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Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 3641 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Arbeit wird eine multiresonante Metaoberfläche untersucht, die so angepasst werden kann, dass sie Mikrowellen bei einer oder mehreren Frequenzen absorbiert. Es hat sich gezeigt, dass Oberflächenformen, die auf einem „Anker“-Motiv basieren und sechseckige, quadratische und dreieckige Resonanzelemente enthalten, leicht anpassbar sind, um einen gezielten Bereich von Mikrowellenreaktionen bereitzustellen. Eine Metaoberfläche, die aus einer geätzten Kupferschicht besteht, die über einer Grundebene durch ein dünnes (< 1/10 einer Wellenlänge) verlustarmes Dielektrikum beabstandet ist, wird experimentell charakterisiert. Die Grundresonanzen jedes Formelements liegen bei 4,1 GHz (dreieckig), 6,1 GHz (quadratisch) und 10,1 GHz (sechseckig) und bieten das Potenzial für Einzel- und Mehrfrequenzabsorption über einen Bereich, der für die Lebensmittelindustrie von Interesse ist . Reflexionsmessungen der Metaoberfläche zeigen, dass die drei grundlegenden Absorptionsmodi weitgehend unabhängig von der einfallenden Polarisation sowie sowohl vom Azimut- als auch vom Elevationswinkel sind.

Die Verwendung von Metamaterialien als Absorber für Radiofrequenzen (RF) war für viele Forscher von Interesse1,2,3,4,5,6. Die überwiegende Mehrheit der untersuchten Strukturen basiert auf der periodischen Anordnung von Elementarzellen mit vorgefertigten Abmessungen. Diese periodischen Metamaterialien (besser als „Metaoberflächen“ bezeichnet) haben ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen, darunter die Reduzierung des Radarquerschnitts (RCS)3, die Sensorik1,4 und das Design von Solarzellen1,5.

Eines der einfachsten Beispiele für einen solchen Absorber wird durch die Arbeit einiger aktueller Autoren aus dem Jahr 2004 veranschaulicht7. Bei ihrer Untersuchung erwies sich eine Struktur, die aus einer Reihe dünner Metallstreifen besteht, die durch einen dünnen dielektrischen Kern von einer Masseebene getrennt sind, als sehr effektiver Schmalbandabsorber. Die Resonanzfrequenzen der Struktur wurden einfach durch die Breite der Metallstreifen, ihren Abstand von der Grundebene, den Spalt zwischen den Streifen und sowohl die relative Permittivität als auch die Dicke des dielektrischen Kerns bestimmt. In den Experimenten zeigten sie eine starke Absorptionsbande bei etwa 7 GHz in einer Struktur mit einer Dicke von weniger als 400 μm (ca. 100-mal kleiner als die Wellenlänge).

In den Folgejahren wurden diese einfachen Absorber durch die Verwendung verschiedener periodischer Muster und Strukturen angepasst8,9,10,11,12. Ein Großteil der Arbeit konzentrierte sich auf das Hinzufügen zusätzlicher Resonanzen oder die Erweiterung der Bandbreite. Diese Ansätze umfassten die Verwendung von Mehrschichtstrukturen13, multiresonanten Elementarzellen14,15,16, fraktalen Geometrien17,18,19, nichtperiodischen Mustern20,21,22,23 und magnetischen Materialien24. Der Einsatz mehrschichtiger Strukturen bietet eine äußerst effektive Methode zur Verbreiterung der Absorptionsbandbreite. Die Verbreiterung der Moden geht jedoch mit einer Vergrößerung der Gesamtdicke des Absorbers einher, was für bestimmte Anwendungen unerwünscht sein kann. Mehrschichtige Metaoberflächen erfordern häufig auch eine präzise Ausrichtung der Schichten, was die Herstellung der Geräte komplexer macht. Ein anderer Ansatz zur Verbreiterung des Absorptionsbandes besteht darin, eine Elementarzelle mit mehreren Resonanzstrukturen zu schaffen, die in benachbarten – und möglicherweise überlappenden – Frequenzbändern arbeiten.

Kürzlich wurden mehrere Metaoberflächen mit eng beieinander liegenden Resonanzen vorgeschlagen25. Diese Strukturen sind für Anwendungen von Interesse, die möglicherweise eine selektive Kopplung an diskrete Resonanzmoden erfordern. Es wurde eine Reihe komplexer Strukturen vorgeschlagen, entweder als Metaoberflächenabsorber oder als frequenzselektive Oberflächen (FSS)26,27,28,29,30,31,32. Beim Entwurf einer Metaoberfläche sind für die meisten Anwendungen Polarisationskontrolle und Winkelstabilität Schlüsselmerkmale. Um diese Kriterien zu erfüllen, werden häufig hexagonale Strukturen untersucht, da sie das höchste Maß an zweidimensionaler Symmetrie bieten.

