XおよびKu周波数帯域でのコンフォーマルアプリケーション向けの広い入射角安定性を備えた超薄型トリプルバンドメタマテリアル吸収体

はじめに

近年、メタマテリアルは、負の屈折率[1]、完全なイメージング[2]、逆ドップラー効果[3]などのエキゾチックな特性により、広く懸念されています。これらの特性のために、メタマテリアルは、電磁（EM）クローキング[4]、超高感度センシング[5]、フィルター[6、7]、吸収体[8、9、10、 11,12]。特に、メタマテリアルアブソーバー（MA）は、従来のマイクロ波アブソーバーと比較して、軍事から家庭用電化製品に至るまで、さまざまな分野で使用されています。 MAは軽量で薄い傾向があります。

2008年に、完璧なMAがLandy etalによって最初に発表されました。 [13]。続いて、シングルバンド[14、15]、デュアルバンド[16、17、18、19、20、21]、マルチバンド[22、23、24、25、26、27]などのさまざまなタイプのMA ]、および広帯域吸収体[28,29,30,31,32,33,34,35,36]は、さまざまな研究者によって発表されています。これらのMAの中で、マルチバンドMAは、いくつかの個別の周波数で完全な吸収を可能にし、マルチバンドセンシングなどのアプリケーションを可能にします。一般に、マルチバンドMAは2つの方法で設定できます。最初の方法は、一般にコプレーナ構築法として知られており、異なるサイズの複数の共振器がスーパーユニット構造に形成されます[37、38]。 2番目の方法は、交互の多層構造の垂直スタッキングを含みます[39、40]。ただし、これらの方法はどちらも、マルチバンド吸収を提供する構造を製造するのに理想的ではありません。例えば、コプラナー工法では必然的にMAユニットのサイズが大きくなりますが、層状設計では構造物の厚みや重量が大きいというデメリットを解消できませんでした。最近、マルチバンド吸収を達成するためにいくつかの単純化された構造設計が提示されました[41、42]。それでもなお、広い入射角での吸収を改善する必要があります。

本論文では、コンパクト、超薄型、軽量、製造のしやすさのメリットを組み合わせた設計手法を提案します。ユニットセル設計のメリットとして、提案されたトリプルバンドMAは、広い入射角でも高い吸収を示します。シミュレーション結果は、8.5、13.5、および17 GHzでそれぞれ99.9％、99.5％、および99.9％のピーク吸収を持つ3つの異なる吸収帯を示しています。 MAの対称構造により、その吸収がさまざまな偏光角の影響を受けなくなります。さらに、提案されたMAは、TE偏光波とTM偏光波がそれぞれ60°の入射角で入射する場合に、86％と99％を超える吸収を提供します。様々な幾何学的パラメータと吸収スペクトルとの関係を調べた。 MAの吸収性能を検証するために、20×30ユニットセルのプロトタイプを作成しました。実験結果はシミュレーション結果と一致していることがわかりました。厚みが薄く、広範囲の入射角に対して有効であるため、MA構造は、非平面および共形のアプリケーションで使用できる柔軟性の高いポリイミドフィルム上に製造されました。

メソッド/実験

図1は、提案されたMAのユニットセルの形状を示しています。これは、共振層、誘電体層、および金属接地層で構成されています。共振構造は、スプリットリング共振器（SRR）、修正リング共振器（MRR）、およびユニットの中心に沿ってそれぞれ45°回転した8つの同一の7字型構造を組み合わせたものです。上部のパターン化された層と下部の接地層は、0.02 mmの厚さの銅でできており、導電性は5.8×10 ⁷ です。 S / m。基板は、比誘電率2.9、損失接線0.02のポリイミド上に製造されました。 MAの最適化されたパラメータを表1に示します。

提案されたMAのユニットセルの概略形状。 a 上面図、 b 8つの7字型共鳴構造のレイアウト、および c ユニットセルの斜視図

提案されたMAのシミュレートされた吸収スペクトルは、有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションから決定されました。シミュレーションでは、ユニットセル境界条件がx方向とy方向に適用され、フロケポート条件がz方向に沿って適用されました。さらに、平面EM波がMAの表面に当たると想定されました。吸収率（ A ）は、\（A \ left（\ upomega \ right）=1- {| {S} _ {11}（\ upomega）|} ^ {2}-{| {S} _ {21}（\ upomega）|} ^ {2} \）、ここで\（{S} _ {11}（\ upomega）\）と\（{S} _ {21}（\ upomega）\）は反射係数と透過係数です、 それぞれ。銅のグランドプレーンの全反射により透過係数\（{S} _ {21}（\ upomega）\）はゼロであるため、吸収率は\（A \ left（\ upomega \ right）=1として簡略化できます。 -{| {S} _ {11}（\ upomega）|} ^ {2} \）。法線入射下での提案されたMAのシミュレートされた反射および吸収スペクトルを図2aに示します。提案されたMAは、8.5、13.5、および17 GHzに3つの吸収ピークを示し、それぞれ99.9％、99.5％、および99.9％の吸収を示します。対応する Q 各共振モードの係数は、それぞれ26.8、28.4、および27.1に達する可能性があります。

