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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3641 (2023) Citer cet article

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Dans ce travail, une métasurface multi-résonnante qui peut être adaptée pour absorber les micro-ondes à une ou plusieurs fréquences est explorée. Les formes de surface basées sur un motif « d'ancre », incorporant des éléments résonnants de forme hexagonale, carrée et triangulaire, se sont avérées facilement adaptables pour fournir une gamme ciblée de réponses micro-ondes. Une métasurface constituée d'une couche de cuivre gravée, espacée au-dessus d'un plan de masse par un mince diélectrique à faible perte (< 1/10e de longueur d'onde) est caractérisée expérimentalement. Les réso Les mesures de réflectivité de la métasurface démontrent que les trois modes d'absorption fondamentaux sont largement indépendants de la polarisation incidente ainsi que des angles d'azimut et d'élévation.

L'utilisation de métamatériaux comme absorbeurs de radiofréquences (RF) a intéressé de nombreux chercheurs1,2,3,4,5,6. La grande majorité des structures étudiées reposent sur l'agencement périodique de cellules unitaires aux dimensions prédéfinies. Ces métamatériaux périodiques (mieux appelés « métasurfaces ») ont un large éventail d'applications potentielles, y compris la réduction de la section efficace radar (RCS)3, la détection1,4 et la conception de cellules solaires1,5.

L'un des exemples les plus simples d'un tel absorbeur est illustré par les travaux de 2004 de certains des auteurs actuels7. Dans leur enquête, une structure constituée d'un réseau de fines bandes métalliques séparées d'un plan de masse par un noyau diélectrique mince s'est avérée être un absorbeur à bande étroite très efficace. Les fréquences de résonance de la structure étaient simplement déterminées par la largeur des bandes métalliques, leur séparation du plan de masse, l'espace entre les bandes et à la fois la permittivité relative et l'épaisseur du noyau diélectrique. Dans les expériences, ils ont démontré une forte bande d'absorption à environ 7 GHz dans une structure de moins de 400 μm d'épaisseur (environ 100 fois plus petite que la longueur d'onde).

Au cours des années suivantes, ces absorbeurs simples ont été adaptés en utilisant une gamme de modèles et de structures périodiques différents8,9,10,11,12. Une grande partie du travail s'est concentrée sur l'ajout de résonances supplémentaires ou l'élargissement de la bande passante. Ces approches comprenaient l'utilisation de structures multicouches13, de cellules unitaires multirésonnantes14,15,16, de géométries fractales17,18,19, de motifs non périodiques20,21,22,23 et de matériaux magnétiques24. L'utilisation de structures multicouches offre une méthode extrêmement efficace pour élargir la bande passante d'absorption. Cependant, l'élargissement des modes se fait au détriment d'une augmentation de l'épaisseur totale de l'absorbeur, ce qui peut être indésirable pour certaines applications. Les métasurfaces en couches nécessitent également souvent un alignement précis des couches, ce qui ajoute de la complexité à la fabrication des dispositifs. Une autre approche pour élargir la bande d'absorption consiste à créer une cellule unitaire avec plusieurs structures résonnantes qui fonctionnent sur des bandes de fréquences voisines - et peut-être se chevauchant.

Récemment, plusieurs métasurfaces avec des résonances rapprochées ont été proposées25. Ces structures sont intéressantes en raison d'applications qui peuvent nécessiter un couplage sélectif à des modes résonnants discrets. Une gamme de structures complexes a été proposée, soit comme absorbeurs de métasurface, soit comme surfaces sélectives en fréquence (FSS)26,27,28,29,30,31,32. Lors de la conception d'une métasurface, pour la majorité des applications, le contrôle de la polarisation et la stabilité angulaire sont des éléments clés. Pour satisfaire ces critères, les structures hexagonales sont souvent explorées, car elles offrent le plus haut niveau de symétrie bidimensionnelle.

