一个方法扩展超材料吸收器的带宽

文摘

我们提出一个方法来扩展超材料吸收器的带宽(MMA) multiresonance结构。mma的基本单元单元由一个周期安排的electric-LC(助教)谐振器和一个方形环结构。MMA的吸收带宽有效延长五单元细胞结构结合成不同几何尺寸共面单元细胞。实验结果表明,该组合MMA是0.8毫米(0.0026)厚的吸收速率峰值93% 10 GHz和半宽度(应用)的970 MHz带宽。

1。介绍

现在,微波吸收器感兴趣的军用和民用应用中减少电磁干扰微波组件或电子电路安装在同一平台。索尔兹伯里传统吸收器屏幕之一,其机制是解释在[1]。这种类型的吸收器包括一个电阻表的使用和金属地平面的抵消反射屏幕上。最近,吸收器技术已经见过几个进步使用人工结构的超材料(mtm)创建一个高性能微波吸收剂,太赫兹,和近红外频率政权(2- - - - - -5]。根据有效介质理论,mtm可以用复杂的电介电常数的值和磁导率。介电常数和磁导率可以通过不同维度的独立控制电磁组件。此外,通过优化电场和磁场共振,自由空间的MTM可以阻抗匹配。因此,100%的吸光度理论上是可能的。与传统的微波吸收剂相比,超材料结构可以提供一些解决方案来改善传统吸收器。首先,共振超材料吸收器的厚度(MMA)比传统吸收器薄有四分之一波长厚度(6]。第二,后者是MMA的低成本和简单。然而,大多数的MMA结构是基于强大的电磁谐振,有效吸收入射电磁波;MMA的吸光度带宽很窄。这种狭隘的MMA限制带宽的特点吸收器应用程序,所以延长MMA的吸光度带宽的方法是必要的。近年来,mma与双频(7和多频谐振器8,9)已报告,但这些类型的mma显示多个吸收峰在不同的频段。此外,这些设计mma的吸收带宽是狭窄的,一般不超过10%。这种窄带宽度特性限制了MMA的共振类型设备的应用。

在本文中,我们提出一个有效的方法来扩展吸光度MMA的带宽。结合五单元细胞结构不同的几何尺寸为共面单元细胞,得到5个不同的吸收峰的叠加。五单元的各种阵列配置不同几何尺寸调查为了消耗MMA的带宽。的三维场模拟工具,中科多工作站系统(微波工作室),用于提出了MMA的设计结构。

2。MTM吸收器的设计单位细胞

几何的基本MMA单元细胞如图1。设计单位细胞前后端的FR-4衬底(,),FR-4衬底的厚度是0.8毫米。单位细胞包含一个electric-LC(助教)谐振器和一个正方形循环元素。多种复杂结构报道(10]。极化不敏感行业结构,如图1 (b)在这个设计被选中。

语言学校的谐振器展品共振电响应当电场偏振垂直或水平差距的一个语言学校,和循环位移电流生成复杂形状和循环之间的武器展览共振磁响应。总体规模的基本MMA单位细胞5.8毫米×5.8毫米×0.8毫米包括FR-4衬底。一个行业和一个广场的金属图案大小循环结构4.3毫米×4.3毫米和4.1毫米×4.1毫米,分别。复杂形状结构的间隙长度为0.9毫米,两种金属模式的宽度是0.3毫米。

我们使用频域解算器通过CST微波工作室,并与适当的程序模拟一个单元细胞周期性边界条件(/)。结构的单胞被放置在一个波导与中国人民银行墙壁和垂直极化横电磁(TEM)波影响这个结构。完美的电导体(压电)边界条件应用于波导的顶部和底部的墙壁,而完美的磁导体(PMC)边界条件应用于波导的侧墙。其他两个两端的波导波导端口分配。模拟频率范围是从9.0 GHz 11 GHz。这个结构生成反平行的环状电流之间的垂直手臂的语言学校和循环导致磁响应,如图2 (d)。通过调优的每个共振可以匹配阻抗空间和减少反射。图2 (e)显示了模拟功率损耗密度在10.12 GHz的语言学校的谐振器结构。最强的电磁能量吸收可以采取的地方附近的电场是局限在介质衬底。这一结果表明,吸收不均匀发生在MTM单元细胞。

图3显示了拟议的MTM吸收器的仿真结果,通过吸收速率的策划,反射和传输。MTM的散射参数单元单元模拟,并计算了吸收方程。它可以观察到吸收器的反射和传输在10.12 GHz大幅减少到最低,这也显示92%的峰值吸收速率。基于吸收80%的速度,220 MHz带宽和半宽度(应用)的425 MHz带宽。

在图2,我们目前的分布模拟电场对TE(图2(一个))和TM偏振(图2 (b)(图)和磁场2 (c)随着表面电流(图)2 (d))提出了MTM吸收单元细胞在正常发病率10.12 GHz的共振频率。从电场分布如图2(一个)和2 (b),人们可以观察到这四个正交空白的语言学校的元素可以限制由于积累的相反电荷的电场TE和TM偏振。因此,电容产生这些差距和语言学校的元素作为电动谐振器。同时,TE偏振的感应磁场强的地区接近垂直手臂的语言学校,如图2 (c)。

3所示。安排配置扩展带宽MMA的细胞

广泛的带宽MMA的可行性可以通过重叠的吸收峰5细胞当峰值关闭。扩展带宽MMA五MTM单位细胞具有不同几何尺寸的设计。我们选择五个不同的谐振单元细胞与不同的缩放因子如表所示1和模拟各种阵列配置五个单元的细胞有不同的安排,如表所示2。我们定义K3的类型作为基本单元细胞样本,和其他四个单位的一些几何尺寸比例上升或下降,如表所示1。此外,我们还模拟五单单位细胞通过改变的周期阵列方向单位细胞。

