Multi | Hefei Components Inc.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3641 (2023) Citar este artículo

947 Accesos

Detalles de métricas

En este trabajo, se explora una metasuperficie multirresonante que puede adaptarse para absorber microondas en una o más frecuencias. Se ha demostrado que las formas de superficie basadas en un motivo de "ancla", que incorpora elementos resonantes de forma hexagonal, cuadrada y triangular, se pueden adaptar fácilmente para proporcionar una gama específica de respuestas de microondas. Se caracteriza experimentalmente una metasuperficie que consiste en una capa de cobre grabada, espaciada sobre un plano de tierra por un dieléctrico delgado (<1/10 de longitud de onda) de baja pérdida. Las resonancias fundamentales de cada elemento con forma se exhiben a 4,1 GHz (triangular), 6,1 GHz (cuadrado) y 10,1 GHz (hexagonal), lo que proporciona potencial para absorción de frecuencia única y múltiple en un rango que es de interés para la industria alimentaria. . Las mediciones de reflectividad de la metasuperficie demuestran que los tres modos de absorción fundamentales son en gran medida independientes de la polarización incidente, así como de los ángulos azimutal y de elevación.

El uso de metamateriales como absorbentes de radiofrecuencia (RF) ha sido de interés para muchos investigadores1,2,3,4,5,6. La gran mayoría de las estructuras estudiadas se basan en la disposición periódica de celdas unitarias con dimensiones prediseñadas. Estos metamateriales periódicos (mejor denominados "metasuperficies") tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluida la reducción de la sección transversal del radar (RCS)3, la detección1,4 y el diseño de células solares1,5.

Uno de los ejemplos más simples de un absorbente de este tipo lo ilustra el trabajo de 2004 de algunos de los autores actuales7. En su investigación, se demostró que una estructura formada por una serie de finas tiras metálicas separadas de un plano de tierra por un fino núcleo dieléctrico era un absorbente de banda estrecha muy eficaz. Las frecuencias de resonancia de la estructura se determinaron simplemente por el ancho de las tiras metálicas, su separación del plano de tierra, el espacio entre las tiras y tanto la permitividad relativa como el espesor del núcleo dieléctrico. En los experimentos demostraron una fuerte banda de absorción a aproximadamente 7 GHz en una estructura de menos de 400 μm de espesor (unas 100 veces más pequeña que la longitud de onda).

En los años siguientes, estos absorbentes simples se adaptaron utilizando una variedad de patrones y estructuras periódicas diferentes8,9,10,11,12. Gran parte del trabajo se ha centrado en añadir resonancias adicionales o ampliar el ancho de banda. Estos enfoques incluyeron el uso de estructuras multicapa13, celdas unitarias multirresonantes14,15,16, geometrías fractales17,18,19, patrones no periódicos20,21,22,23 y materiales magnéticos24. El uso de estructuras multicapa ofrece un método extremadamente eficaz para ampliar el ancho de banda de absorción. Sin embargo, la ampliación de los modos se produce a expensas del aumento del espesor total del absorbente, lo que puede resultar indeseable para determinadas aplicaciones. Las metasuperficies en capas también suelen requerir una alineación precisa de las capas, lo que añade complejidad a la fabricación de los dispositivos. Otro enfoque para ampliar la banda de absorción es crear una celda unitaria con múltiples estructuras resonantes que operen en bandas de frecuencia vecinas (y quizás superpuestas).

Recientemente se han propuesto varias metasuperficies con resonancias poco espaciadas25. Estas estructuras son de interés debido a aplicaciones que pueden requerir un acoplamiento selectivo a modos resonantes discretos. Se ha propuesto una variedad de estructuras complejas, ya sea como absorbentes de metasuperficies o superficies selectivas de frecuencia (FSS)26,27,28,29,30,31,32. Al diseñar una metasuperficie, para la mayoría de las aplicaciones, el control de la polarización y la estabilidad angular son características clave. Para satisfacer estos criterios, a menudo se exploran estructuras hexagonales, ya que proporcionan el más alto nivel de simetría bidimensional.