Dans cet article, en nous appuyant sur l'idée de modes de résonance étroitement séparés, nous étudions les propriétés de résonance de nouveaux motifs en forme d'ancre avec trois modes de résonance localisés. Les motifs sont au-dessus d'un plan de masse qui peut être simplement pavage, créant des structures absorbant les RF semblables à celles de la référence7. En général, il existe quatre types de base de groupes d'éléments résonateurs qui ont été classés en 3 : pôles N (groupe 1), formes coupées (groupe 2), formes solides (groupe 3) et une combinaison des autres (groupe 4). Les modèles en forme d'ancre explorés dans ce travail sont classés comme résonateurs du groupe 1. Le but de cette recherche était d'identifier une métasurface qui prend en charge simultanément plusieurs résonances angulairement indépendantes et localisées, permettant une fonctionnalité multifréquence, mais avec la possibilité de désactiver une ou plusieurs bandes par des modifications mineures du motif avec un effet minimal sur les performances des bandes restantes.

Un processus de conception visant à optimiser l'absorption résonnante multibande sur la plage de fréquences souhaitée a été entrepris, en utilisant COMSOL Multiphysics avec le module RF, un solveur de méthode d'éléments finis disponible dans le commerce pour les structures électromagnétiques33. Un réseau hexagonal a été modélisé à l'aide d'une cellule unitaire rhombique, fournissant le plus haut niveau de symétrie bidimensionnelle, incorporant des éléments résonateurs en forme d'ancre avec trois configurations de polygones réguliers différentes (hexagones, carrés et triangles). Une ancre dans chaque polygone est créée en connectant chaque coin au centre du polygone et en divisant chaque côté en deux, créant un ensemble de structures en forme de flèche (les pointes de flèche sont appelées « douves » d'ancre). Le nombre d'ancres (pointes de flèches) est égal au nombre de côtés du polygone. En combinant plusieurs structures d'ancrage dans une seule cellule unitaire, une métasurface multi-résonnante est créée (Fig. 1a). Pour faciliter le calcul, la structure a été modélisée comme une couche de conducteur électrique parfait (PEC) à motif infiniment mince au-dessus d'un noyau diélectrique (1,6 mm d'épaisseur) avec un plan de masse PEC. Le matériau diélectrique utilisé pour le noyau était le FR4 (permittivité typique de \(\varepsilon = 4,17 - 0,07i\)). Un réseau périodique infini de la conception a été imité en modélisant une seule cellule unitaire et en utilisant des conditions aux limites périodiques de Bloch-Floquet sur les faces de la cellule unitaire, tandis que la fonction de « ports » intégrée de COMSOL a été utilisée pour injecter (absorber) des ondes planes dans (hors) du domaine de modélisation et calculer la réflectivité de la surface pour une gamme d'angles d'incidence.

( a ) Cellule unitaire du modèle COMSOL de la métasurface tessellée, avec les dimensions clés annotées. Un schéma 3D de la cellule unitaire montre le matériau diélectrique et le plan de masse. Photographies des métasurfaces fabriquées : (b) ancres hexagonales, (c) ancres carrées, (d) ancres triangulaires et (e) une combinaison des trois structures à base d'ancres. Notez que les dimensions de chaque élément de la Fig. 1e sont les mêmes que celles de la figure (b–d).

