다층 메타물질, 집중 저항 및 강력한 결합 효과를 사용하는 초광대역 및 편광에 둔감한 완전 흡수체

결과 및 토론

S의 시뮬레이션된 진폭 ₁₁ , 흡수, 유효 임피던스, 교차편파 1~30 GHz의 반사 성분을 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2a에서 보는 바와 같이 제안한 PMA는 4.5~4.5에서 초광대역 저반사를 보였다. 25.5 GHz는 동일한 미세구조를 사용하여 집중저항이 없는 PMA보다 25.5GHz입니다. 특히 9~14 GHz와 19~21 GHz에서 집중저항이 있는 미세구조와 없는 미세구조의 차이가 뚜렷하였다. 그림 2b에서 제안된 PMA에 대해 80% 이상의 흡수율을 갖는 4.52 ~ 25.42 GHz의 초광대역 흡수를 얻을 수 있으며 집중 저항이 없는 제안된 미세 구조의 경우 흡수가 분명히 저하됨을 알 수 있습니다. 유효 임피던스의 실수부와 허수부는 그림 2c의 5.13, 14.49, 19.05, 20.77, 25.42 GHz의 공진 주파수에서 제안된 PMA에 대해 각각 377 Ω 및 0에 가까웠습니다. 흡수율이 100%에 가까울수록 유효 임피던스의 실수 부분과 허수 부분이 각각 377Ω과 0에 가까울수록 30 GHz. 반사 구성 요소 | S _11,xy | ² 교차 편극의 는 집중 저항이 없는 제안된 미세 구조에 대해 2.8 GHz에서 약 0.35였습니다. 이 현상은 비대칭 구조와 주파수에서 약한 공진기 모드로 인해 발생했습니다. 따라서 집중 저항은 초광대역 PMA 설계에 중요했습니다. 그림 2b, d로부터 유효 유전율의 실수부와 허수부는 4.52~25.42 GHz에서 제안된 PMA에 대한 유효 투자율에 각각 근사하였다. 굴절률의 허수부는 이 대역에서 0보다 컸다. 결과적으로, 제시된 PMA에 대해 초광대역이 전시될 수 있다.

제안된 초광대역 완전 메타물질 흡수체에 대해 집중 저항과 집중 저항이 없는 동일한 미세 구조를 가짐에 대해 시뮬레이션된 |S11|, 흡수, 유효 매개변수, 유효 임피던스 및 굴절률 1~30 GHz. 아 시뮬레이션 |S11| 결과. ㄴ 시뮬레이션된 흡수 결과 및 효과적인 매개변수. ㄷ 집중 저항이 있는 제안된 PMA의 유효 임피던스와 집중 저항이 없는 동일한 미세 구조. d 집중 저항이 있는 제안된 PMA와 집중 저항이 없는 동일한 미세 구조에 대한 교차 편광의 반사 성분과 제시된 PMA의 굴절률

ANSYS HFSS Solver에서 매개변수 연구를 수행했습니다. 이 연구에서는 초광대역 흡수를 달성하는 것이 주요 목표였습니다. 이 목표에 따르면 집중 저항 R의 일부 매개변수는 _1,2 및 R _3,4 내부 및 외부 분할 링에서 셀 길이 P PMA의 길이 F-MDSRR 및 S-MDSRR에 대한 분할의 두께 d ₁ 반사 방지 코팅 기판의 두께 및 d ₂ 연구에서 선정되었습니다.