En este artículo, partiendo de la idea de modos resonantes estrechamente separados, estudiamos las propiedades resonantes de nuevos patrones en forma de ancla con tres modos resonantes localizados. Los patrones están sobre un plano de tierra que puede ser simplemente teselado, creando estructuras absorbentes de RF similares a las de referencia7. En general, hay cuatro tipos básicos de grupos de elementos resonadores que se han clasificado en 3: N-polos (Grupo-1), formas despuntadas (Grupo-2), formas sólidas (Grupo-3) y una combinación de las demás ( Grupo-4). Los patrones en forma de ancla explorados en este trabajo se clasifican como resonadores del Grupo 1. El objetivo de esta investigación fue identificar una metasuperficie que admita múltiples resonancias localizadas angularmente independientes simultáneamente, permitiendo la funcionalidad multifrecuencia, pero con la opción de desactivar una o más bandas mediante modificaciones menores del patrón con un efecto mínimo en el rendimiento de las bandas restantes. .

Se llevó a cabo un proceso de diseño para optimizar la absorción resonante multibanda en el rango de frecuencia deseado, utilizando COMSOL Multiphysics con el módulo de RF, un solucionador de métodos de elementos finitos disponible comercialmente para estructuras electromagnéticas33. Se modeló una matriz hexagonal utilizando una celda unitaria rómbica, que proporciona el nivel más alto de simetría bidimensional, incorporando elementos resonadores en forma de ancla con tres configuraciones diferentes de polígonos regulares (hexágonos, cuadrados y triángulos). Se crea un ancla en cada polígono conectando cada esquina con el centro del polígono y dividiendo cada lado en dos, creando un conjunto de estructuras en forma de flecha (las puntas de flecha se conocen como 'tremas' de ancla). El número de anclajes (puntas de flecha) es igual al número de lados del polígono. Al combinar múltiples estructuras de anclaje en una sola celda unitaria, se crea una metasuperficie multirresonante (Fig. 1a). Para facilitar el cálculo, la estructura se modeló como una capa de conductor eléctrico perfecto (PEC) con patrón infinitamente delgado sobre un núcleo dieléctrico (1,6 mm de espesor) con un plano de tierra PEC. El material dieléctrico utilizado para el núcleo fue FR4 (permisividad típica de \(\varepsilon = 4,17 - 0,07i\)). Se imitó una matriz periódica infinita del diseño modelando una sola celda unitaria y usando condiciones de contorno periódicas de Bloch-Floquet en las caras de la celda unitaria, mientras que la función de 'puertos' incorporada de COMSOL se usó para inyectar (absorber) el plano. ondas dentro (fuera) del dominio de modelado y calcular la reflectividad de la superficie para un rango de ángulos incidentes.

(a) Celda unitaria del modelo COMSOL de la metasuperficie teselada, con las dimensiones clave anotadas. Un esquema 3D de la celda unitaria muestra el material dieléctrico y el plano de tierra. Fotografías de las metasuperficies fabricadas: (b) anclajes hexagonales, (c) anclajes cuadrados, (d) anclajes triangulares y (e) una combinación de las tres estructuras basadas en anclajes. Tenga en cuenta que las dimensiones de cada elemento en la Fig. 1e son las mismas que las de la figura (b-d).

