具有宽入射角稳定性的超薄三波段超材料吸收器，适用于 X 和 Ku 频段的共形应用

介绍

近年来，超材料因其奇异的特性而受到广泛关注，例如负折射率 [1]、完美成像 [2] 和逆多普勒效应 [3]。由于这些特性，超材料已被提议用于各种设备，例如电磁 (EM) 隐形 [4]、超灵敏传感 [5]、过滤器 [6, 7] 和吸收器 [8,9,10, 11,12]。特别是，与传统微波吸收器相比，超材料吸收器 (MA) 被用于从军事到消费电子产品的各个领域。 MA 往往轻而薄。

2008 年，Landy 等人首次提出了完美的 MA。 [13]。随后，不同类型的MA，如单频[14, 15]、双频[16,17,18,19,20,21]、多频[22,23,24,25,26,27 ] 和宽带吸收器 [28,29,30,31,32,33,34,35,36] 已经由不同的研究人员提出。在这些 MA 中，多波段 MA 能够在多个离散频率下实现完美吸收，从而实现多波段传感等应用。通常，多频段 MA 可以通过两种方法进行配置。第一种方法通常称为共面构造方法，其中几个不同尺寸的谐振器形成一个超级单元结构 [37, 38]。第二种方法涉及垂直堆叠交替的多层结构 [39, 40]。然而，这些方法都不是制造提供多波段吸收的结构的理想选择。例如，共面施工方法导致MA单元尺寸不可避免地扩大，而分层设计无法消除结构厚度大和重量重的缺点。最近，一些简化的结构设计被提出来实现多波段吸收[41, 42]；尽管如此，宽入射角的吸收仍有待提高。

在本文中，我们提出了一种结合了体积小、超薄、重量轻和易于制造的优点的设计方法。由于单元电池设计的优点，所提出的三频 MA 即使在宽入射角下也表现出高吸收。模拟结果显示三个不同的吸收带，峰值吸收分别在 8.5、13.5 和 17 GHz 处分别为 99.9%、99.5% 和 99.9%。 MA 的对称结构确保其吸收对不同的偏振角不敏感。此外，当 TE 和 TM 偏振波分别以 60° 的入射角入射时，所提出的 MA 提供了大于 86% 和 99% 的吸收。检查了各种几何参数与吸收光谱之间的关系。为了验证MA的吸收性能，制造了一个具有20 × 30个单元的原型，实验结果与模拟结果一致。由于其低厚度和对广泛入射角的有效性，MA结构是在高度灵活的聚酰亚胺薄膜上制造的，可用于非平面和保形应用。

方法/实验

图 1 显示了所提出的 MA 的晶胞的几何形状，它由谐振层、介电层和金属接地层组成。谐振结构结合了一个裂环谐振器 (SRR)、一个改进的环形谐振器 (MRR) 和八个相同的 7 形结构，每个结构都沿单元的中心旋转 45°。顶部图案层和底部接地层由0.02-mm厚的铜和5.8 × 10 ⁷ 的导电率制成 米/米。基板在相对介电常数为 2.9 且损耗角正切为 0.02 的聚酰亚胺上制造。 MA的优化参数如表1所示。

拟议 MA 的晶胞的几何示意图。 一 顶视图，b 八个 7 形共振结构的布局，以及 c 一个单元格的透视图

<图>

所提出的 MA 的模拟吸收光谱由有限差分时域 (FDTD) 模拟确定。在模拟中，单位单元边界条件应用于 x 和 y 方向，而 Floquet 端口条件沿 z 方向应用。此外，假设平面 EM 波撞击 MA 的表面。吸收率 (A ) 可以定义为 \(A\left(\upomega \right)=1-{|{S}_{11}(\upomega )|}^{2}-{|{S}_{21}(\ upomega )|}^{2}\)，其中 \({S}_{11}(\upomega )\) 和 \({S}_{21}(\upomega )\) 是反射系数和透射系数， 分别。由于铜地平面的全反射，透射系数\({S}_{21}(\upomega )\)为零，吸收率可以简化为\(A\left(\upomega \right)=1 -{|{S}_{11}(\upomega )|}^{2}\)。所提出的 MA 在法向入射下的模拟反射和吸收光谱如图 2a 所示。提议的 MA 在 8.5、13.5 和 17 GHz 处表现出三个吸收峰，吸收率分别为 99.9%、99.5% 和 99.9%；对应的Q 每种谐振模式的因数分别达到26.8、28.4和27.1。