Le processus de conception visait à générer une structure qui absorberait efficacement le rayonnement à trois fréquences de résonance, chacune associée à un élément différent de la structure de surface : environ 4 GHz pour les éléments triangulaires, 6 GHz pour les éléments carrés et 10 GHz pour les éléments hexagonaux. Les modes ont été conçus de manière à être bien espacés dans la limite de la taille de la cellule unitaire, ainsi que de la plage de mesures de l'équipement de QinetiQ Ltd. Les paramètres géométriques qui déterminent la fréquence de résonance de chaque ancre sont : le rapport entre la longueur de la cellule unitaire et la longueur du côté du polygone (tailles indiquées ci-dessous) ; l'écart capacitif entre pattes d'ancrage (0,5 mm) ; et la largeur des bandes métalliques qui forment la géométrie (0,5 mm). Les dimensions restantes qui définissent la cellule unitaire sont les trois dimensions qui déterminent la taille de chaque structure d'ancrage: \ ({r} _ {\ mathrm {hex}} = \) 6.05 mm, \ ({r} _ {\ mathrm {sq}} = \) 4.13 mm et \ ({r} _ {\ mathé m, avec \ ({r} _ {\ mathrm {cell}} = \) 10 mm. L'épaisseur du substrat diélectrique est \({t}_{d}= 1,6\) mm, et l'épaisseur du cuivre formant la géométrie,\({t}_{c}= 35\) μm. Ceux-ci sont annotés sur la Fig. 1a. Notez que les résonances individuelles peuvent être ajustées en modifiant les longueurs latérales des polygones individuels sans affecter considérablement les résonances dues aux autres polygones, dans les limites de la taille de la cellule unitaire. Les résultats de la modélisation seront discutés plus en détail, ainsi que les résultats expérimentaux, dans la section suivante.

Les structures ont été fabriquées à l'aide d'un polymère PET revêtu de cuivre léger et disponible dans le commerce (épaisseur 50 μm), sur lequel était imprimé le motif requis à l'aide d'une imprimante XeroX ColorQube 9301 PS avant de retirer le cuivre exposé dans un bain de gravure avec du chlorure ferrique. Cette couche a ensuite été placée - côté surface de cuivre vers le bas - sur un substrat FR4 à support métallique. Un lubrifiant sec à base de PTFE a été utilisé pour faire adhérer la couche de polymère au substrat FR4 ; le lubrifiant sec a été appliqué et pressé avec une petite quantité de pression, éliminant tout excès de matériau et créant un joint qui fixe et stabilise le déplacement vertical des structures d'ancrage. Quatre échantillons ont été fabriqués : trois constitués des formes individuelles à base d'ancres et un combinant toutes les formes en un seul absorbeur multibande. La taille globale de chaque échantillon de métasurface était d'environ 280 × 410 mm - voir les photographies de la Fig. 1b-e.

Expérimentalement, les paramètres de réflexion d'incidence normale des structures ont été étudiés via l'utilisation d'une antenne cornet à large bande (Flann Microwave, DP240) connectée à un analyseur de réseau vectoriel à 2 ports (Anritsu ShockLine™ Compact USB VNA MS46122A) - permettant de mesurer simultanément les deux polarisations linéaires (Transverse Magnetic, TM, c'est-à-dire champ E dans le plan d'incidence et Transverse Electric, TE c'est-à-dire champ E perpendiculaire au plan d'incidence). a). L'antenne avait une gamme de fréquences de fonctionnement de 2 à 18 GHz; les échantillons ont été placés à 300 mm de l'antenne. Des mesures supplémentaires ont été effectuées avec un système de paillasse à «cornet focalisé» (équipement sur mesure chez QinetiQ Ltd) connecté au même VNA à 2 ports avec des miroirs de collimation conçus pour collecter autant de rayonnement que possible (éclairant environ une ouverture de 300 mm de diamètre). Les échantillons ont été placés au foyer du faisceau : un schéma est illustré à la figure 2b. La réponse de réflexion à une incidence proche de la normale - pour divers angles azimutaux (\(\phi\)) (avec 0° correspondant au plan d'incidence parallèle à un vecteur de réseau primitif, comme illustré à la Fig. 1a) - a été caractérisée sur une gamme de fréquences de 5,85 GHz à 18 GHz. Cette gamme de fréquences a été obtenue en utilisant une série d'antennes cornets à bandes (Flann Microwave Ltd). La série de cornes à bandes utilisées avait les gammes de fréquences suivantes : 5,4 GHz à 8,2 GHz (WG14), 8,2 GHz à 12,4 GHz (WG16) et 12,4 GHz à 18 GHz (WG18).