그림 3a는 제안된 PMA가 R의 집중 저항을 채택했을 때 시뮬레이션된 흡수를 보여줍니다. _1,2 =50 Ω, 60 Ω, 100 Ω, 150 Ω. R을 채택함으로써 _1,2 , 흡수는 19에서 25 GHz로 분명히 개선되었습니다. 동안 R _1,2 50에서 150 Ω으로 이동하면 집중 저항이 저주파에서 흡수에 약간의 영향을 미쳤습니다. 따라서 R에 적절한 값을 선택하여 _1,2 =60 Ω, 제안된 PMA는 초광대역 흡수를 얻었다. 그림 3b와 같이 R _3,4 6~17 GHz와 21~23 GHz 대역에서 주로 흡수에 영향을 미쳤다. 광대역 흡수의 경우 R _3,4 180 Ω으로 선택되었습니다. 길이는 또 다른 중요한 매개변수였습니다. F-MDSRR 및 S-MDSRR에 대해 서로 다른 길이의 PMA 셀 및 분할이 있는 경우를 연구했습니다. 그림 3c는 21~25 GHz의 흡수가 P 길이에 매우 민감함을 보여줍니다. PMA 세포의. 광대역 흡수를 달성하기 위해 P를 선택했습니다. =8.4 mm. 그림 3d에서 PMA는 저주파에서 광대역 흡수를 가지며 대역폭은 s에 의해 영향을 받는 것이 분명했습니다. 0.6에서 1.5 mm로 이동했습니다. 0.8 이상의 흡광도 기준에 따르면, s =1.2 mm는 제안된 PMA에 대한 광대역 흡수를 얻기 위해 선택되었습니다. 반사 방지 코팅 기판 두께의 영향 d ₁ 그림 3e에 나와 있습니다. 두께가 d ₁ 7 ~ 30 GHz 및 d의 광대역 흡수에 영향을 미쳤습니다. ₁ =2.0 mm는 광대역 PMA 설계를 위해 선택되었습니다. 다른 d의 흡수 결과 ₂ 그림 3f에 나와 있습니다. d ₂ 고주파수에서 광대역 PMA의 핵심 매개변수였습니다. 초광대역 흡수를 달성하기 위해 최적화된 d ₂ PMA 디자인에서 1.0 mm가 선택되었습니다.

서로 다른 매개변수를 가진 제안된 초광대역 완전 메타물질 흡수체의 흡수 결과는 1~30 GHz입니다. 아 R이 다른 PMA의 흡수 결과 _아 가치. ㄴ R이 다른 PMA의 흡수 결과 _b 가치. ㄷ P 길이가 다른 PMA의 흡수 결과 . d s 길이가 다른 PMA의 흡수 결과 . 이 d의 두께에 따른 PMA의 흡수 결과 ₁ . 에 d의 두께에 따른 PMA의 흡수 결과 ₂

무화과에서. 2와 3에서 제안한 PMA의 흡수 대역폭이 d의 두께에 민감함을 알 수 있었다. ₁ 그리고 d ₂ , 및 집중 저항 값. 또한 F-MDSRR 및 S-MDSRR의 분할은 설계에서 광대역 흡수를 달성하는 데 필요했습니다. 따라서 두께와 집중 저항은 초광대역 흡수에 최적화되어야 했습니다.

초광대역 흡수 메커니즘을 탐색하기 위해 5.1, 14.5, 19.1, 20.8, 25.4GHz의 공진 주파수에서 PMA의 표면 전류 분포와 근전계 분포가 그림 4에 주어졌습니다. 5.13 GHz에서 S-MDSRR 미세구조의 경우 SRR-I와 F-MDSRR 미세구조의 외부 분할 링에 주로 기인하는 그림 4a의 정교한 공명 흡수 효과가 나타났습니다. S-MDSRR과 F-MDSRR 미세구조 사이의 강한 결합은 공명 흡수로 이어졌습니다. 그림 4c에서 제안된 흡수체에 대한 14.49 GHz에서의 흡수 피크는 4개의 집중 저항이 있는 F-MDSRR 미세 구조와 F-MDSRR 미세 구조의 강한 결합으로 인해 얻어짐을 알 수 있습니다. 그림 4e에서 볼 수 있듯이 현재의 초광대역 PMA는 F-MDSRR에 대한 인터 스플릿 링과 SRR-II와 SRR-I 간의 결합 효과로 인해 흡수 공명을 달성했습니다. 20.77 GHz에서 흡수 피크는 주로 그림 4g의 F-MDSRR에 대한 인터 스플릿 링으로 인해 발생했습니다. F-MDSRR의 외부 분할 링과 S-MDSRR 미세 구조의 SRR-II 사이의 강력한 결합 효과는 그림 4i에서 달성되었습니다. 쌍극자 공진, 등가 인덕턴스 및 커패시턴스 공진, 결합 공진이 초광대역 흡수를 달성하는 데 가장 중요하다는 점에 유의할 필요가 있었습니다. 그림 4b, d, f, h, j에서 상부 공간의 5.13 GHz 근전장은 SRR-I와 SRR-I 사이의 더 강한 결합 효과로 인해 다른 응답 주파수와 다른 것을 알 수 있습니다. 외부 분할 링. 14.49, 19.1, 20.8 GHz에서 공명 흡수의 형태는 서로 동일하며, 흡수 피크는 모두 F-MDSRR 미세구조에 의해 달성되었다. PMA의 밀도가 높을수록 PMA의 더 나은 흡수가 달성됨을 알 수 있습니다. 그림 4j에서 볼 수 있듯이 6개의 공백 지점(A ₁ , A ₂ , A ₃ , A ₄ , A ₅ , A ₆ ,) 밀도가 높은 원점에 가깝습니다. 이러한 물리적 현상은 제안된 초광대역 PMA에 대한 결합 효과와 고차 모드로 모두 설명되었습니다. 결과적으로 서로 다른 미세구조와 고차 모드 사이의 결합 효과는 광대역 PMA를 설계하는 데 중요한 요소였습니다.

