courant de surface sur les couches métalliques supérieure et inférieure correspondant aux trois pics d'absorption sont montrées à la Fig. 4. On voit que le courant de surface sur la couche supérieure structurée 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 Fig. 3. Comparé au courant de surface sur la couche supérieure, l'intensité sur la couche de masse inférieure 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 l'AM qui excitent un dipôle magnétique. Parallèlement, la Fig. 5 montre l'amplitude du champ électrique (|E|) dans l'AM pour des ondes incidentes à polarisation TE lorsque θ = 0°, 30° et 60°. On voit 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 Fig. 5b, 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 dans la couche supérieure développent également des résonances électriques. Les résonances magnétiques et électriques contribuent toutes deux 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. Par conséquent, l'absorption des ondes EM diminue également avec l'augmentation de θ.

La figure 6 montre les effets de la géométrie de l'AM sur l'absorption dans l'AM proposé. Comme le montre la Fig. 6a, les fréquences de résonance se décalent vers des fréquences plus élevées lorsque a augmente. La relation entre la largeur d'interstice b du SRR et le spectre d'absorption est montrée à la Fig. 6b. La capacité équivalente diminue à mesure que b augmente ; ainsi, le pic de résonance central se décale vers des fréquences plus élevées. Cependant, les pics d'absorption inférieurs et supérieurs restent presque inchangés, ce qui fournit un moyen commode d'ajuster individuellement les fréquences d'absorption. De plus, la dépendance de l'absorption par rapport à la largeur de la barre de l'anneau w₂ est présentée à la Fig. 6c, où les fréquences de résonance inférieures et centrales se décalent vers le rouge à mesure que w₂ augmente. À mesure que w₂ augmente, la capacité équivalente augmente car la distance entre le SRR et le MRR diminue, provoquant le décalage vers le rouge des fréquences de résonance inférieures et centrales. Enfin, l'augmentation de la largeur de barre w₃ provoquera un décalage vers le rouge de la fréquence de résonance supérieure, comme le montre la Fig. 6d. Comme le mode de résonance est déterminé par le patch interne en forme de 7, l'augmentation de w₃ augmente également l'inductance équivalente du résonateur interne. Par conséquent, la fréquence de résonance présente un décalage vers le rouge.

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

La figure 9 montre l'absorption dans l'AM mesurée à différents angles de polarisation 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 les polarisations 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.

Comme mentionné précédemment, l'AM proposé a été fabriqué sur un film de polyimide hautement flexible, qui peut être utilisé dans des applications non planes. Comme le montre la Fig. 11a, l'absorbant a été courbé et fixé sur un cylindre de 8 cm de rayon, et son absorption a ensuite été mesurée. La figure 11b montre les spectres d'absorption pour l'absorbant plat et conforme. On observe que l'absorbance des deux absorbants est similaire. De plus, l'absorption maximale aux trois fréquences de résonance était similaire avant et après pliage, ce qui est important pour les applications conformes.

Conclusion

Un AM flexible ultra-mince à trois pics d'absorption est présenté dans cet article. Comparé aux conceptions précédentes, notre absorbant proposé est ultra-mince avec une épaisseur totale de 0,4 mm, soit environ 1/88 de la longueur d'onde dans le vide correspondant à la fréquence d'absorption la plus basse. L'absorbant triple bande proposé présente une absorption élevée jusqu'à un angle d'incidence de 60° (supérieure à 86 % et 99 % pour les polarisations TE et TM, respectivement). Parallèlement, la symétrie de la structure garantit que l'absorption est insensible aux changements de polarisation. Un AM avec 20 × 30 cellules unitaires a été fabriqué et mesuré pour différents angles d'incidence. Les résultats montrent que l'AM présente une absorption élevée à de grands angles d'incidence. L'absorbant a été fabriqué sur un film de polyimide flexible qui peut être facilement utilisé dans des applications non planes et conformes. L'absorbant proposé a un grand potentiel d'utilisation dans la récupération d'énergie et le blindage électromagnétique.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données sont pleinement disponibles sans restriction.

Abréviations

AM :

Absorbant métamatériau

EM :

Électromagnétique

SRR :

Résonateur en anneau fendu

MRR :

Résonateur en anneau modifié

FDTD :

Différences finies dans le domaine temporel