In diesem Artikel untersuchen wir, aufbauend auf der Idee eng getrennter Resonanzmodi, die Resonanzeigenschaften neuartiger ankerförmiger Muster mit drei lokalisierten Resonanzmodi. Die Muster befinden sich über einer Grundebene, die einfach mosaikiert werden kann, wodurch HF-absorbierende Strukturen entstehen, die denen von Referenz7 ähneln. Im Allgemeinen gibt es vier Grundtypen von Resonatorelementgruppen, die in3 klassifiziert wurden: N-Pole (Gruppe 1), gelappte Formen (Gruppe 2), feste Formen (Gruppe 3) und eine Kombination der anderen ( Gruppe-4). Die in dieser Arbeit untersuchten ankerförmigen Muster werden als Resonatoren der Gruppe 1 klassifiziert. Das Ziel dieser Forschung bestand darin, eine Metaoberfläche zu identifizieren, die mehrere winkelunabhängige, lokalisierte Resonanzen gleichzeitig unterstützt und so Mehrfrequenzfunktionen ermöglicht, jedoch die Möglichkeit bietet, ein oder mehrere Bänder durch geringfügige Musteränderungen mit minimaler Auswirkung auf die Leistung der verbleibenden Bänder zu deaktivieren .

Unter Verwendung von COMSOL Multiphysics mit dem RF-Modul, einem im Handel erhältlichen Finite-Elemente-Methodenlöser für elektromagnetische Strukturen, wurde ein Entwurfsprozess zur Optimierung der Mehrband-Resonanzabsorption über den gewünschten Frequenzbereich durchgeführt33. Mithilfe einer rhombischen Elementarzelle wurde eine sechseckige Anordnung modelliert, die den höchsten Grad an zweidimensionaler Symmetrie bietet und „ankerförmige“ Resonatorelemente mit drei verschiedenen regelmäßigen Polygonkonfigurationen (Sechsecke, Quadrate und Dreiecke) enthält. Ein Anker in jedem Polygon wird erstellt, indem jede Ecke mit der Mitte des Polygons verbunden und jede Seite in zwei Teile geteilt wird, wodurch eine Reihe pfeilartiger Strukturen entsteht (die Pfeilspitzen werden als Anker-„Flunken“ bezeichnet). Die Anzahl der Anker (Pfeilspitzen) entspricht der Anzahl der Seiten des Polygons. Durch die Kombination mehrerer Ankerstrukturen in einer einzelnen Elementarzelle entsteht eine multiresonante Metaoberfläche (Abb. 1a). Um die Berechnung zu vereinfachen, wurde die Struktur als eine unendlich dünne strukturierte Schicht eines perfekten elektrischen Leiters (PEC) auf einem dielektrischen Kern (1,6 mm dick) mit einer PEC-Grundebene modelliert. Das für den Kern verwendete dielektrische Material war FR4 (typische Permittivität von \(\varepsilon = 4,17 - 0,07i\)). Eine unendliche periodische Anordnung des Entwurfs wurde durch die Modellierung einer einzelnen Elementarzelle und die Verwendung periodischer Bloch-Floquet-Randbedingungen auf den Flächen der Elementarzelle nachgeahmt, während die integrierte „Ports“-Funktion von COMSOL zum Injizieren (Absorbieren) von Ebenen verwendet wurde Wellen in (aus) der Modellierungsdomäne und berechnen das Reflexionsvermögen der Oberfläche für einen Bereich von Einfallswinkeln.

(a) Elementarzelle aus dem COMSOL-Modell der tesselierten Metaoberfläche mit beschrifteten Schlüsselabmessungen. Ein 3D-Schema der Elementarzelle zeigt das dielektrische Material und die Erdungsebene. Fotos der hergestellten Metaoberflächen: (b) sechseckige Anker, (c) quadratische Anker, (d) dreieckige Anker und (e) eine Kombination aller drei ankerbasierten Strukturen. Beachten Sie, dass die Abmessungen jedes Elements in Abb. 1e mit denen in Abbildung (b–d) übereinstimmen.

