meta-piele

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Proiectare și producție
  • rezultate si discutii
  • concluzii
  • Metode pentru derivarea unui câmp împrăștiat dintr-o probă dielectrică
  • Mai multe detalii
  • Comentarii

obiecte

  • Inginerie electrică și electronică
  • Dispozitive electronice și spintronice

abstract

Acest articol prezintă o „piele” flexibilă și extensibilă bazată pe metamateriale sau meta-piele cu efecte selective de frecvență reglabile și efecte de mascare în modul de frecvență cu microunde. Meta-pielea este alcătuită dintr-un set de rezonatori cu inel divizat din metal lichid (SRR) încorporat într-un elastomer expandabil. Când este meta-întins, acționează ca o suprafață selectivă a frecvenței reglabile, cu o gamă largă de reglare a frecvenței rezonante. Când este înfășurată în jurul materialului dielectric curbat, meta-pielea acționează ca o suprafață flexibilă de „mascare” care suprima în mod semnificativ împrăștierea de pe suprafața materialului dielectric în diferite direcții. Am studiat răspunsurile de frecvență ale metaquinelor multistrat la întinderea în direcția plană și la modificările spațierii dintre straturile adiacente în direcția verticală. De asemenea, am investigat efectul suprimării împrăștierii meta-pielii acoperite pe tija dielectrică finală în spațiul liber. Această tehnologie meta-skin va beneficia de multe aplicații electromagnetice, cum ar fi reglarea frecvenței, ecranarea și suprimarea dispersiei.

În acest articol, vă prezentăm meta-pielea flexibilă și extensibilă și efectele sale de selecție și mascare a frecvenței. Meta-pielea constă dintr-un set de metaatomi SRR metalici lichizi, înveliți în interiorul unui elastomer. Arătăm că prin întinderea mai multor straturi de meta-piei de-a lungul suprafețelor lor într-o direcție plană și schimbarea distanței dintre meta-piei în direcție verticală, meta-piei pot acționa ca o suprafață selectivă de frecvență reglabilă de înaltă performanță, cu o reglare largă gamă. În plus, meta-pielea este capabilă să înfășoare obiectul de interacțiune în orice formă. Arătăm că, înfășurându-l pe o tijă cilindrică dielectrică, se observă un efect semnificativ de suprimare a împrăștierii sau de „mascare”. Câmpul de împrăștiere de la tija dielectrică la diferite unghiuri este suprimat în domeniul de frecvență proiectat. Prin urmare, această tehnologie meta-skin diferă de tehnologiile tradiționale stealth, care deseori reduc doar retrodifuzarea, adică energia reflectată înapoi către sondă de 47 de sonde. Lucrările actuale de cercetare tind să umple golul de la un singur meta-atom expandabil la măsuri mari de metamateriale, explorând posibilitatea realizării unei reglări rezonante a metamaterialelor plane și a efectului de mascare al metamaterialelor curbate.

Proiectare și producție

Figura 1a arată structura unui fișier SRR propus care funcționează în modul X-Band. Dispozitivul are o rază interioară a = 2,0 mm, o rază exterioară b = 2,5 mm, o grosime h = 0,5 mm, un spațiu g = 1,0 mm și o constantă de rețea p = 7,5 mm. Setul SRR este fabricat din EGaIn și acoperit cu un elastomer de silicon (Ecoflex). Grosimea Ecoflex este d = 1,45 mm. Am efectuat simulări EM pentru a estima frecvența de rezonanță a câmpului utilizând software-ul HFSS (Ansys High Frequency Structure Simulator). Așa cum se arată în FIG. La, câmpul SRR este fixat în planul xy și câmpul magnetic ( H ) este paralel cu direcția z și pătrunde în SRR, excitând astfel rezonanța magnetică. Cu parametrii geometrici de mai sus, se simulează frecvența de rezonanță pentru câmpul SRR de 9, 84 GHz. Distribuția curentului de suprafață la frecvența de rezonanță este prezentată în FIG. La. Întinderea meta-pielii (Fig. 1b) va modula constanta rețelei, forma SRR și interacțiunea dintre rezonatori. Frecvența de rezonanță a meta-pielii se modifică în consecință.