El proceso de diseño tuvo como objetivo generar una estructura que absorbiera eficientemente la radiación en tres frecuencias resonantes, cada una asociada con un elemento diferente de la estructura de la superficie: aproximadamente 4 GHz para los elementos triangulares, 6 GHz para los elementos cuadrados y 10 GHz para los hexagonales. elementos. Los modos se diseñaron de manera que estuvieran bien espaciados dentro de la limitación del tamaño de la celda unitaria, así como del rango de mediciones del equipo en QinetiQ Ltd. Los parámetros geométricos que determinan la frecuencia de resonancia de cada ancla son: la relación entre la unidad longitud de la celda y longitud del lado del polígono (los tamaños se enumeran a continuación); la brecha capacitiva entre las aletas del ancla (0,5 mm); y el ancho de las tiras metálicas que forman la geometría (0,5 mm). Las dimensiones restantes que definen la celda unitaria son las tres dimensiones que determinan el tamaño de cada estructura de anclaje: \({R}_{\mathrm{Hex}}=\) 6,05 mm, \({R}_{\mathrm{ Sq}}=\) 4,13 mm y \({R}_{\mathrm{Tri}}=\) 1,58 mm, con \({R}_{\mathrm{cell}}=\) 10 mm. El espesor del sustrato dieléctrico es \({t}_{d}= 1,6\) mm, y el espesor del cobre que forma la geometría, \({t}_{c}= 35\) μm. Estos están anotados en la Fig. 1a. Tenga en cuenta que las resonancias individuales se pueden ajustar cambiando las longitudes laterales de los polígonos individuales sin afectar en gran medida las resonancias debidas a los otros polígonos, dentro de los límites del tamaño de la celda unitaria. Los resultados del modelado se discutirán con más detalle, junto con los resultados experimentales, en la siguiente sección.

Las estructuras se fabricaron utilizando un polímero PET recubierto de cobre liviano y disponible comercialmente (espesor 50 μm), en el que se imprimió el diseño requerido usando una impresora XeroX ColorQube 9301 PS antes de eliminar el cobre expuesto en un baño de grabado con cloruro férrico. Posteriormente, esta capa se colocó (con la superficie de cobre hacia abajo) sobre un sustrato FR4 con soporte metálico. Se usó un lubricante seco a base de PTFE para adherir la capa de polímero al sustrato FR4; Se aplicó el lubricante seco y se exprimió con una pequeña presión, eliminando el exceso de material y creando un sello que fijó y estabilizó el desplazamiento vertical de las estructuras de anclaje. Se fabricaron cuatro muestras: tres consistían en formas individuales basadas en anclajes y una combinaba todas las formas en un único absorbente de múltiples bandas. El tamaño total de cada muestra de metasuperficie fue de aproximadamente 280 × 410 mm; consulte las fotografías en la Fig. 1b-e.

Experimentalmente, los parámetros de reflexión de incidencia normal de las estructuras se investigaron mediante el uso de una antena de bocina de banda ancha (Flann Microwave, DP240) conectada a un analizador de red vectorial de 2 puertos (Anritsu ShockLine™ Compact USB VNA MS46122A), lo que permite ambas polarizaciones lineales. (Magnético Transverso, TM, es decir, campo E en el plano de incidencia y Eléctrico Transverso, TE, es decir, campo E perpendicular al plano de incidencia) que se medirán simultáneamente (como se muestra en la Fig. 2a). La antena tenía un rango de frecuencia operativa de 2 a 18 GHz; las muestras se colocaron a 300 mm de distancia de la antena. Se realizaron mediciones adicionales con un sistema de 'bocina enfocada' de mesa (equipo hecho a medida en QinetiQ Ltd) conectado al mismo VNA de 2 puertos con espejos colimadores diseñados para recolectar la mayor cantidad de radiación posible (iluminando aproximadamente una apertura de 300 mm de diámetro). Las muestras se colocaron en el foco del haz: en la Fig. 2b se muestra un esquema. La respuesta de reflexión en incidencia casi normal, para varios ángulos azimutales (\(\phi\)) (con 0° correspondiente al plano de incidencia paralelo a un vector reticular primitivo, como se muestra en la Fig. 1a), se caracterizó durante un rango de frecuencia de 5,85 GHz a 18 GHz. Este rango de frecuencia se logró mediante el uso de una serie de antenas de bocina con bandas (Flann Microwave Ltd). La serie de bocinas con bandas utilizadas tenía los siguientes rangos de frecuencia: 5,4 GHz a 8,2 GHz (WG14), 8,2 GHz a 12,4 GHz (WG16) y 12,4 GHz a 18 GHz (WG18).