Der Entwurfsprozess zielte darauf ab, eine Struktur zu erzeugen, die Strahlung bei drei Resonanzfrequenzen effizient absorbiert, die jeweils einem anderen Element der Oberflächenstruktur zugeordnet sind: etwa 4 GHz für die dreieckigen Elemente, 6 GHz für die quadratischen Elemente und 10 GHz für die sechseckigen Elemente Elemente. Die Moden wurden so konzipiert, dass sie innerhalb der Grenzen der Elementarzellengröße und des Messbereichs der Ausrüstung bei QinetiQ Ltd. gut verteilt waren. Die geometrischen Parameter, die die Resonanzfrequenz jedes Ankers bestimmen, sind: das Verhältnis zwischen den Einheiten Zellenlänge und Seitenlänge des Polygons (Größen unten aufgeführt); der kapazitive Spalt zwischen Ankerflunken (0,5 mm); und die Breite der Metallstreifen, die die Geometrie bilden (0,5 mm). Die verbleibenden Dimensionen, die die Elementarzelle definieren, sind die drei Dimensionen, die die Größe jeder Ankerstruktur bestimmen: \({R}_{\mathrm{Hex}}=\) 6,05 mm, \({R}_{\mathrm{ Sq}}=\) 4,13 mm und \({R}_{\mathrm{Tri}}=\) 1,58 mm, mit \({R}_{\mathrm{Zelle}}=\) 10 mm. Die Dicke des dielektrischen Substrats beträgt \({t}_{d}= 1,6\) mm und die Dicke des Kupfers, das die Geometrie bildet,\({t}_{c}= 35\) μm. Diese sind in Abb. 1a erläutert. Beachten Sie, dass die einzelnen Resonanzen durch Ändern der Seitenlängen einzelner Polygone angepasst werden können, ohne die Resonanzen aufgrund der anderen Polygone innerhalb der Grenzen der Größe der Elementarzelle stark zu beeinflussen. Die Modellierungsergebnisse werden zusammen mit den experimentellen Ergebnissen im folgenden Abschnitt ausführlicher besprochen.

Die Strukturen wurden aus leichtem, handelsüblichem kupferbeschichtetem PET-Polymer (Dicke 50 μm) hergestellt, auf das das gewünschte Design mit einem XeroX ColorQube 9301 PS-Drucker aufgedruckt wurde, bevor das freiliegende Kupfer in einem Ätzbad mit Eisenchlorid entfernt wurde. Diese Schicht wurde anschließend mit der Kupferoberfläche nach unten auf ein FR4-Substrat mit Metallrückseite gelegt. Zum Anhaften der Polymerschicht am FR4-Substrat wurde ein Trockenschmiermittel auf PTFE-Basis verwendet. Das Trockenschmiermittel wurde aufgetragen und mit leichtem Druck herausgedrückt, wodurch überschüssiges Material entfernt und eine Dichtung geschaffen wurde, die die vertikale Verschiebung der Ankerstrukturen festlegte und stabilisierte. Es wurden vier Proben hergestellt: drei bestehend aus einzelnen ankerbasierten Formen und eines, das alle Formen in einem einzigen Multiband-Absorber kombiniert. Die Gesamtgröße jeder Metaoberflächenprobe betrug ungefähr 280 × 410 mm – siehe Fotos in Abb. 1b-e.

Experimentell wurden die Normaleinfallsreflexionsparameter der Strukturen mithilfe einer Breitband-Hornantenne (Flann Microwave, DP240) untersucht, die an einen 2-Port-Vektornetzwerkanalysator (Anritsu ShockLine™ Compact USB VNA MS46122A) angeschlossen war – was beide linearen Polarisationen ermöglichte (Transverse Magnetic, TM, also E-Feld in der Einfallsebene und Transverse Electric, TE, also E-Feld senkrecht zur Einfallsebene) gleichzeitig gemessen werden (dargestellt in Abb. 2a). Die Antenne hatte einen Betriebsfrequenzbereich von 2–18 GHz; Die Proben wurden 300 mm von der Antenne entfernt platziert. Zusätzliche Messungen wurden mit einem Tischsystem mit „fokussiertem Horn“ (maßgeschneiderte Ausrüstung bei QinetiQ Ltd) durchgeführt, das an denselben 2-Port-VNA mit Kollimationsspiegeln angeschlossen war, die so viel Strahlung wie möglich sammeln sollten (und eine Apertur mit einem Durchmesser von etwa 300 mm ausleuchteten). Die Proben wurden im Strahlfokus platziert: Eine schematische Darstellung ist in Abb. 2b dargestellt. Die Reflexionsreaktion bei nahezu normalem Einfall – für verschiedene Azimutwinkel (\(\phi\)) (wobei 0° der Einfallsebene entspricht, die parallel zu einem primitiven Gittervektor verläuft, wie in Abb. 1a gezeigt) – wurde über charakterisiert einen Frequenzbereich von 5,85 GHz bis 18 GHz. Dieser Frequenzbereich wurde durch den Einsatz einer Reihe von Hornantennen mit Bändern (Flann Microwave Ltd) erreicht. Die verwendeten Bänderhörner hatten die folgenden Frequenzbereiche: 5,4 GHz bis 8,2 GHz (WG14), 8,2 GHz bis 12,4 GHz (WG16) und 12,4 GHz bis 18 GHz (WG18).