A ) Geometrie și distribuție simulată a curentului suprafeței meta-pielii. ( b ) Fotografii cu meta-piele nespandită și dilatată. Scara scalei este de 5 mm. c ) fotografie a unei tije dielectrice din nailon de 30, 48 cm lungime și 3.175 cm în diametru, înfășurată în meta-piele. d ) Demonstrați flexibilitate cu un borcan de sticlă care are o meta-piele.

Imagine la dimensiune completă

Imagine la dimensiune completă

rezultate si discutii

Măsurătorile EM au fost efectuate în spațiu liber. Șase meta-piei au fost stivuite cu o distanță inițială d = 3 mm între meta-piei adiacente. Un analizor de rețea vector programabil (VNA, Agilent E8364) a fost utilizat pentru a măsura răspunsurile spectrale ale probei. Pentru a crea iluminarea undelor cvasi-plane, meta-piei au fost plasate între două antene de colț (una ca emițător și cealaltă ca receptor) în zone îndepărtate ale câmpului. Deoarece meta-piei au fost plasate în planul câmpului electric E al antenei, câmpul magnetic H sa s-ar putea combina cu rezonanța magnetică de la bucla de curent din SRR (vezi inserția din Figura 3).

În acest experiment, distanța dintre straturile adiacente este d = 3 mm. Insertul arată schema de setare.

Imagine la dimensiune completă

Datorită extensibilității meta-pielii, dimensiunile SRR pot fi modificate prin întindere în direcții diferite. Cercetările noastre anterioare au arătat că modificările dimensionale induse de tracțiune în SRR pot afecta inductanța și capacitatea echivalente a SRR, schimbându-și astfel frecvența de rezonanță 39. În această lucrare, când straturile multistrat de metaină s-au întins de-a lungul direcției de propagare a undei (k) cu un raport de întindere de 0%, 15, 9%, 29, 7%, 36, 4% și 50%, rezonanțele meta-pielii au fost observate la 9, 84 GHz, 9, 76 GHz, 9, 47 GHz, 9, 27 GHz și 9, 15 GHz. Rezultatele măsurătorilor sunt prezentate în FIG. 3 întrerupte. Pentru a verifica rezultatele măsurate, a fost efectuată o simulare EM cu undă completă bazată pe HFSS utilizând condiții limită periodice pe unități SRR. Rezultatele simulării cu diferite rapoarte de întindere sunt prezentate în FIG. 3 linii solide. Rezultatele simulate și experimentale au ajuns la un acord bun în tendința schimbării de frecvență rezonante. Diferența mai mică în frecvența de rezonanță și lățimea de bandă poate fi atribuită acurateței modelului.

Prin schimbarea spațiului d între două straturi adiacente, rezonanța metainelor cu 6 straturi ar putea fi, de asemenea, reglată. Distanța a fost definită aici prin inserarea de spumă (permitivitate relativă apropiată de una). Figurile 4a, b prezintă răspunsurile spectrale ale meta-piei la diferite niveluri de deformare pentru distanțarea d1 = 13 mm și d2 = 17 mm. Pe măsură ce meta-piei s-au îndepărtat mai mult, inductanța reciprocă între rezonatori în straturile adiacente 48 a scăzut. Ca rezultat, este de așteptat o creștere a frecvenței de rezonanță a meta-piei. În cazul eșantionului neexpansionat, frecvența de rezonanță s-a modificat de la 9,84 GHz la 11,9 GHz pe măsură ce distanțele verticale au crescut de la 3 mm la 13 mm. Pe măsură ce am crescut în continuare d la 17 mm, frecvența de rezonanță sa deplasat la 12,4 GHz. În mod similar, prin întinderea plicurilor metalice multistrat de-a lungul suprafețelor lor într-o direcție orizontală, s-a observat, de asemenea, că frecvența de rezonanță se deplasează spre frecvențe mai mici. Prin urmare, prin schimbarea distanței dintre meta-piei în direcție verticală și întinderea piei metalice în direcția plană, este posibil să se extindă foarte mult intervalul de reglare a frecvenței de rezonanță a meta-pielii.