一 法向入射的模拟吸收和反射光谱。 b 不同偏振角的吸收光谱φ .不同θ的吸收 c 的值 TE 和 d TM极化

图 2b 显示了所提出的 MA 结构在不同偏振角下的吸收光谱。可以看到 MA 的吸收在 0° 到 90° 的偏振角范围内保持稳定。因此，所提出的 MA 对入射 EM 波的极化不敏感。此外，我们进一步研究了设计 MA 在斜入射角 (θ ）。对于 TE 极化，如图 2c 所示，吸收率随着 θ 而降低 增加。这可能是因为增加 θ 降低了 TE 波的电场强度的水平分量。因此，由入射电场产生的循环电流的有效性逐渐降低。然而，三个吸收峰仍保持在 86% 以上，因为 θ 达到 60°。对于 TM 极化，如图 2d 所示，在 θ 处每个共振峰的吸收率大于 99% =60°。这是因为所提出的 MA 中的吸收对由 θ 增加引起的电场强度变化不太敏感 .所提出的 MA 的另一个优点是吸收频率稳定性，如图 2 所示，其中三个不同的吸收峰不会随着 θ 发生显着变化 增加。

结果与讨论

为了便于对吸收的详细解释，共振结构不同部分的响应光谱如图 3 所示。如图 3 所示，图案层内的每个元素都负责单独和强烈的共振。结果，这些元素的组合导致完美的多波段吸收。作为MRR设计的一部分，在闭环谐振器的每个角上增加了一个方形贴片，在不增加结构尺寸的情况下增加了环形谐振器的电气长度并使吸收频率红移。

单个元素对吸收的贡献

为了进一步探索电磁波吸收的机制，对应于三个吸收峰的顶部和底部金属层的表面电流密度分布如图 4 所示。可以看出顶部图案层的表面电流集中在 MRR 上、SRR 和 7 形图形结构分别在 8.5、13.5 和 17 GHz。表面电流分布也揭示了吸波的起源，如图3所示，与顶层的表面电流相比，底层的强度要弱得多。顶层表面电流的方向相对于地平面反平行，这导致 MA 内的等效电流回路激发磁偶极子。同时，图 5 显示了电场的幅度 (|E |) 在入射 TE 极化波的 MA 中，当 θ =0°、30° 和 60°。可以看到电场强烈集中在 MRR 的水平条上，因为 MRR 在 8.5 GHz 处吸收。在 13.5 GHz 时，如图 5(b) 所示，完美吸收是由于 SRR 中的 LC 共振。最后，17 GHz 的吸收是由于内部贴片中的偶极共振。顶层的谐振器也会产生电谐振。磁共振和电共振都有助于所提出结构中的强电磁吸收。此外，图 5 显示场强随着 θ 而减小 增加。结果，电磁波吸收也随着θ的增加而减小 .