Schematische Darstellung der verschiedenen in der Arbeit verwendeten Messtechniken. (a) Die Normaleinfallsmessungen mit einer Breitband-Hornantenne (2–18 GHz). (b) Großflächige Beleuchtung unter Verwendung eines maßgeschneiderten Tischaufbaus von QinetiQ Ltd zur Azimutwinkelcharakterisierung (5,4–18 GHz). (c) Ein Bogen des Naval Research Laboratory (NRL), der für Spiegelreflexionsmessungen zur Charakterisierung des Höhenwinkels (2–20 GHz) verwendet wird. Einzelheiten zu den Messtechniken finden Sie im Abschnitt Materialien und Methoden.

Das Spiegelreflexionsvermögen wurde auch als Funktion des Höhenwinkels (\(\theta\)) (mit normalem Einfall definiert als 0°) zwischen 7,5° und 65° von der Normalen (in 5°-Schritten) sowohl für TM- als auch TE-polarisierte Strahlung gemessen , unter Verwendung eines Bogens 22 des Naval Research Laboratory (NRL), dargestellt in Abb. 2c. Der NRL-Bogen besteht aus zwei Breitband-Mikrowellen-Hornantennen, die sich unabhängig voneinander um den Bogenumfang bewegen können, um eine vollständige Charakterisierung des Spiegelreflexionsvermögens der Probe zu ermöglichen. Dieses Antennenbogensystem ist in einem reflexionsarmen Raum platziert und verwendet Antennen mit einem Frequenzbereich von 2 GHz bis 20 GHz.

Zunächst wurden die drei einzelnen Ankerstrukturen untersucht, gefolgt von der Struktur, die alle drei Geometrien vereinte. Abbildung 3a zeigt das durch Normaleinfall modellierte (COMSOL Multiphysics) Reflexionsvermögen für die sechseckigen Anker (rote Kurve), die quadratischen Anker (schwarze Kurve) und die dreieckigen Anker (blaue Kurve) und sagt voraus, dass die Grundresonanzfrequenzen für jedes Design 4,5 GHz und 6,3 GHz betragen bzw. 10,5 GHz. Die modellierte Reaktion der kombinierten Geometrie-Metaoberfläche ist in Abb. 3b dargestellt. Wenn alle drei Ankerpolygone vorhanden sind, verringern sich die modellierten Resonanzfrequenzen auf 4,1 GHz (sechseckig), 6,1 GHz (quadratisch) und 10,1 GHz (dreieckig): Es wird erwartet, dass diese Verringerung aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Polygonen auftritt. Aufgrund der Symmetrie der Anker und der Elementarzelle sind die Resonanzfrequenzen unabhängig vom Azimutwinkel. Die E-Felder an der Oberfläche der Metaoberfläche werden im Zusatzvideo 1 als Funktion der Frequenz dargestellt. Zusätzlich zu den E-Feldern wurden auch die Oberflächenströme auf der strukturierten Oberfläche untersucht. Die normalisierten Oberflächenströme sind in Abb. 2b für jede Ankergeometrie bei Resonanz dargestellt.

Modellierte Normaleinfallsreflexion für (a) die drei unabhängigen Polygon-Ankerstrukturen (sechseckig – rot, quadratisch – schwarz und blau – dreieckig) mit einem Azimutwinkel von 0° und (b) die kombinierte Metaoberfläche. Einschübe zeigen den untersuchten Resonanzanker mit einem Azimutwinkel von 0°. Die normalisierten Oberflächenströme werden für jeden Anker in Resonanz dargestellt. (c) Die experimentelle Reflexionsreaktion für die drei regulären Polygonanker als Funktion der Frequenz (sechseckig – rot, quadratisch – schwarz, dreieckig – blau) bei einem Azimutwinkel von 0°. (d) Die experimentelle Reflexionsreaktion für die kombinierte Metaoberfläche für Azimutwinkel von 0° (rot) und 30° (blau). Der Einschub zeigt die Ausrichtung der Metaoberfläche relativ zur einfallenden elektromagnetischen Welle.

Abbildung 3c zeigt die experimentell gemessene Reflexionsreaktion bei normalem Einfall der drei Proben vom Ankertyp unabhängig voneinander – unter Verwendung der Breitbandantenne, die 300 mm von der Probe entfernt angebracht ist. Der sechseckige Anker (rote Kurve) hat eine Grundresonanz bei 4,32 GHz, mit zwei zusätzlichen Moden höherer Ordnung bei 13,28 GHz und 16,30 GHz. Die Grundresonanz des quadratischen Ankers (schwarze Kurve) liegt bei 6,32 GHz mit einer zusätzlichen Mode bei 15,40 GHz, während der dreieckige Anker eine Grundresonanz bei 10,41 GHz aufweist. Die normalen Inzidenzmessungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den COMSOL-Modellen; Die leichten Verschiebungen der Resonanzfrequenz können auf Folgendes zurückgeführt werden: kleine Fertigungsabweichungen; Unsicherheit hinsichtlich der dielektrischen Eigenschaften sowohl der dünnen Polymerfolie, auf die die Anker gedruckt sind, als auch des FR4; und das Vorhandensein des Haftmaterials (z. B. Trockenschmiermittel auf PTFE-Basis). Diskrepanzen zwischen der Kopplungsstärke und der Linienbreite der Moden können auf Schwankungen im dielektrischen Verlust von FR4 zwischen dem Modell- und dem Versuchsmaterial zurückzuführen sein, sowie darauf, dass die Kupferschicht endlicher Dicke als unendlich dünner perfekter elektrischer Leiter modelliert wird. Die Auswirkungen einer Änderung der nichtstrahlenden Dämpfung einer Resonanz auf die Kopplungsstärke und Linienbreite einer Resonanz sind gut verstanden34,35, und die Unterschiede zwischen unserem Modell und experimentellen Daten korrelieren mit einer Unterschätzung solcher Verluste in unseren Modellen.