Spectre de permeabilitate experimentale ale metakinelor cu șase straturi reglabile cu diferite rapoarte de tragere de 0%, 15, 9%, 29, 7%, 36, 4% și 50% pentru două distanțe diferite între straturile adiacente: d 1 = 13 mm ( A ) și d 2 = 17 mm ( b ).

Imagine la dimensiune completă

Imagine la dimensiune completă

Câștig de împrăștiere măsurat pentru tija dielectrică goală (verde - neacoperită), tija acoperită cu polimer Ecoflex (roșu - polimer) și tija acoperită cu piele metalică (albastru - meta piele) la unghiurile 9 = 37, 5 o ( A ), 45 o ( b ), 60 o ( c ), 90 o ( d ) și 105 o ( e ). Câștigul mediu al varianței la unghiuri diferite este dat în ( f ).

Imagine la dimensiune completă

Întreaga meta-piele a rămas complet funcțională după măsurători repetate fără oboseală sau crăpături. Acest lucru se datorează faptului că SRR-urile metalice lichide pot curge și se pot transforma ca răspuns la tulpinile utilizate. În plus față de SRR circular simplu, multe alte structuri de rezonanță magnetică pot fi utilizate în mediul meta-pielii pentru a efectua selecția frecvenței și suprimarea dispersiei 49. În plus, pe lângă rezonanții magnetici, structurile rezonante metalice lichide, cum ar fi firele, pot fi integrate în același elastomer. Acest lucru va face posibilă obținerea unui indice negativ pentru aplicațiile de mascare. În plus, diferite alte medii gazdă dielectrice extensibile și flexibile ar putea fi utilizate pentru a încorpora aceste structuri rezonante metalice lichide. Acest lucru ne va oferi mai multă flexibilitate în controlul pierderii tangentei meta-piele. În modul de frecvență cu microunde, pierderile dielectrice sunt dominante și diferite materiale dielectrice ale substratului pot afecta tangenta pierderii. La frecvențe mai mari, cum ar fi terahertz, când pierderile ohmice devin semnificative, sunt necesare alte tipuri de metale lichide sau materiale conductoare pentru a forma unități rezonante.

concluzii

Meta-pielea cu microunde extensibilă și purtabilă a fost dezvoltată prin inserarea unei serii de metale lichide SRR într-un elastomer foarte extensibil. Am arătat capacitatea puternică a meta-pielii de a regla rezonanța suprafeței selective de frecvență și de a suprima împrăștierea de la suprafața curbată a materialului dielectric în direcții diferite. Combinând întinderea plană și distanța verticală, frecvența de rezonanță a metainformelor multistrat a fost reglată de la 9, 15 - 12, 38 GHz. Prin înfășurarea tijei dielectrice cu lungimea finală a meta-piele, împrăștierea de pe suprafața tijei a fost suprimată cu aproximativ 75% la 8-10 GHz. Se așteaptă ca actuala tehnologie meta-skin să găsească multe aplicații în reglarea, ecranarea și suprimarea EM scattering.

Metode pentru derivarea unui câmp împrăștiat dintr-o probă dielectrică

Câmpul împrăștiat a fost obținut prin scăderea câmpului de impact (

) din câmpul total (). Această operație nu numai că poate obține câmpul împrăștiat din eșantion, ci reduce la minimum dezordinea de fundal din experiment. Au fost efectuate două măsurători consecutive. În primul rând, proba a fost plasată în locația desemnată și

A ) Câștig de împrăștiere brută și prelucrată pentru o tijă de nailon acoperită cu meta-piele la un unghi θ = 90 °. ( b ) Semnal de domeniu legat de timp.

Imagine la dimensiune completă

Folosind ecuația 1, am obținut un câmp împrăștiat din cele trei probe diferite de mai sus. Câmpul împrăștiat procesat pentru proba acoperită cu meta-piele este prezentat în FIG. 7a linie continuă roșie. În comparație cu S (ω), după îndepărtarea dezordinii din S (co) devine netedă, în timp ce informațiile de împrăștiere sunt încă conținute.

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Yang, S. și colab. De la meta-atom flexibil și extensibil la metamaterial: meta-piele cu microunde purtabilă, cu efecte selective și de mascare a frecvenței reglabile. Știință. reprezentant. 6, 21921; doi: 10, 1038/srep21921 (2016).

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.