Esquemas de las diversas técnicas de medición utilizadas en la obra. (a) Las mediciones de incidencia normales, utilizando una antena de bocina de banda ancha (2–18 GHz). (b) Iluminación de área grande, utilizando una configuración de mesa personalizada de QinetiQ Ltd para la caracterización del ángulo azimutal (5,4–18 GHz). (c) Un arco del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) utilizado para mediciones de reflectividad especular para la caracterización del ángulo de elevación (2–20 GHz). Los detalles de las técnicas de medición se dan en la sección Materiales y métodos.

La reflectividad especular también se midió en función del ángulo de elevación (\(\theta\)) (con incidencia normal definida como 0°) entre 7,5° y 65° desde lo normal (en pasos de 5°) para la radiación polarizada TM y TE. , utilizando un arco 22 del Laboratorio de Investigación Naval (NRL), que se muestra en la Fig. 2c. El arco NRL consta de dos antenas de bocina de microondas de banda ancha, que pueden moverse de forma independiente alrededor de la circunferencia del arco para permitir la caracterización completa de la reflectividad especular de la muestra. Este sistema de arco de antena se coloca dentro de una cámara anecoica y utiliza antenas con un rango de frecuencia de 2 GHz a 20 GHz.

Inicialmente se investigaron las tres estructuras de anclaje individuales, seguidas por la estructura que combinaba las tres geometrías. La Figura 3a muestra la reflectividad modelada de incidencia normal (COMSOL Multiphysics) para los anclajes hexagonales (curva roja), anclajes cuadrados (curva negra) y anclajes triangulares (curva azul), prediciendo que las frecuencias de resonancia fundamentales para cada diseño son 4,5 GHz, 6,3 GHz. y 10,5 GHz, respectivamente. La respuesta modelada de la metasuperficie de geometría combinada se muestra en la Fig. 3b. Cuando los tres polígonos de anclaje están presentes, las frecuencias de resonancia modeladas se reducen a 4,1 GHz (hexagonal), 6,1 GHz (cuadrado) y 10,1 GHz (triangular): se espera que esta reducción surja debido a las interacciones entre los polígonos. Debido a la simetría de los anclajes y la celda unitaria, las frecuencias de resonancia son independientes del ángulo azimutal. Los campos E en la superficie de la metasuperficie se muestran en el video complementario 1, en función de la frecuencia. Además de los campos E, también se investigaron las corrientes superficiales en la superficie modelada. Las corrientes superficiales normalizadas se muestran en la Fig. 2b para cada geometría de anclaje en resonancia.

Se modeló la reflexión de incidencia normal para (a) las tres estructuras de anclaje poligonales independientes (hexagonal: roja; cuadrada: negra; y azul: triangular), con un ángulo acimutal de 0° y (b) la metasuperficie combinada. Los recuadros muestran el ancla resonante investigada, con un ángulo acimutal de 0°. Las corrientes superficiales normalizadas se muestran en resonancia para cada ancla. (c) La respuesta de reflexión experimental para los tres anclajes poligonales regulares en función de la frecuencia (hexagonal—rojo, cuadrado—negro, triangular—azul), en un ángulo azimutal de 0°. (d) La respuesta de reflexión experimental para la metasuperficie combinada, para ángulos azimutales de 0 ° (rojo) y 30 ° (azul). El recuadro muestra la orientación de la metasuperficie en relación con la onda electromagnética incidente.