Abbildung 3d zeigt die Reflexionsreaktion für Azimutwinkel von 0° und 30°, definiert wie in Abb. 1a und Abb. 3d (Einschub) der Metaoberfläche, die alle drei Strukturen kombiniert, wobei ein Einschub die relative Ausrichtung zeigt. Die Reaktion ist relativ unabhängig vom Azimutwinkel, wie aus den in Abb. 3b gezeigten modellierten Reflektivitäten zu erwarten ist, wobei die drei Grundmoden (gezeigt bei 4,09 GHz, 6,10 GHz und 10,18 GHz) von der Ausrichtung der einfallenden Welle sowie der erster Modus höherer Ordnung (13,42 GHz). Ähnlich wie in Abb. 3a, b gibt es eine Frequenzverschiebung nach unten, wenn alle drei Ankerpolygone in einer Elementarzelle vorhanden sind. Darüber hinaus haben sich in der kombinierten Struktur zwei der Modi höherer Ordnung – zuvor bei 15,40 GHz und 16,30 GHz – überlappt, um ein einziges Merkmal bei 15,5 GHz zu erzeugen. Es wird erwartet, dass dies auf die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Resonanzankern bei diesen Frequenzen zurückzuführen ist.

Um die Azimutwinkelabhängigkeit der Metaoberfläche weiter zu untersuchen, wurde der im Abschnitt „Methoden“ beschriebene fokussierte Hornaufbau verwendet, um das Reflexionsvermögen der kombinierten Metaoberfläche bei nahezu normalem Einfall für Azimutwinkel zwischen 0° und 30° (in 5°-Schritten) zu messen – Beachten Sie, dass sich die Reaktion aufgrund der Symmetrie des Designs bei Azimutwinkeln über 30° wiederholt. Dieses Messsystem wurde für einen Frequenzbereich von 5,4–18 GHz optimiert und daher ist die Grundmode des hexagonalen Ankers nicht vorhanden (bei 4,09 Hz). Die in Abb. 3 dargestellten ergänzenden Daten bestätigen jedoch den 4,1-GHz-Modus. Abbildung 4 zeigt die modellierten und gemessenen Reflektivitäten, wobei alle Modi außergewöhnlich unabhängig vom Azimutwinkel sind, was die in Abb. 3d gezeigten Ergebnisse bestätigt.

Die Reflexionsreaktion für die kombinierte Metaoberfläche als Funktion der Frequenz für Azimutwinkel zwischen 0° und 30°, in 5°-Schritten. (a) Zeigt die COMSOL-modellierte Reaktion und (b) zeigt die experimentelle Reaktion.

Schließlich untersuchten wir die Reflexionsreaktion unseres Metaoberflächenabsorbers als Funktion des Höheneinfallswinkels. Sowohl die modellierte als auch die gemessene (unter Verwendung des im Abschnitt „Materialien und Methoden“ beschriebenen NRL-Bogens) Reflexionsreaktion ist in Abb. 5 für Höhenwinkel zwischen 7,5° und 60° für TE- und TM-Polarisationen bei einem Azimutwinkel von 30° dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Grundmoden jedes Resonatordesigns über den modellierten Bereich hinweg bemerkenswert unabhängig vom Höhenwinkel sind. Dies weist darauf hin, dass es sich um stark lokalisierte Moden mit geringer Kopplung zwischen den Resonatoren handelt (ähnlich wie bei 7 sind die resonanzverstärkten Felder der Moden tatsächlich innerhalb des dielektrischen Abstandshalters zwischen den oberen Kupferdesigns und der Grundebene lokalisiert). Für beide Polarisationen gibt es jedoch eine deutliche Verzweigung des 10-GHz-Modus für Winkel größer als 20°. Dies ist auf das Einsetzen der Beugung zurückzuführen, die in periodischen Strukturen auftritt, wenn die Größe der Elementarzelle größer als die halbe Wellenlänge ist22. Die rot gestrichelten Linien zeigen die vorhergesagten Beugungskanten (aus der einfachen Beugungstheorie), die den Frequenzen entsprechen, oberhalb derer das Einsetzen gebeugter Ordnungen zu zusätzlichen Strahlungsverlustkanälen führt. Diese gebeugten Ordnungen ermöglichen nicht nur den Verlust von Strahlung aus der Spiegelrichtung, sie haben auch einen erheblichen Einfluss auf die Streuung der Resonanzen höherer Ordnung, die von der Metaoberfläche unterstützt werden. Während die einzelnen Resonatoren lokalisierte Moden höherer Ordnung auf ähnliche Weise wie die Grundmoden unterstützen würden, können die Resonatoren nun über streifende gebeugte Ordnungen miteinander gekoppelt werden, wodurch dispersive sogenannte „Gitterresonanzen“ entstehen36. Daher ist der effektive Einsatz dieses Multiband-Absorberdesigns auf Frequenzen beschränkt, unterhalb derer die Struktur nicht beugend ist.