5.13, 14.49, 19.05, 20.77, 25.42 GHz의 공진 주파수에서 F-MDSRR 미세구조, S-MDSRR 미세구조, 접지면 및 PMA의 근전계의 표면 전류 분포. 아 5.13 GHz에서 표면 전류 분포. ㄴ 5.13 GHz에서 근전계 분포. ㄷ 14.49에서 표면 전류 분포. d 14.49 GHz에서 근전계 분포. 이 19.05 GHz에서 표면 전류 분포. 에 19.05 GHz에서 근전장 분포. 지 20.77 GHz에서 표면 전류 분포. 아 20.77 GHz에서 근전장 분포. 나 25.42 GHz에서 표면 전류 분포. j 25.42 GHz

횡전자기(TEM) 입사파에 대해 θ와 phi의 각도가 다른 현재 PMA의 시뮬레이션된 흡수 결과가 그림 5에 설명되어 있습니다. 그림 5a에서 제안한 PMA가 ta =0°일 때 4.5~25 GHz에서 높은 흡수율을 나타냄을 알 수 있습니다. 파이의 각도가 0에서 360°로 이동했기 때문입니다. 그림 5b에서 각도가 70°에서 80°로 증가하거나 - 70°에서 - 80°로 감소함에 따라 흡수가 급격히 감소하는 것이 분명했습니다. 일반적으로 제안된 PMA에 대해 초광대역 및 광각 흡수를 얻을 수 있으며 θ각은 - 70°에서 70°로 이동하고 phi각은 0°에서 360°로 증가합니다. 우수한 흡수를 설명하기 위해 5.13, 14.49, 19.05, 20.77 및 25.42 GHz의 공진 주파수에서 시뮬레이션된 흡수 결과는 Fig. G. 이 그림에서 우리는 14.49GHz에서 뛰어난 흡수가 − 90° <그림>

세타 및 파이 각도가 다른 현재 초광대역 PMA의 흡수 결과. 아 1 ~ 30 GHz(theta =0 deg)의 서로 다른 각도 phi를 사용한 PMA의 흡수 결과. ㄴ 1 ~ 30 GHz(phi =0°)의 다양한 ta 각도를 가진 PMA의 흡수 결과. ㄷ 5.13 GHz에서 − 90° d 14.49 GHz에서 − 90° 이 − 90° 에 − 90° 지 − 90° 일 때 25.42GHz에서 흡수 결과

횡전기(TE) 및 횡자기(TM) 편파 입사에 대한 초광대역 PMA의 편극-민감도를 해석하기 위해 우리는 그림 1에서 12 GHz에서의 표면 전류 분포 및 12 GHz에서의 근전장과 경사 흡수를 제시했습니다. 6. 도 6a, b로부터 TM 편광 입사에서의 비스듬한 흡수 결과가 TE 편광 입사에서의 결과와 동일함을 알 수 있다. 입사각이 다른 동일한 비스듬한 흡수는 흡수 메커니즘과 현재 미세 구조에 기인합니다. 예를 들어, TE 및 TM 편파 입사가 있는 12GHz의 표면 전류 분포 및 근전장은 그림 6c-f에서 초광대역 PMA의 편극 감도를 설명하기 위해 추가로 조사되었습니다. 제시된 PMA는 서로 다른 편광 입사파를 갖는 동일한 표면 전류 분포 및 근접 전기장을 나타내는 것으로 보고되었다. 결과적으로, 이 초광대역 PMA에 대해 편파 둔감성의 특성을 달성할 수 있었다.