Schémas des différentes techniques de mesure utilisées dans les travaux. ( a ) Les mesures d'incidence normale, à l'aide d'une antenne cornet à large bande (2–18 GHz). ( b ) Éclairage de grande surface, utilisant une configuration de paillasse QinetiQ Ltd sur mesure pour la caractérisation de l'angle azimutal (5, 4–18 GHz). ( c ) Une arche du Naval Research Laboratory (NRL) utilisée pour les mesures de réflectivité spéculaire pour la caractérisation de l'angle d'élévation (2–20 GHz). Les détails des techniques de mesure sont donnés dans la section Matériels et méthodes.

La réflectivité spéculaire a également été mesurée en fonction de l'angle d'élévation (\(\theta\)) (avec une incidence normale définie comme 0°) entre 7,5° et 65° par rapport à la normale (par pas de 5°) pour les rayonnements polarisés TM et TE, à l'aide d'un arc 22 du Naval Research Laboratory (NRL), illustré à la Fig. 2c. L'arc NRL se compose de deux antennes cornet à micro-ondes à large bande, qui peuvent se déplacer indépendamment autour de la circonférence de l'arc pour permettre une caractérisation complète de la réflectivité spéculaire de l'échantillon. Ce système d'arc d'antenne est placé dans une chambre anéchoïque et utilise des antennes ayant une gamme de fréquence de 2 GHz à 20 GHz.

Au départ, les trois structures d'ancrage individuelles ont été étudiées, suivies de la structure combinant les trois géométries. La figure 3a montre la réflectivité modélisée en incidence normale (COMSOL Multiphysics) pour les ancres hexagonales (courbe rouge), les ancres carrées (courbe noire) et les ancres triangulaires (courbe bleue), prédisant que les fréquences de résonance fondamentales pour chaque conception sont de 4,5 GHz, 6,3 GHz et 10,5 GHz, respectivement. La réponse modélisée de la métasurface à géométrie combinée est illustrée à la Fig. 3b. Lorsque les trois polygones d'ancrage sont présents, les fréquences de résonance modélisées se réduisent à 4,1 GHz (hexagonales), 6,1 GHz (carrées) et 10,1 GHz (triangulaires) : cette réduction devrait se produire en raison des interactions entre les polygones. En raison de la symétrie des ancres et de la cellule unitaire, les fréquences de résonance sont indépendantes de l'angle d'azimut. Les champs E à la surface de la métasurface sont présentés dans la vidéo supplémentaire 1, en fonction de la fréquence. En plus des champs E, les courants de surface sur la surface à motifs ont également été sondés. Les courants de surface normalisés sont représentés sur la figure 2b pour chaque géométrie d'ancrage en résonance.

Réflexion d'incidence normale modélisée pour (a) les trois structures d'ancrage polygonales indépendantes (hexagonale - rouge ; carrée - noire ; et bleue - triangulaire), avec un angle azimutal de 0° et (b) la métasurface combinée. Les encarts montrent l'ancre résonnante étudiée, avec un angle d'azimut de 0°. Les courants de surface normalisés sont indiqués en résonance pour chaque ancre. ( c ) La réponse de réflexion expérimentale pour les trois ancres polygonales régulières en fonction de la fréquence (hexagonale - rouge, carrée - noire, triangulaire - bleue), à un angle azimutal de 0 °. ( d ) La réponse de réflexion expérimentale pour la métasurface combinée, pour des angles azimutaux de 0 ° (rouge) et 30 ° (bleu). L'encart montre l'orientation de la métasurface par rapport à l'onde électromagnétique incidente.