a 法線入射でシミュレートされた吸収および反射スペクトル。 b さまざまな偏光角の吸収スペクトルφ 。さまざまなθの吸収 c の値 TEおよび d TM偏光

図2bは、さまざまな偏光角に対する提案されたMA構造の吸収スペクトルを示しています。 MAの吸収は0°から90°の範囲の偏光角で安定していることがわかります。したがって、提案されたMAは、入射EM波の偏光に鈍感です。さらに、斜めの入射角（θ）での設計されたMAの吸収をさらに調査しました。 ）。 TE偏光の場合、図2cに示すように、吸収率はθとして減少します。 増加します。これは、θが増加するために発生する可能性があります TE波の電界強度の水平成分を減少させます。したがって、入射電界によって生成される循環電流の有効性は徐々に低下します。ただし、θとして、3つの吸収ピークは86％を超えたままです。 60°まで達する。 TM偏光の場合、図2dに示すように、各共鳴ピークでの吸収率はθで99％を超えます。 =60°。これは、提案されたMAでの吸収が、θの増加によって引き起こされる電界強度の変化に対する感度が低いために発生します。 。提案されたMAのもう1つの利点は、図2に示すように、吸収周波数の安定性です。この場合、3つの異なる吸収ピークはθのように大きく変化しません。 増加します。

結果と考察

吸収の詳細な説明を容易にするために、共鳴構造のさまざまな部分の応答スペクトルを図3に示します。図3に示すように、パターン化された層内の各要素は、個々の強い共鳴の原因です。結果として、これらの要素の組み合わせは完全なマルチバンド吸収につながります。 MRR設計の一環として、閉じたリング共振器の各コーナーに正方形のパッチが追加されます。これにより、リング共振器の電気的長さが長くなり、構造のサイズを大きくすることなく吸収周波数がレッドシフトされます。

個々の要素から吸収への貢献

EM波吸収のメカニズムをさらに詳しく調べるために、3つの吸収ピークに対応する上部と下部の金属層の表面電流密度分布を図4に示します。上部のパターン化された層の表面電流がMRRに集中していることがわかります。 、SRR、およびそれぞれ8.5、13.5、および17GHzでの7つの形状のグラフィック構造。図3に示すように、表面電流の分布からも波の吸収の原因がわかります。最上層の表面電流と比較すると、最下層の強度ははるかに弱くなります。最上層の表面電流の方向は、グランドプレーンに対して反平行であり、その結果、磁気双極子を励起するMA内の同等の電流ループが発生します。一方、図5は電界の振幅を示しています（| E |）θのときの入射TE偏波のMA =0°、30°、および60°。 MRRが8.5GHzで吸収するため、電界がMRRの水平バーに強く集中していることがわかります。図5（b）に示すように、13.5 GHzでは、完全な吸収はSRRのLC共振によるものです。最後に、17 GHzでの吸収は、内側のパッチの双極子共振によるものです。最上層の共振器も電気共振を発生させます。磁気共鳴と電気共鳴の両方が、提案された構造の強力なEM吸収に寄与します。さらに、図5は、電界強度がθとして減少することを示しています。 増加します。その結果、EM波の吸収もθの増加とともに減少します。 。