图4显示了计算吸收特征的比较五种不同的单一单元细胞不同的安排和阵列的方向。5单共振吸收峰重叠的单一单元细胞有不同的维度,五个单一单元细胞周期性排列的顺序K1-K2-K3-K4-K5(例1),K2-K5-K3-K1-K4(案例2),和K5-K2-K1-K3-K4(例3),分别。

模拟结果表明,吸收带宽水平阵列配置(细胞的排列设在)是狭窄而垂直阵列配置(细胞排列设在)除了例2。虽然峰值吸收值的垂直排列单元细胞案例1相比略低的案例3中配置,它显示了广泛的吸收带宽。垂直阵列配置的带宽应用(案例1)扩展到770 MHz。

细胞之间的比例因素的差异减少,5单共振吸收峰重叠在一起。这主要是因为五种不同几何尺寸的单位细胞的组合结果转移的共振频率更低或更高的值,根据电容或者电感耦合的性质。当五个单单位细胞周期性排列的顺序K1-K2-K3-K4-K5(例1),它显示了扩展的最小差异因素之间的细胞。在这五个单元的混合不同的几何尺寸,五个单共振吸收峰重叠在一起,和MMA的带宽扩展。另一方面,增加比例因素细胞之间的差异结果5单共振吸收峰的分裂将单共振成五个不同的共振。结果,5细胞周期性地排列顺序不同的单一单元(例2和例3),它显示了降低吸收带宽比较例1。进一步扩大吸收带宽也可能通过增加不同几何尺寸的单位细胞的数量与适当的组合。

图5显示了透视图MMA的结构和比较计算吸收的单一单元细胞周期阵列(K3类型)和五个不同的单一单元细胞排列在垂直方向有不同的安排(情况1)。从图观察到5吸收带宽的五个不同的单一单元细胞阵列配置增加相比单一单元单元阵列配置。应用吸收带宽扩展从470兆赫到770兆赫利用五单元细胞结构与不同的几何尺寸。这个扩展吸收带宽的MMA主要是因为邻居之间的电磁场耦合单元细胞(11]。图6显示了模拟电场分布的五个不同的吸收器单元细胞排列在垂直方向(情况1)。

在不同的共振频率,两个或三个相邻的单元细胞表现出很强的电场在语言学校之间的区域,表明电容耦合。因此,提出了MMA结构不再显示single-resonant特点。通过结合五单元细胞结构不同的几何尺寸,共振峰位置有密切接触的人吸收单元细胞重叠。因此,MMA的带宽可以消耗由于multiresonance效果。

这吸收的本质可以理解从图7显示了模拟吸收器的功率损耗密度单位细胞在三种不同的共振频率;9.69、10.12和10.5 GHz。在不同的共振频率,功率损耗集中强烈打开的缺口和附近的两个或三个相邻的语言学校的单位细胞。在拟议的MMA结构中,最强的电磁能量吸收,如图7电场将被限制,需要地方附近的介质衬底,如图6。

4所示。装配式吸收测量结果

我们为实验制作原型吸收器。的照片制作两层金属化MTM吸收器示例如图8。样品被蚀刻在一个FR-4衬底(相对介电常数,损耗角正切,厚度毫米)使用标准光刻技术。为了验证的有效性MTM吸收细胞,吸收器的平面阵列单元细胞(40×45)蚀刻FR-4衬底的两边是安装在测量的丙烯基板框架。两个吸收细胞之间的元件间的间距设置为0.2毫米,和总平面吸收器的大小是243.6毫米×249毫米。我们通过实验验证了测量吸收器的行为年代参数的平面阵列单元细胞。图9显示了测试设置的原理测量的反射和透射吸收样品制作的。

我们使用两个x波段微波矢量网络分析仪和矩形喇叭天线。在测量频率范围从9到11.0 GHz。在开始描述测量之前,我们进行了through-reflect-line (TRL)校准。参考平面位于表面的样本。反射测量已被取代校准样品的铝板同样大小的参考平面。没有样品的校准测量传播。

如图9(一个),一对喇叭天线是用来传输样品上的电磁波吸收器表得到传播和接收信号参数正常的发病率。微波吸收材料被放置在两个角和周围的纸样,消除不必要的边缘散射。获取参数,两角都集中在纸样在同一侧,如图9 (b)。喇叭天线的高度保持在1.2 m和角和纸样之间的距离是0.6米,消除近场耦合效应。图10显示了一个比较提出了MMA的模拟和测量吸收使用测量的大小和参数。相比略有增加带宽测量与模拟结果是由于制造公差和实验提出了MMA的设置。此外,实验吸收频段高了约60 MHz相比,模拟的结果。扩展带宽的测量的半最大值宽度从470兆赫到940兆赫相比单一单元单元阵列配置。该吸收器显示了93%的吸收率峰值10 GHz。

5。结论

本文提出了一种有效的方法实现扩展的吸光度MMA的带宽。拟议的MMA单元由一个语言学校的谐振器和一个方形环结构,两边都蚀刻FR-4衬底。基本单位细胞的模拟结果显示92%的峰值吸收速率在10.12 GHz, 470 MHz带宽和应用。通过结合五单元细胞结构不同的几何尺寸,他们的共振峰重叠。此外,通过将细胞的排列方向垂直,提出了MMA的应用扩展到100%的实验。这个提议的配置是一种有效的方法,扩展MMA的带宽。拟议的布局可以很容易地扩展为更紧凑,工作薄backplane-less平面吸收体设计毫米和太赫兹频率的应用程序,可以申请电磁波吸收材料和微波设备。

承认

这项研究受到了基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由教育部、科学和技术(没有。2010 - 0011646)。

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