편광 입사각이 다른 현재 초광대역 PMA의 흡수 결과, 표면 전류 분포 및 근전계. 아 1에서 30 GHz까지 TE 편광 입사각을 갖는 PMA의 비스듬한 흡수 결과와 θ는 0에서 60°로 이동합니다. ㄴ . TE 편광 입사와 함께 12 GHz에서 PMA의 근접 전기장. ㄷ TE 편광 입사를 갖는 12 GHz에서 PMA의 표면 전류 분포. d 1에서 30 GHz까지의 TM 편광 입사를 갖는 PMA의 비스듬한 흡수 결과와 θ는 0에서 60°로 이동했습니다. 이 TM 편광 입사를 갖는 12 GHz에서 PMA의 표면 전류 분포. 에 TM 편광 입사가 있는 12 GHz에서 PMA의 근전장

유전 및 저항 손실을 자세히 설명하기 위해 그림 7은 5.13, 14.49, 19.05, 20.77 및 25.42 GHz에서 기판의 부피 손실 밀도(VLD)와 제안된 PAM에 대한 집중 저항을 보여줍니다. 그림 7a에서 공진 주파수가 5.13GHz에서 25.42 GHz로 이동함에 따라 VLD가 증가함을 관찰할 수 있습니다. 그림 7b에서 집중 저항의 옴 손실에서 다른 모드를 얻을 수 있습니다. R의 부피 손실 밀도 ₃₄ R보다 확실히 더 많았습니다. ₁₂ 5.13 GHz에서. 차이는 14.49 GHz에서 감소합니다. 19.05 GHz 및 20.77 GHz에서 R의 VLD ₃₄ R보다 약간 낮습니다. ₁₂ . 25.42 GHz일 때 R의 볼륨 손실 밀도 ₃₄ 및 R ₁₂ 둘 다 다른 주파수보다 적었다. 1 × 10 ⁵ 범위의 저항 손실이 분명했습니다. w/mm ³ ~ 1 × 10 ⁷ w/mm ³ 100w/mm ³ 범위에서 유전 손실보다 컸습니다. ~ 1 × 10 ⁷ w/mm ⁶ . 결과적으로, 옴 및 유전 손실은 그림 1 및 2에서 제안된 초광대역 흡수체에 대해 중요했습니다. 3(e) 및 (f) 및 7.

5.13, 14.49, 19.05, 20.77, 25.42 GHz에서 제안된 PAM에 대한 기판의 유전 및 저항 손실과 집중 저항. 아 공진 주파수에서 기판의 부피 손실 밀도(VLD). ㄴ 공진 주파수에서 집중 저항의 부피 손실 밀도(VLD)

제작 및 측정

특성 검증을 위해 제안된 초광대역 PMA의 900-cell(30 × 30) 소자 2개를 제작하여 Fig. 8에 나타내었다. 방. 초광대역 PMA 샘플은 3개의 기판(ε _r =4.2 및 tanδ =0.02) 두께 2 mm, 1 mm, 1 mm 및 1 mm. 두 개의 선형 편파 표준 이득 혼 안테나를 송신기와 수신기로 애질런트 벡터 네트워크 분석기(VNA, N5230C)에 연결했습니다. 환경의 간섭을 제거하기 위해 네트워크 분석기의 시간 영역 게이팅 기능을 실험에 채택했습니다. EM파가 장치 전면의 평면파와 유사할 수 있도록 장치를 턴테이블 중앙에 수직으로 배치했습니다. 안테나와 테스트 대상 장치 사이의 거리는 원거리 조건을 충족했습니다.

마이크로파 무반사실에서 제안된 초광대역 PMA 장치의 프로토타입

제안된 PMA 샘플에 대한 각흡수 실험 결과는 입사각(θ ) 0에서 45°로 이동했습니다. The measured results illustrated that the angular absorption decreased sluggishly as the incident angle increased from 0 to 45° in the x - and y - polarized incidences. When the incident angle was zero (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. 아 The experimental absorption results of the PMA sample with θ of 0°, 15°, 30°, and 45° in the x -polarized incident waves. ㄴ The experimental absorption results of the PMA sample with θ of 0°, 15°, 30° and 45° in the y -polarized incident waves