a での上部パターン層と下部接地層のシミュレートされた表面電流分布 、 d 8.5、 b 、 e 13.5、および c 、 f 17 GHz

電界分布の絶対値（| E |）異なる入射角でのTE偏光のMAでθ a の 8.5、 b 13.5、および c 17 GHz

図6は、提案されたMAの吸収に対するMAジオメトリの影響を示しています。図6aに示すように、共振周波数は a としてより高い周波数にシフトします。 増加します。ギャップ幅の関係 b SRRと吸収スペクトルの比較を図6bに示します。等価容量はbが増加するにつれて減少します。したがって、中央の共振ピークはより高い周波数にシフトします。ただし、下部と上部の吸収ピークはほとんど変化しないため、個々の吸収周波数を調整するための便利な方法が提供されます。さらに、吸収のリングバーの幅への依存性 w ₂ は図6cに示されています。ここでは、低い方の共振周波数と中央の共振周波数の両方が w として赤方偏移しています。 ₂ 増加します。 w として ₂ が増加すると、SRRとMRRの間の距離が減少するため、等価容量が増加し、より低い中心の共振周波数が赤方偏移します。最後に、バーの幅を w 増やします。 ₃ 図6dに示すように、上限共振周波数に赤方偏移が発生します。共振モードは内側の7字型パッチによって決定されるため、 w が増加します。 ₃ また、内部共振器の等価インダクタンスも増加します。したがって、共振周波数は赤方偏移を示します。

さまざまな構造パラメータのMAの吸収スペクトル： a 単位周期性 a 、 b SRRギャップ幅 b 、 c MSRリングバーの幅 w ₂ 、 d 7字型のパッチ幅 w ₃

図7aに示すように、20×30ユニットセルに対応する240mm×160mmのプロトタイプが製造されました。サンプル前処理では、ポリイミドの表面に銅の薄層を蒸着し、レーザーアブレーションを使用してパターンをエッチングしました。測定設定を図7bに示します。ここでは、サンプルの吸収が自由空間法でテストされています。ホーンアンテナのペアをベクトルネットワークアナライザー（Rohde＆Schwarz ZVA 40）に接続して、サンプルからの反射を測定しました。作製したサンプルと同じサイズの銅板の反射スペクトルを測定し、基準として使用しました。次に、サンプルを同じ場所に配置し、2つの測定された反射パワーを差し引くことにより、サンプルからの実際の反射を計算しました。図8aは、銅板と製造されたサンプルから測定された反射スペクトルを示し、MAの吸収率は図8bに示されています。測定された吸収は、8.7、14.1、および17.6 GHzでそれぞれ96％、97％、および94％です。シミュレーション結果と比較すると、製造公差と基板の誘電率の違いにより、吸収ピーク周波数はわずかに高い周波数に向かって移動します。

a 製造されたMAプロトタイプ。 b 測定設定

a 反射係数と b 法線入射でのMAの吸収率

図9は、φのさまざまな偏光角で測定されたMAの吸収を示しています。 =0°、30°、および60°。結果は、提案された構造が偏光角に鈍感であることを示しています。図10は、θの場合に測定されたTEおよびTM偏光の吸収スペクトルを示しています。 =30°および60°。 θの場合、両方の偏光の吸収は95％を超えたままです。 =すべての吸収ピークで60°。

法線入射下でのさまざまな偏光角の測定吸収

さまざまな入射角での吸収のシミュレーションと測定： a TEと b TM偏光

前述のように、提案されたMAは、非平面アプリケーションで使用できる柔軟性の高いポリイミドフィルム上に製造されました。図11aに示すように、吸収体を湾曲させて半径8 cmの円柱に取り付け、吸収を測定しました。図11bは、フラットおよびコンフォーマルアブソーバーの吸収スペクトルを示しています。両方の吸収体の吸収率が類似していることが観察できます。さらに、3つの共振周波数でのピーク吸収は、曲げの前後で類似しており、これはコンフォーマルアプリケーションで重要です。

a シリンダーに取り付けられたフレキシブルアブソーバー。 b フラットおよびコンフォーマルMAの吸収スペクトル

結論

この論文では、3つの吸収ピークを持つ超薄型で柔軟なMAを紹介します。以前の設計と比較して、提案された吸収体は、総厚が0.4 mmの極薄であり、これは、より低い吸収周波数に対応する自由空間波長の約1/88です。提案されたトリプルバンド吸収体は、60°の入射角まで高い吸収を示します（TEおよびTM偏光でそれぞれ86％および99％以上）。一方、構造の対称性により、吸収は偏光の変化に影響されなくなります。 20×30ユニットセルのMAを作成し、さまざまな入射角で測定しました。結果は、MAが大きな入射角で高い吸収を示すことを示しています。吸収体は、非平面および共形のアプリケーションで簡単に使用できる柔軟なポリイミドフィルム上に製造されました。提案された吸収体は、エネルギーハーベスティングおよび電磁シールドで大きな潜在的用途があります。

データと資料の可用性

すべてのデータは制限なしで完全に利用可能です。

略語

MA：

メタマテリアルアブソーバー

EM：

電磁気

SRR：

スプリットリング共振器

MRR：

変更されたリング共振器

FDTD：

有限差分時間領域