La Figura 3c muestra la respuesta de reflexión de incidencia normal medida experimentalmente de las tres muestras de tipo ancla de forma independiente, utilizando la antena de banda ancha colocada a 300 mm de distancia de la muestra. El ancla hexagonal (curva roja) tiene una resonancia fundamental a 4,32 GHz, con dos modos adicionales de orden superior a 13,28 GHz y 16,30 GHz. La resonancia fundamental del ancla cuadrada (curva negra) se produce a 6,32 GHz con un modo adicional a 15,40 GHz, mientras que el ancla triangular tiene una resonancia fundamental a 10,41 GHz. Las mediciones de incidencia normal muestran buena concordancia con los modelos COMSOL; los ligeros cambios en la frecuencia de resonancia pueden atribuirse a: pequeñas variaciones de fabricación; incertidumbre en las propiedades dieléctricas tanto de la fina lámina de polímero sobre la que se imprimen los anclajes como del FR4; y la presencia del material de adhesión (es decir, lubricante seco a base de PTFE). Las discrepancias entre la fuerza de acoplamiento y el ancho de línea de los modos pueden deberse a variaciones en la pérdida dieléctrica de FR4 entre el modelado y el material experimental, así como a que la capa de cobre de espesor finito se modela como un conductor eléctrico perfecto infinitamente delgado. Los efectos de un cambio en la amortiguación no radiativa de una resonancia sobre la fuerza de acoplamiento y el ancho de línea de una resonancia se comprenden bien34,35, y las diferencias entre nuestro modelo y los datos experimentales se correlacionan con una subestimación de tales pérdidas dentro de nuestros modelos.

La Figura 3d muestra la respuesta de reflexión para ángulos azimutales de 0 ° y 30 °, definidos como se muestra en la Fig. 1a y la Fig. 3d (recuadro) de la metasuperficie que combina las tres estructuras, con un recuadro que muestra la orientación relativa. La respuesta es relativamente independiente del ángulo azimutal, como se esperaba de las reflectividades modeladas que se muestran en la Fig. 3b, y los tres modos fundamentales (mostrados a 4,09 GHz, 6,10 GHz y 10,18 GHz) no se ven afectados por la orientación de la onda incidente, así como por la primer modo de orden superior (13,42 GHz). De manera similar a lo que se muestra en la Fig. 3a, b, hay un cambio de frecuencia hacia abajo cuando los tres polígonos de anclaje están presentes en una celda unitaria. Además, en la estructura combinada, dos de los modos de orden superior (anteriormente en 15,40 GHz y 16,30 GHz) se han superpuesto para crear una única característica en 15,5 GHz. Se espera que esto se deba a la interacción entre diferentes anclajes resonantes en estas frecuencias.

Para investigar más a fondo la dependencia del ángulo azimutal de la metasuperficie, se utilizó la configuración de bocina enfocada descrita en la sección Métodos para medir la reflectividad de incidencia casi normal de la metasuperficie combinada para ángulos azimutales entre 0° y 30° (en pasos de 5°). tenga en cuenta que, debido a la simetría del diseño, para ángulos azimutales superiores a 30° la respuesta se repite. Este sistema de medición fue optimizado para un rango de frecuencia de 5,4 a 18 GHz y, por lo tanto, el modo fundamental del ancla hexagonal no está presente (estando a 4,09 Hz). Sin embargo, los datos complementarios que se muestran en la Fig. 3 verifican el modo de 4,1 GHz. La Figura 4 muestra las reflectividades modeladas y medidas, siendo todos los modos excepcionalmente independientes del ángulo azimutal, lo que confirma los resultados que se muestran en la Fig. 3d.

La respuesta de reflexión de la metasuperficie combinada en función de la frecuencia para ángulos azimutales entre 0° y 30°, en pasos de 5°. (a) Muestra la respuesta modelada COMSOL y (b) muestra la respuesta experimental.