La figure 3c montre la réponse de réflexion d'incidence normale mesurée expérimentalement des trois échantillons de type ancre indépendamment - en utilisant l'antenne large bande à 300 mm de l'échantillon. L'ancre hexagonale (courbe rouge) a une résonance fondamentale à 4,32 GHz, avec deux modes supplémentaires d'ordre supérieur à 13,28 GHz et 16,30 GHz. La résonance fondamentale de l'ancre carrée (courbe noire) se produit à 6,32 GHz avec un mode supplémentaire à 15,40 GHz, tandis que l'ancre triangulaire a une résonance fondamentale à 10,41 GHz. Les mesures d'incidence normale montrent un bon accord avec les modèles COMSOL ; les légers décalages de fréquence de résonance peuvent être attribués à : de petites variations de fabrication ; incertitude dans les propriétés diélectriques de la fine feuille de polymère sur laquelle les ancres sont imprimées et du FR4 ; et la présence du matériau d'adhérence (c'est-à-dire un lubrifiant sec à base de PTFE). Les écarts entre la force de couplage et la largeur de raie des modes peuvent être dus à des variations de la perte diélectrique de FR4 entre la modélisation et le matériau expérimental, ainsi qu'à la couche de cuivre d'épaisseur finie modélisée comme un conducteur électrique parfait infiniment mince. Les effets d'un changement dans l'amortissement non radiatif d'une résonance sur la force de couplage et la largeur de raie d'une résonance sont bien compris34,35, et les différences entre notre modèle et les données expérimentales sont en corrélation avec une sous-estimation de ces pertes dans nos modèles.

La figure 3d montre la réponse de réflexion pour des angles d'azimut de 0° et 30°, définis comme indiqué sur la figure 1a et la figure 3d (encart) de la métasurface qui combine les trois structures, avec un encart montrant l'orientation relative. La réponse est relativement indépendante de l'angle d'azimut, comme prévu à partir des réflectivités modélisées illustrées à la Fig. 3b, les trois modes fondamentaux (illustrés à 4,09 GHz, 6,10 GHz et 10,18 GHz) n'étant pas affectés par l'orientation des ondes incidentes, ainsi que le premier mode d'ordre supérieur (13,42 GHz). Semblable à celui illustré sur les figures 3a, b, il y a un décalage vers le bas de la fréquence lorsque les trois polygones d'ancrage sont présents dans une cellule unitaire. De plus, dans la structure combinée, deux des modes d'ordre supérieur - auparavant à 15,40 GHz et 16,30 GHz - se sont superposés pour créer une seule fonctionnalité à 15,5 GHz. On s'attend à ce que cela soit dû à l'interaction entre différentes ancres résonnantes à ces fréquences.

Pour étudier plus avant la dépendance de l'angle azimutal de la métasurface, la configuration de corne focalisée décrite dans la section Méthodes a été utilisée pour mesurer la réflectivité d'incidence presque normale de la métasurface combinée pour des angles azimutaux compris entre 0° et 30° (par pas de 5°) - notez qu'en raison de la symétrie de la conception, pour des angles azimutaux supérieurs à 30°, la réponse se répète. Ce système de mesure a été optimisé pour une gamme de fréquences de 5,4 à 18 GHz et donc le mode fondamental de l'ancre hexagonale n'est pas présent (étant à 4,09 Hz). Cependant, les données complémentaires présentées sur la Fig. 3 vérifient le mode 4,1 GHz. La figure 4 montre les réflectivités modélisées et mesurées, tous les modes étant exceptionnellement indépendants de l'angle d'azimut, confirmant les résultats présentés sur la figure 3d.

La réponse de réflexion pour la métasurface combinée en fonction de la fréquence pour des angles d'azimut compris entre 0° et 30°, par pas de 5°. (a) montre la réponse modélisée COMSOL et (b) montre la réponse expérimentale.