Modellierte Reflexionsreaktion für die kombinierte Metaoberfläche als Funktion der Frequenz für Höhenwinkel zwischen 7,5° und 60° (in 2,5°-Schritten) bei einem Azimutwinkel von 30° für (a) TE-Polarisation und (b) TM-Polarisation. Die entsprechenden experimentell gemessenen Reaktionen sind (in 5°-Schritten) in (c) und (d) dargestellt.

Um die Gesamtleistung im System weiter zu untersuchen, wurde die Absorptionsreaktion der Metaoberfläche generiert. Die Absorption ist definiert als: \(Absorption = 1 – Reflexion – Strahlungskanalverluste\). Die Gesamtleistung, die in den Reflexionsantworten in Abb. 5 fehlt, umfasst sowohl die gebeugte Ordnung als auch die polarisationskonvertierte Strahlung: die Strahlungskanäle. Anhand dieser Informationen zeigt Abb. 6 die modellierte Absorptionsreaktion für die Metaoberfläche als Funktion der Frequenz für Höhenwinkel zwischen 7,5° und 60° bei einem Azimutwinkel von 30° sowohl TE- als auch TM-Polarisation. Im Vergleich zur Spiegelreflexionsreaktion in Abb. 5 zeigen die drei Hauptmoden eine starke Absorption; Allerdings zeigen die Moden höherer Ordnung – wie erwartet – eine verringerte Absorption für die TM-Polarisation (Abb. 6b), da in den Strahlungskanälen Energie verloren geht. Die polarisationskonvertierte Strahlung ist in Abb. 6c und d dargestellt. Innerhalb der Metaoberfläche findet eine Polarisationsumwandlung auf relativ geringem Niveau statt, es gibt jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die Absorptionsreaktion.

Modellierte Absorptionsreaktion für die kombinierte Metaoberfläche als Funktion der Frequenz für Höhenwinkel zwischen 7,5° und 60° (in 2,5°-Schritten) bei einem Azimutwinkel von 30° für (a) TE-Polarisation und (b) TM-Polarisation. Außerdem gezeigt: die entsprechende polarisationskonvertierte Strahlung für beide Polarisationen (c) TE-zu-TM und (d) TM-zu-TE.

Eine Metaoberfläche kann auch durch Berechnung der effektiven Oberflächenimpedanz \({{\varvec{Z}}}_{{\varvec{i}}}\) charakterisiert werden. Diese Menge kann mit ausgewertet werden

wobei S11 die komplexe Reflexion und \({{\varvec{Z}}}_{0}\) die Impedanz des freien Raums ist (\({{\varvec{Z}}}_{0}\ approx 377\ ) Ω). Abbildung 7 zeigt die effektive Oberflächenimpedanz als Funktion der Frequenz, berechnet bei normalem Einfall für die Metaoberfläche. Die Daten zeigen sowohl Real- als auch Imaginärkomponenten der effektiven Oberflächenimpedanz sowie die modellierte Reflexion als Referenz. Die effektive Oberflächenimpedanz kann als effektive Schaltungsparameter ausgedrückt werden,\({{\varvec{Z}}}_{{\varvec{s}}} = {{\varvec{R}}}_{{\varvec {s}}} + {\varvec{i}}{{\varvec{X}}}_{{\varvec{s}}}\) wobei \({{\varvec{R}}}_{{\ varvec{s}}}\) ist der Widerstand und \({{\varvec{X}}}_{{\varvec{s}}}\) ist die Reaktanz. Dabei stellt der Widerstand die Oberflächenverluste dar und die Reaktanz berücksichtigt die gespeicherte Energie.

Die effektive Oberflächenimpedanz als Funktion der Frequenz bei senkrechtem Einfall und einem Azimutwinkel von 30° für TE-Polarisation. Berechnet mit dem phasenkorrigierten Komplex S11 von COMSOL Multiphysics. Dargestellt sind die Realkomponente (durchgezogenes Blau) und die Imaginärkomponente (gestricheltes Blau) sowie eine modellierte Reflexion als Referenz.