Finalmente, investigamos la respuesta de reflectividad de nuestro absorbente de metasuperficie en función del ángulo de incidencia de elevación. La respuesta de reflectividad tanto modelada como medida (utilizando el arco NRL descrito en la sección Materiales y métodos) se muestra en la Fig. 5 para ángulos de elevación entre 7,5 ° y 60 °, para polarizaciones TE y TM en un ángulo azimutal de 30 °. Los resultados muestran que los modos fundamentales de cada diseño de resonador son notablemente independientes del ángulo de elevación en el rango modelado. Esto indica que son modos altamente localizados, con poco acoplamiento entre los resonadores (de hecho, similar a 7, los campos resonantemente mejorados de los modos están localizados dentro del espaciador dieléctrico entre los diseños de cobre superiores y el plano de tierra). Sin embargo, para ambas polarizaciones existe una clara ramificación del modo de 10 GHz para ángulos superiores a 20°. Esto se debe al inicio de la difracción, que ocurre en estructuras periódicas cuando el tamaño de la celda unitaria es mayor que la mitad de la longitud de onda22. Las líneas de puntos rojas muestran los bordes de difracción predichos (a partir de la teoría de la difracción simple), que corresponden a las frecuencias por encima de las cuales la aparición de órdenes difractadas da como resultado canales de pérdida radiativa adicionales. Estos órdenes difractados no sólo permiten que la radiación se pierda fuera de la dirección especular, sino que también tienen un impacto significativo en la dispersión de las resonancias de orden superior soportadas por la metasuperficie. Mientras que los resonadores individuales soportarían modos localizados de orden superior de manera similar a los modos fundamentales, los resonadores ahora pueden acoplarse entre sí mediante órdenes difractadas rasantes, formando las llamadas "resonancias reticulares" dispersivas36. Como tal, el uso eficaz de este diseño de absorbente multibanda se limita a frecuencias por debajo de las cuales la estructura no difracta.

Respuesta de reflexión modelada para la metasuperficie combinada en función de la frecuencia para ángulos de elevación entre 7,5 ° y 60 ° (en pasos de 2,5 °) en un ángulo azimutal de 30 ° para (a) polarización TE y (b) polarización TM. Las respuestas correspondientes medidas experimentalmente se muestran (en pasos de 5°) en (c) y (d).

Para explorar más a fondo la potencia total del sistema, se ha generado la respuesta de absorción de la metasuperficie. La absorción se define como: \(Absorción = 1 - Reflexión - pérdidas del canal radiativo\). La potencia total que falta en las respuestas de reflexión en la Fig. 5 incluye la perteneciente tanto a los órdenes difractados como a la radiación convertida por polarización: los canales radiativos. Utilizando esta información, la Fig. 6 muestra la respuesta de absorción modelada para la metasuperficie en función de la frecuencia para ángulos de elevación entre 7,5 ° y 60 ° en un ángulo azimutal de 30 ° con polarización TE y TM. En comparación con la respuesta de reflexión especular de la Fig. 5, los tres modos principales muestran una fuerte absorción; sin embargo, los modos de orden superior, como se esperaba, muestran una absorción reducida para la polarización TM (Fig. 6b) debido a la presencia de potencia perdida en los canales radiativos. La radiación convertida por polarización se muestra en las figuras 6c y d. Se produce una conversión de polarización de nivel relativamente bajo dentro de la metasuperficie; sin embargo, no hay un efecto significativo en la respuesta de absorción.

Respuesta de absorción modelada para la metasuperficie combinada en función de la frecuencia para ángulos de elevación entre 7,5 ° y 60 ° (en pasos de 2,5 °) en un ángulo azimutal de 30 ° para (a) polarización TE y (b) polarización TM. También se muestra: la radiación convertida por polarización correspondiente para ambas polarizaciones (c) TE-a-TM y (d) TM-to-TE.

Una metasuperficie también se puede caracterizar calculando la impedancia superficial efectiva, \({{\varvec{Z}}}_{{\varvec{i}}}\). Esta cantidad se puede evaluar usando

donde S11 es la reflexión compleja y \({{\varvec{Z}}}_{0}\) es la impedancia del espacio libre (\({{\varvec{Z}}}_{0}\approx 377\ ) Ω). La Figura 7 muestra la impedancia superficial efectiva en función de la frecuencia, calculada con incidencia normal para la metasuperficie. Los datos muestran componentes reales e imaginarios de la impedancia superficial efectiva, así como la reflexión modelada como referencia. La impedancia superficial efectiva se puede expresar en términos de parámetros efectivos del circuito,\({{\varvec{Z}}}_{{\varvec{s}}} = {{\varvec{R}}}_{{\varvec {s}}} + {\varvec{i}}{{\varvec{X}}}_{{\varvec{s}}}\) donde \({{\varvec{R}}}_{{\ varvec{s}}}\) es la resistencia y \({{\varvec{X}}}_{{\varvec{s}}}\) es la reactancia. Aquí, la resistencia representa las pérdidas superficiales y la reactancia tiene en cuenta la energía almacenada.