Enfin, nous avons étudié la réponse de réflectivité de notre absorbeur de métasurface en fonction de l'angle d'incidence en élévation. La réponse de réflectivité modélisée et mesurée (à l'aide de l'arc NRL décrit dans la section Matériels et méthodes) est illustrée à la Fig. 5 pour des angles d'élévation compris entre 7,5 ° et 60 °, pour les polarisations TE et TM à un angle azimutal de 30 °. Les résultats montrent que les modes fondamentaux de chaque conception de résonateur sont remarquablement indépendants de l'angle d'élévation sur la plage modélisée. Cela indique qu'il s'agit de modes hautement localisés, avec peu de couplage entre les résonateurs (en effet, comme dans7, les champs résonnants améliorés des modes sont localisés dans l'espaceur diélectrique entre les conceptions supérieures en cuivre et le plan de masse). Cependant, pour les deux polarisations, on observe une nette dérivation du mode 10 GHz pour des angles supérieurs à 20°. Cela est dû au début de la diffraction, qui se produit dans les structures périodiques lorsque la taille de la cellule unitaire est supérieure à la moitié de la longueur d'onde22. Les lignes pointillées rouges montrent les bords de diffraction prédits (à partir de la théorie de la diffraction simple), qui correspondent aux fréquences au-dessus desquelles l'apparition d'ordres diffractés entraîne des canaux de perte radiatifs supplémentaires. Ces ordres diffractés permettent non seulement de perdre le rayonnement hors de la direction spéculaire, mais ils ont également un impact significatif sur la dispersion des résonances d'ordre supérieur supportées par la métasurface. Alors que les résonateurs individuels prendraient en charge des modes localisés d'ordre supérieur de la même manière que les modes fondamentaux, les résonateurs peuvent maintenant être couplés ensemble via des ordres diffractés rasants, formant des «résonances de réseau» dispersives36. Ainsi, l'utilisation efficace de cette conception d'absorbeur multibande est limitée aux fréquences en dessous desquelles la structure ne se diffracte pas.

Réponse de réflexion modélisée pour la métasurface combinée en fonction de la fréquence pour des angles d'élévation compris entre 7,5° et 60° (par pas de 2,5°) à un angle d'azimut de 30° pour (a) la polarisation TE et (b) la polarisation TM. Les réponses correspondantes mesurées expérimentalement sont présentées (par pas de 5°) en (c) et (d).

Pour explorer davantage la puissance totale dans le système, la réponse d'absorption de la métasurface a été générée. L'absorption est définie comme : \(Absorption = 1 - Réflexion - Pertes dans les canaux radiatifs\). La puissance totale qui manque dans les réponses de réflexion de la figure 5 comprend celle qui concerne à la fois les ordres diffractés et le rayonnement converti en polarisation : les canaux radiatifs. En utilisant ces informations, la Fig. 6 montre la réponse d'absorption modélisée pour la métasurface en fonction de la fréquence pour des angles d'élévation entre 7,5° et 60° à un angle d'azimut de 30° à la fois en polarisation TE et TM. Par rapport à la réponse de réflexion spéculaire de la Fig. 5, les trois modes principaux présentent une forte absorption ; cependant, les modes d'ordre supérieur - comme prévu - montrent une absorption réduite pour la polarisation TM (Fig. 6b) en raison de la présence de puissance perdue dans les canaux radiatifs. Le rayonnement converti en polarisation est représenté sur les figures 6c et d. Il y a une conversion de polarisation de niveau relativement faible se produisant dans la métasurface, cependant, il n'y a pas d'effet significatif sur la réponse d'absorption.

Réponse d'absorption modélisée pour la métasurface combinée en fonction de la fréquence pour des angles d'élévation compris entre 7,5° et 60° (par pas de 2,5°) à un angle d'azimut de 30° pour (a) la polarisation TE et (b) la polarisation TM. Également représenté : le rayonnement converti en polarisation correspondant pour les deux polarisations (c) TE vers TM et (d) TM vers TE.