a 顶部图案层和底部接地层上的模拟表面电流分布 , d 8.5、b , e 13.5 和 c , f 17 GHz

电场分布的绝对值 (|E |) 在不同入射角θ的TE偏振的MA中 a 8.5、b 13.5 和 c 17 GHz

图 6 显示了 MA 几何形状对提议的 MA 中吸收的影响。如图 6a 所示，谐振频率随着 a 向更高频率移动 增加。间隙宽度b的关系 SRR 和吸收光谱的变化如图 6b 所示。等效电容随着 b 的增加而减小；因此，中心共振峰移到更高的频率。然而，较低和较高的吸收峰几乎保持不变，这提供了一种方便的方法来调整各个吸收频率。此外，吸收对环条宽度的依赖性 w 图 2 显示在图 6c 中，其中较低和中心谐振频率红移为 w 2 增加。作为 w 2 增加，等效电容增加，因为 SRR 和 MRR 之间的距离减小，导致较低和中心谐振频率红移。最后，增加条形宽度 w 3 将导致上谐振频率的红移，如图 6d 所示。由于谐振模式由内部 7 形贴片决定，增加 w 3 还增加了内部谐振器的等效电感。因此，谐振频率呈现红移。

不同结构参数下MA的吸收光谱：a 单位周期a , b SRR间隙宽度b , c MSR 环条宽度 w 2、d 7 字形贴片宽度 w 3

制造了一个 240mm × 160mm 的原型，对应于 20 × 30 个单元电池，如图 7a 所示。在样品制备过程中，先在聚酰亚胺表面蒸镀一层薄薄的铜，然后使用激光烧蚀蚀刻图案。测量设置如图 7b 所示，其中使用自由空间方法测试样品中的吸收。一对喇叭天线连接到矢量网络分析仪 (Rohde &Schwarz ZVA 40) 以测量样品的反射。测量与制造的样品尺寸相同的铜板的反射光谱并用作参考。然后将样品放置在相同的位置，通过减去两个测量的反射功率来计算样品的真实反射。图 8a 显示了从铜板和制造的样品测量的反射光谱，而 MA 的吸收率显示在图 8b 中。在 8.7、14.1 和 17.6 GHz 处测得的吸收分别为 96%、97% 和 94%。与模拟结果相比，由于制造公差和基板介电常数的差异，吸收峰值频率略微向更高的频率移动。

一 制造的 MA 原型。 b 测量设置

一 反射系数和b 正常入射时MA的吸收率

图 9 显示了在 φ 的不同偏振角下测量的 MA 中的吸收 =0°、30° 和 60°。结果表明，所提出的结构对偏振角不敏感。图 10 显示了当 θ 时测量的 TE 和 TM 偏振吸收光谱 =30° 和 60°。当 θ 时，两种极化的吸收率保持在 95% 以上 =60°所有吸收峰。

法向入射下不同偏振角的测量吸收

不同入射角的模拟和测量吸收：a TE 和 b TM极化

如前所述，拟议的 MA 是在高度灵活的聚酰亚胺薄膜上制造的，可用于非平面应用。如图 11a 所示，将吸收器弯曲并连接到半径为 8 厘米的圆柱体上，然后测量其吸收。图 11b 显示了平面和保形吸收器的吸收光谱。可以观察到，两种吸收剂的吸收率相似。此外，弯曲前后三个谐振频率处的峰值吸收相似，这在保形应用中很重要。

一 连接到圆柱体的柔性吸收器。 b 平面和共形MA的吸收光谱

结论

本文介绍了一种具有三个吸收峰的超薄柔性 MA。与之前的设计相比，我们提出的吸收体超薄，总厚度为 0.4 毫米，大约是对应于较低吸收频率的自由空间波长的 1/88。所提出的三波段吸收器在高达 60° 的入射角时表现出高吸收率（TE 和 TM 极化分别超过 86% 和 99%）。同时，结构的对称性确保吸收对极化变化不敏感。制造了具有 20 × 30 个晶胞的 MA，并针对不同的入射角进行了测量。结果表明，MA 在大入射角下表现出高吸收。吸收器是在柔性聚酰亚胺薄膜上制造的，可轻松用于非平面和保形应用。所提出的吸收体在能量收集和电磁屏蔽方面具有巨大的潜在用途。

数据和材料的可用性

所有数据完全可用，不受限制。

缩写

MA：

超材料吸收体

EM：

电磁

SRR：

裂环谐振器

MRR：

改进型环形谐振器

FDTD：

有限差分时域