La impedancia de superficie efectiva en función de la frecuencia en incidencia normal en un ángulo azimutal de 30° para polarización TE. Calculado utilizando el complejo S11 con corrección de fase de COMSOL Multiphysics. Se muestran el componente real (azul sólido) y el componente imaginario (azul discontinuo), así como la reflexión modelada como referencia.

En este trabajo, se ha diseñado y validado experimentalmente un absorbente de metasuperficie de RF resonante multibanda. El diseño de la metasuperficie consta de conjuntos muy compactos de resonadores basados en anclajes de cobre formados por elementos hexagonales, cuadrados y triangulares espaciados sobre un plano de tierra. Cada uno de los tres elementos admite una familia de modos, pero aquí fueron diseñados de manera que sus resonancias fundamentales ocurrieran aproximadamente a 4, 6 y 10 GHz, respectivamente. Dado que los modos fundamentales de cada elemento están altamente localizados, son excepcionalmente no dispersivos en función tanto del ángulo azimutal como del de elevación. También estaban presentes modos de orden superior de los resonadores; sin embargo, estos se vuelven dispersivos con el ángulo de elevación debido al inicio de la difracción.

Esta investigación es prometedora para el diseño de metasuperficies personalizadas con respuestas independientes del ángulo que podrían usarse para controlar el entorno electromagnético cada vez más desordenado. Aquí, hemos diseñado una superficie absorbente con tres diseños de resonadores, pero tenga en cuenta que teselaciones similares con más/menos resonadores por unidad de celda podrían dar como resultado diseños de metasuperficie con más/menos bandas de absorción utilizando los mismos principios de diseño. Las aplicaciones incluyen la gestión de señales de RF competitivas (por ejemplo, GPS, WiFi, RFID, GSM) en edificios, así como aplicaciones potencialmente más especializadas, como envases novedosos para el calentamiento selectivo de alimentos por microondas (posibilitado por la reciente disponibilidad comercial de fuentes de microondas de estado sólido). para la preparación de alimentos). Para aplicaciones en la preparación de alimentos, las frecuencias de interés suelen ser 0,9 GHz, 2,45 GHz y 5,8 GHz. Con una resintonización de las frecuencias resonantes, la metasuperficie propuesta en este trabajo podría ser útil para el acoplamiento selectivo para mejorar la eficiencia de la preparación de alimentos (por ejemplo, cocinar alimentos crujientes mediante calentamiento local). Debido a esto, el trabajo futuro en este tipo de metasuperficies podría estudiarlas sin planos de tierra, creando efectos de dispersión de frecuencia específica que controlarán el calentamiento de una variedad de cargas dieléctricas. Al hacer esto, se podría controlar el acoplamiento en el material dieléctrico (por ejemplo, materiales alimentarios) a varias frecuencias de resonancia discretas.

Las estructuras se fabricaron a partir de un polímero PET recubierto de cobre, liviano y disponible comercialmente (espesor 50 μm). El espesor del polímero se eligió para facilitar la impresión. Los diseños se optimizaron utilizando COMSOL Multiphysics antes de exportar las geometrías/patrones a un archivo CAD. Se utilizó una impresora XeroX ColorQube 9301 PS para imprimir los patrones diseñados, utilizando tinta sobre el polímero PET recubierto de cobre con un área de 280 × 410 mm (aproximadamente tamaño de papel A3 del Reino Unido). Una vez que se imprimieron los patrones deseados en el polímero PET, el cobre expuesto (donde no estaba presente la tinta) se eliminó en un baño de grabado con cloruro férrico. Este método da como resultado una superficie con patrón metálico confiable de alta resolución. Posteriormente, esta capa se colocó, con el lado de cobre hacia abajo, sobre un sustrato FR4 con soporte metálico (280 × 410 mm con un espesor de 1,6 mm). Se usó un lubricante seco a base de PTFE para adherir la capa de polímero al sustrato FR4; Se aplicó el lubricante seco y se exprimió con una pequeña cantidad de presión, eliminando cualquier exceso de material y creando un sello que fijó y estabilizó el desplazamiento vertical de las estructuras de anclaje. Se crearon cuatro muestras mediante este método: anclajes hexagonales, anclajes cuadrados, anclajes triangulares y una combinación de las tres estructuras basadas en anclajes.