In dieser Arbeit wurde ein Multiband-Resonanz-HF-Metaoberflächenabsorber entworfen und experimentell validiert. Das Metaoberflächendesign besteht aus dicht gepackten Anordnungen von Resonatoren auf Kupferankerbasis, die aus sechseckigen, quadratischen und dreieckigen Elementen gebildet werden, die über einer Grundebene beabstandet sind. Die drei Elemente unterstützen jeweils eine Familie von Moden, aber hier wurden sie so entworfen, dass ihre Grundresonanzen bei etwa 4, 6 bzw. 10 GHz auftraten. Da die Grundmoden jedes Elements stark lokalisiert sind, sind sie als Funktion sowohl des Azimut- als auch des Elevationswinkels außergewöhnlich nicht dispersiv. Es waren auch Moden höherer Ordnung der Resonatoren vorhanden; Diese werden jedoch aufgrund der einsetzenden Beugung mit zunehmendem Höhenwinkel dispersiv.

Diese Untersuchung zeigt, dass es vielversprechend ist, maßgeschneiderte Metaoberflächen mit winkelunabhängigen Reaktionen zu entwerfen, die zur Kontrolle der zunehmend unübersichtlichen elektromagnetischen Umgebung verwendet werden könnten. Hier haben wir eine absorbierende Oberfläche mit drei Resonatordesigns entworfen. Beachten Sie jedoch, dass ähnliche Tessellationen mit mehr/weniger Resonatoren pro Elementarzelle bei Verwendung derselben Designprinzipien zu Metaoberflächendesigns mit mehr/weniger Absorptionsbändern führen können. Zu den Anwendungen gehören die Verwaltung konkurrierender HF-Signale (z. B. GPS, WLAN, RFID, GSM) in Gebäuden sowie potenziell weitere Nischenanwendungen wie neuartige Verpackungen für die selektive Mikrowellenerwärmung von Lebensmitteln (ermöglicht durch die jüngste kommerzielle Verfügbarkeit von Festkörper-Mikrowellenquellen). zur Essenszubereitung). Für Anwendungen in der Lebensmittelzubereitung sind die Frequenzen von Interesse typischerweise 0,9 GHz, 2,45 GHz und 5,8 GHz. Durch eine Neuabstimmung der Resonanzfrequenzen könnte die in dieser Arbeit vorgeschlagene Metaoberfläche für die selektive Kopplung zur Verbesserung der Effizienz der Lebensmittelzubereitung (z. B. Knusprigen von Lebensmitteln durch lokale Erwärmung) nützlich sein. Aus diesem Grund könnten zukünftige Arbeiten an diesen Arten von Metaoberflächen diese ohne Erdungsebenen untersuchen und so frequenzspezifische Streueffekte erzeugen, die die Erwärmung verschiedener dielektrischer Ladungen steuern. Auf diese Weise könnte man die Einkopplung in das dielektrische Material – beispielsweise Lebensmittelmaterialien – bei verschiedenen diskreten Resonanzfrequenzen steuern.

Die Strukturen wurden aus leichtem, kommerziell erhältlichem kupferbeschichtetem PET-Polymer (Dicke 50 μm) hergestellt. Die Polymerdicke wurde im Hinblick auf eine einfache Bedruckbarkeit gewählt. Die Entwürfe wurden mit COMSOL Multiphysics optimiert, bevor die Geometrien/Muster in eine CAD-Datei exportiert wurden. Zum Drucken der entworfenen Muster wurde ein XeroX ColorQube 9301 PS-Drucker verwendet, wobei Tinte auf dem kupferbeschichteten PET-Polymer mit einer Fläche von 280 × 410 mm (ungefähr britisches A3-Papierformat) verwendet wurde. Sobald die gewünschten Muster auf das PET-Polymer gedruckt waren, wurde das freiliegende Kupfer – dort, wo die Tinte nicht vorhanden war – in einem Ätzbad mit Eisenchlorid entfernt. Diese Methode führt zu einer zuverlässigen hochauflösenden metallischen Musteroberfläche. Anschließend wurde diese Schicht mit der Kupferseite nach unten auf ein metallverstärktes FR4-Substrat (280 × 410 mm mit einer Dicke von 1,6 mm) gelegt. Zum Anhaften der Polymerschicht am FR4-Substrat wurde ein Trockenschmiermittel auf PTFE-Basis verwendet. Das Trockenschmiermittel wurde aufgetragen und mit leichtem Druck herausgedrückt, wodurch überschüssiges Material entfernt und eine Dichtung geschaffen wurde, die die vertikale Verschiebung der Ankerstrukturen festlegte und stabilisierte. Mit dieser Methode wurden vier Proben erstellt: sechseckige Anker, quadratische Anker, dreieckige Anker und eine Kombination aller drei ankerbasierten Strukturen.