Une métasurface peut également être caractérisée en calculant l'impédance de surface effective, \({{\varvec{Z}}}_{{\varvec{i}}}\). Cette quantité peut être évaluée à l'aide de

où S11 est la réflexion complexe et \({{\varvec{Z}}}_{0}\) est l'impédance de l'espace libre (\({{\varvec{Z}}}_{0}\approx 377\) Ω). La figure 7 montre l'impédance de surface efficace en fonction de la fréquence, calculée à l'incidence normale pour la métasurface. Les données montrent à la fois les composantes réelles et imaginaires de l'impédance de surface effective, ainsi que la réflexion modélisée à titre de référence. L'impédance de surface efficace peut être exprimée en termes de paramètres de circuit efficaces, \({{\varvec{Z}}}_{{\varvec{s}}} = {{\varvec{R}}}_{{\varvec{s}}} + {\varvec{i}}{{\varvec{X}}}_{{\varvec{s}}}\) où \({{\varvec{R}}}_{{\varvec{s }}}\) est la résistance et \({{\varvec{X}}}_{{\varvec{s}}}\) est la réactance. Ici, la résistance représente les pertes surfaciques et la réactance tient compte de l'énergie emmagasinée.

L'impédance de surface effective en fonction de la fréquence à incidence normale à un angle d'azimut de 30° pour la polarisation TE. Calculé à l'aide du complexe corrigé en phase S11 de COMSOL Multiphysics. Le composant réel (bleu uni) et le composant imaginaire (bleu pointillé) sont affichés, ainsi que la réflexion modélisée pour référence.

Dans ce travail, un absorbeur de métasurface RF résonant multibande a été conçu et validé expérimentalement. La conception de la métasurface consiste en des réseaux compacts de résonateurs à base d'ancres en cuivre formés d'éléments hexagonaux, carrés et triangulaires espacés au-dessus d'un plan de masse. Les trois éléments prennent chacun en charge une famille de modes, mais ici ils ont été conçus de telle sorte que leurs résonances fondamentales se produisent respectivement à environ 4, 6 et 10 GHz. Étant donné que les modes fondamentaux de chaque élément sont très localisés, ils sont exceptionnellement non dispersifs en fonction à la fois de l'azimut et de l'angle d'élévation. Des modes d'ordre supérieur des résonateurs étaient également présents; cependant, ceux-ci deviennent dispersifs avec l'angle d'élévation en raison du début de la diffraction.

Cette enquête est prometteuse pour la conception de métasurfaces sur mesure avec des réponses indépendantes de l'angle qui pourraient être utilisées pour contrôler l'environnement électromagnétique de plus en plus encombré. Ici, nous avons conçu une surface absorbante avec trois conceptions de résonateurs, mais notez que des pavages similaires avec plus / moins de résonateurs par cellule unitaire pourraient entraîner des conceptions de métasurface avec plus / moins de bandes d'absorption utilisant les mêmes principes de conception. Les applications incluent la gestion des signaux RF concurrents (par exemple, GPS, WiFi, RFID, GSM) dans les bâtiments, ainsi que des applications potentiellement plus spécialisées telles que de nouveaux emballages pour le chauffage sélectif des aliments par micro-ondes (permis par la récente disponibilité commerciale de sources micro-ondes à semi-conducteurs pour la préparation des aliments). Pour les applications en préparation alimentaire, les fréquences d'intérêt sont typiquement 0,9 GHz, 2,45 GHz et 5,8 GHz. Avec un réajustement des fréquences de résonance, la métasurface proposée dans ce travail pourrait être utile pour le couplage sélectif afin d'améliorer l'efficacité de la préparation des aliments (par exemple, le croustillant des aliments via un chauffage local). Pour cette raison, les travaux futurs sur ces types de métasurfaces pourraient les étudier sans plans de masse, créant des effets de diffusion spécifiques à la fréquence qui contrôleront le chauffage d'une variété de charges diélectriques. En faisant cela, on pourrait contrôler le couplage dans le matériau diélectrique - par exemple des matériaux alimentaires - à diverses fréquences de résonance discrètes.