Se utilizaron tres técnicas de medición para caracterizar el desempeño de las metasuperficies propuestas. Los parámetros de reflexión de incidencia normal de las estructuras se investigaron mediante el uso de una antena de bocina de banda ancha (Flann Microwave, DP240) conectada a un analizador de red vectorial de 2 puertos (Anritsu ShockLine™ Compact USB VNA MS46122A), permitiendo ambas polarizaciones lineales (magnética transversal). , TM, es decir, campo E en el plano de incidencia y Eléctrico Transverso, TE, es decir, campo E perpendicular al plano de incidencia) que se medirán simultáneamente. La antena proporcionaba un rango de frecuencia operativa de 2 GHz a 18 GHz. Para caracterizar mejor las metasuperficies, se utilizó un haz de área grande para iluminar un porcentaje mayor del área total de las muestras. Esto se llevó a cabo utilizando un sistema de 'bocina enfocada' de mesa (equipo hecho a medida en QinetiQ Ltd) conectado al mismo VNA de 2 puertos, con espejos colimadores diseñados para recolectar la mayor cantidad de radiación posible (iluminando aproximadamente una apertura de 300 mm de diámetro). Se colocaron muestras en el plano focal del espejo y se caracterizó la respuesta de reflexión en incidencia casi normal (para varios ángulos azimutales) en un rango de frecuencia de 5,85 GHz a 18 GHz. Este rango de frecuencia se logró mediante el uso de una serie de antenas de bocina con bandas (Flann Microwave Ltd). La serie de bocinas con bandas utilizadas exhibió los siguientes rangos de frecuencia: 5,4 GHz a 8,2 GHz (WG14), 8,2 GHz a 12,4 GHz (WG16) y 12,4 GHz a 18 GHz (WG18).

La reflectividad especular también se midió en función del ángulo de elevación (con una incidencia normal definida como 0°) para la radiación polarizada TM y TE, utilizando un arco del Laboratorio de Investigación Naval (NRL)22. El arco NRL consta de dos antenas de bocina de microondas de banda ancha, que pueden moverse de forma independiente alrededor de la circunferencia del arco para permitir la caracterización completa de la reflectividad especular de la muestra. Este sistema de arco de antena se coloca dentro de una cámara anecoica y utiliza antenas con un rango de frecuencia de 2 a 20 GHz.

Los datos de la investigación que respaldan esta publicación están disponibles de forma abierta en el repositorio institucional de la Universidad de Exeter en: https://doi.org/10.24378/exe.4504.

Watts, CM, Liu, X. & Padilla, WJ Absorbedores de ondas electromagnéticas metamateriales. Adv. Madre. 24(23), 98-120 (2012).

Google Académico

Kong, LB y cols. Avances recientes en algunos materiales compuestos y estructuras para aplicaciones electromagnéticas específicas. En t. Madre. Rev. 58(4), 203–259 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Munk, BA Superficies selectivas de frecuencia: teoría y diseño (Wiley, 2000).

Reservar Google Académico

Tittl, A. y col. Absorbedor perfecto plasmónico a base de paladio en el rango de longitud de onda visible y su aplicación a la detección de hidrógeno. Nano Lett. 11(10), 4366–4369 (2011).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Bauer, C. y Giessen, H. Mejora de la captación de luz en células solares con estructuras plasmónicas cuasicristalinas. Optar. Expreso 21 (103), A363 – A371 (2013).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Abdullah, S., Xiao, G. y Amaya, RE Una revisión de la historia y la literatura actual de los metamateriales y sus aplicaciones a antenas y dispositivos de identificación por radiofrecuencia (RFID). IEEE J. Identificador de radiofrecuencia. 5(4), 427–445 (2021).