Drei Messtechniken wurden verwendet, um die Leistung der vorgeschlagenen Metaoberflächen zu charakterisieren. Die Normaleinfallsreflexionsparameter der Strukturen wurden mithilfe einer Breitband-Hornantenne (Flann Microwave, DP240) untersucht, die an einen 2-Port-Vektornetzwerkanalysator (Anritsu ShockLine™ Compact USB VNA MS46122A) angeschlossen war, der beide linearen Polarisationen (Transverse Magnetic) ermöglichte , TM, also E-Feld in der Einfallsebene und Transverse Electric, TE, also E-Feld senkrecht zur Einfallsebene), gleichzeitig gemessen werden. Die Antenne bot einen Betriebsfrequenzbereich von 2 GHz bis 18 GHz. Um die Metaoberflächen weiter zu charakterisieren, wurde ein großflächiger Strahl verwendet, um einen höheren Prozentsatz der Gesamtfläche der Proben zu beleuchten. Dies wurde mithilfe eines Tischsystems mit „fokussiertem Horn“ (maßgeschneiderte Ausrüstung bei QinetiQ Ltd) durchgeführt, das an denselben 2-Port-VNA angeschlossen war und über Kollimationsspiegel verfügte, die so viel Strahlung wie möglich sammeln sollten (und eine Apertur mit einem Durchmesser von etwa 300 mm ausleuchteten). Proben wurden in der Brennebene des Spiegels platziert und die Reflexionsreaktion bei nahezu senkrechtem Einfall – für verschiedene Azimutwinkel – wurde über einen Frequenzbereich von 5,85 GHz bis 18 GHz charakterisiert. Dieser Frequenzbereich wurde durch den Einsatz einer Reihe von Hornantennen mit Bändern (Flann Microwave Ltd) erreicht. Die verwendeten Bänderhörner wiesen folgende Frequenzbereiche auf: 5,4 GHz bis 8,2 GHz (WG14), 8,2 GHz bis 12,4 GHz (WG16) und 12,4 GHz bis 18 GHz (WG18).

Das spiegelnde Reflexionsvermögen wurde auch als Funktion des Höhenwinkels (mit normalem Einfall definiert als 0°) sowohl für TM- als auch TE-polarisierte Strahlung unter Verwendung eines Naval Research Laboratory (NRL) arch22 gemessen. Der NRL-Bogen besteht aus zwei Breitband-Mikrowellen-Hornantennen, die sich unabhängig voneinander um den Bogenumfang bewegen können, um eine vollständige Charakterisierung des Spiegelreflexionsvermögens der Probe zu ermöglichen. Dieses Antennenbogensystem befindet sich in einem reflexionsarmen Raum und verwendet Antennen mit einem Frequenzbereich von 2–20 GHz.

Die dieser Veröffentlichung zugrunde liegenden Forschungsdaten sind im institutionellen Repository der University of Exeter unter https://doi.org/10.24378/exe.4504 offen verfügbar.

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Die Autoren möchten sich für die von PepsiCo bereitgestellten Mittel bedanken, die diese Arbeit ermöglicht haben. Die in diesem Bericht geäußerten Ansichten sind die der Autoren und stellen nicht unbedingt die politische Position von PepsiCo Inc. dar. Diese Arbeit wurde auch von der UK Engineering and Physical Sciences Research Council Prosperity Partnership, TEAM-A (EP/R004781/1) unterstützt ). Zum Zweck des offenen Zugangs hat der Autor auf jede entstandene vom Autor akzeptierte Manuskriptversion eine Creative Commons Attribution (CC BY)-Lizenz angewendet.

Fachbereich Physik und Astronomie, University of Exeter, Exeter, EX4 4QL, Devon, Großbritannien

Cameron P. Gallagher, Ian R. Hooper, J. Roy Sambles und Alastair P. Hibbins

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Joshua K. Hamilton und Christopher R. Lawrence

PepsiCo, Leicester, LE4 1ET, Großbritannien

John Bows

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CPG, JB und CRL konzipierten die Hauptidee des Projekts. JKH und IRH erstellten die Finite-Elemente-Modelle. JRS und APH beteiligten sich an der Diskussion der Ergebnisse und leiteten die Berechnungsarbeit. CPG stellte die gemessenen Proben her. JKH erstellte die experimentellen Daten und verfasste den Manuskriptentwurf. Alle Autoren gaben Kommentare ab und leisteten Hilfe bei der Erstellung der endgültigen Version des Manuskripts.

Korrespondenz mit Joshua K. Hamilton.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Gallagher, CP, Hamilton, JK, Hooper, IR et al. Multiresonante, mosaikartige, ankerbasierte Metaoberflächen. Sci Rep 13, 3641 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30386-5

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Eingegangen: 3. Juli 2022

Angenommen: 21. Februar 2023

Veröffentlicht: 04. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30386-5

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