Les structures ont été fabriquées à partir de polymère PET recouvert de cuivre léger et disponible dans le commerce (épaisseur 50 μm). L'épaisseur du polymère a été choisie pour la facilité d'impression. Les conceptions ont été optimisées à l'aide de COMSOL Multiphysics avant d'exporter les géométries/modèles vers un fichier CAO. Une imprimante XeroX ColorQube 9301 PS a été utilisée pour imprimer les motifs conçus, en utilisant de l'encre sur le polymère PET recouvert de cuivre d'une surface de 280 × 410 mm (environ format de papier A3 britannique). Une fois les motifs souhaités imprimés sur le polymère PET, le cuivre exposé - là où l'encre n'était pas présente - a été retiré dans un bain de gravure avec du chlorure ferrique. Cette méthode permet d'obtenir une surface à motifs métalliques haute résolution fiable. Cette couche a ensuite été placée - côté cuivre vers le bas - sur un substrat FR4 à support métallique (280 × 410 mm avec une épaisseur de 1,6 mm). Un lubrifiant sec à base de PTFE a été utilisé pour faire adhérer la couche de polymère au substrat FR4 ; le lubrifiant sec a été appliqué et pressé avec une petite quantité de pression, éliminant tout excès de matériau et créant un joint qui fixe et stabilise le déplacement vertical des structures d'ancrage. Quatre échantillons ont été créés via cette méthode : des ancres hexagonales, des ancres carrées, des ancres triangulaires et une combinaison des trois structures à base d'ancres.

Trois techniques de mesure ont été utilisées pour caractériser les performances des métasurfaces proposées. Les paramètres de réflexion à incidence normale des structures ont été étudiés via l'utilisation d'une antenne cornet large bande (Flann Microwave, DP240) connectée à un analyseur de réseau vectoriel à 2 ports (Anritsu ShockLine™ Compact USB VNA MS46122A) - permettant de mesurer simultanément les deux polarisations linéaires (Transverse Magnetic, TM, c'est-à-dire champ E dans le plan d'incidence et Transverse Electric, TE c'est-à-dire champ E perpendiculaire au plan d'incidence). L'antenne a fourni une gamme de fréquences de fonctionnement de 2 GHz à 18 GHz. Pour caractériser davantage les métasurfaces, un faisceau de grande surface a été utilisé pour éclairer un pourcentage plus élevé de la surface totale des échantillons. Cela a été réalisé à l'aide d'un système de table de `` klaxon focalisé '' (équipement sur mesure chez QinetiQ Ltd) connecté au même VNA à 2 ports, avec des miroirs de collimation conçus pour collecter autant de rayonnement que possible (éclairant environ une ouverture de 300 mm de diamètre). Les échantillons ont été placés au plan focal du miroir et la réponse de réflexion à une incidence presque normale - pour divers angles d'azimut - a été caractérisée sur une gamme de fréquences de 5,85 GHz à 18 GHz. Cette gamme de fréquences a été obtenue en utilisant une série d'antennes cornets à bandes (Flann Microwave Ltd). La série de klaxons à bande utilisée présentait les gammes de fréquences suivantes : 5,4 GHz à 8,2 GHz (WG14), 8,2 GHz à 12,4 GHz (WG16) et 12,4 GHz à 18 GHz (WG18).

La réflectivité spéculaire a également été mesurée en fonction de l'angle d'élévation (avec une incidence normale définie comme 0°) pour les rayonnements polarisés TM et TE, à l'aide d'un arc22 du Naval Research Laboratory (NRL). L'arc NRL se compose de deux antennes cornet à micro-ondes à large bande, qui peuvent se déplacer indépendamment autour de la circonférence de l'arc pour permettre une caractérisation complète de la réflectivité spéculaire de l'échantillon. Ce système d'arc d'antenne est placé dans une chambre anéchoïque et utilise des antennes ayant une gamme de fréquences de 2 à 20 GHz.

Les données de recherche à l'appui de cette publication sont librement disponibles auprès du référentiel institutionnel de l'Université d'Exeter à l'adresse : https://doi.org/10.24378/exe.4504.

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