Solar broadband metamaterial perfect absorber based on dielectric resonant structure of Ge cone array and InAs film

The broadband metamaterial perfect absorber has been extensively studied due to its excellent characteristics and promising application prospect. In this work a solar broadband metamaterial perfect absorber is proposed based on the structure of the germanium (Ge) cone array and the indium arsenide (InAs) dielectric film on the gold (Au) substrate. The results show that the absorption covers the whole ultraviolet-visible and near-infrared range. For the case of A > 99%, the absorption bandwidth reaches up to 1230 nm with a wavelength range varied from 200 nm to 1430 nm. The proposed absorber is able to absorb more than 98.7% of the solar energy in a solar spectrum from 200 nm to 3000 nm. The electromagnetic dipole resonance and the high-order modes of the Ge cone couple strongly to the incident optical field, which introduces a strong coupling with the solar radiation and produces an ultra-broadband absorption. The absorption spectrum can be feasibly manipulated via tuning the structural parameters, and the polarization insensitivity performance is particularly excellent. The proposed absorber can possess wide applications in active photoelectric effects, thermion modulators, and photoelectric detectors.     

基于磁/电介质混合型基体的宽带超材料吸波体的设计与制备

本文设计了一种基于磁/电介质混合型基体的宽带超材料吸波体, 吸波体基本单元由电阻膜、磁/电介质混合型基体以及金属背板组成. 采用时域有限差分法对超材料吸波体吸波性能进行了仿真, 使用遗传算法优化了反射率小于-10 dB的带宽. 仿真结果表明, 当超材料吸波体厚度为2.5 mm时, 在7.8–18 GHz频率范围内的反射率小于-10 dB, 具有厚度薄、宽带、极化不敏感等优点. 通过等效电路模型对其工作机理进行了分析与讨论. 最后制备样品进行测试, 测试结果与仿真结果一致.     

宽带透射吸收极化无关超材料吸波体

提出了一种新的基于磁性吸波体材料的具有低频透射和高频宽带吸收特性的超材料吸波体.该超材料吸波体在1 GHz的透射系数为-0.5 dB,具有较好的低频透射特性,可以实现对低频信号的相互通信;在频率大于8.4 GHz的频段,吸收率均大于80%,基本覆盖整个X波段和Ku波段,实现高频宽带吸收.此外,由于该超材料吸波体的单元金属周期结构具有较好的四重旋转对称性,因而是极化无关的.该透射吸收超材料吸波体设计简单,实用性强,具有较强的潜在应用价值.     

基于电阻型频率选择表面的低频宽带超材料吸波体的设计

基于电阻型频率选择表面(Resistance Frequency Selective Surface, RFSS) 设计了一种低频宽带、 极化不敏感和宽入射角特性的超材料吸波体. 该吸波体的基本单元由开槽十字型平面超材料(Cave Cross Planar Metamaterial, CCPM)、 RFSS、 电介质基板和金属背板组成. 采用FDTD方法数值模拟得到的结果表明: 相比于单纯的CCPM吸波体、 RFSS吸波体, CCPM和RFSS复合结构吸波体低频吸收特性得到极大改善, 在整个1-5 GHz频率范围内, 吸收率大于80%, 吸收峰值达到98%以上. 数值模拟得到的不同极化角和不同入射角下的吸收率表明: 该复合结构吸波体具有极化不敏感和宽角度吸收特性.     

基于集总元件的低频宽带超材料吸波体设计与实验研究

提出一种基于集总元件的超材料吸波体结构设计, 并进行了理论分析和实验验证. 仿真结果表明, 该吸波体在2.5 GHz到4.46 GHz的低频带内具有吸收率超过95%、半高宽达到70.4%的良好吸收特性. 反演计算得到的等效输入阻抗表明集总元件的加入可以使该结构在较宽的频率范围内有较好的阻抗匹配特性, 介质表面能量损耗分布的模拟计算结果说明能量主要损耗在了集总电阻中, 从而实现低频宽带的吸收特性. 制备了实验样品并用自由空间法进行测试, 测试结果与模拟结果符合得较好. 进一步的实验测试结果表明FR4基板的厚度对该吸波体的吸收特性有明显的调控作用, 且对于固定参数的结构存在最佳匹配厚度. 关键词： 集总元件 超材料吸波体 低频 宽带     

Tunable broadband metamaterial absorber consisting of ferrite slabs and a copper wire

A tunable broadband metamaterial absorber is demonstrated at microwave frequencies in this paper.The metamaterial absorber is composed of ferrite slabs with large resonance beamwidths and a copper wire.The theoretical analysis for the effective media parameters is presented to show the mechanism for achieving the perfect absorptivity characteristic.The numerical results of transmission,reflectance,and absorptivity indicate that the metamaterial absorber exhibits a near perfect impedance-match to free space and a high absorptivity of 98.2% for one layer and 99.97% for two layers at 9.9 GHz.The bandwidth with the absorptivity above 90% is about 2.3 GHz.Moreover,the absorption band can be shifted linearly in a wide frequency range by adjusting the magnetic bias.This metamaterial absorber opens a way to prepare perfectly matched layers for engineering applications.     

基于超材料吸波体的低雷达散射截面波导缝隙阵列天线

提出利用超材料吸波体减缩波导缝隙阵列天线带内雷达散射截面的设计方法. 设计具有超薄(厚度仅为0.01λ, λ为吸波体中心频率对应波长)、无表面损耗层和高吸波率的超材料吸波体, 将其加载到波导缝隙天线E面方向辐射缝隙间的金属表面上, 并与辐射缝隙保持一定的间距. 该加载方式没有破坏天线的口径馈电振幅分布, 并利用超材料吸波体对电磁波的强吸收特性降低了天线阵的结构模式项散射. 仿真和实验结果表明, 加载超材料吸波体后天线阵的反射系数、增益、波瓣宽度保持不变, 在x极化和y极化条件下, 波导缝隙阵列天线的带内雷达散射截面减缩量均在6 dB 以上, 且在-25°-+25°范围内天线雷达散射截面均有明显的减缩, 鼻锥方向减缩超过10 dB. 该研究成果对阵列天线雷达散射截面减缩具有重要的借鉴意义和工程应用价值.     

A wideband metamaterial absorber based on a magnetic resonator loaded with lumped resistors

<正>A wideband metamaterial absorber（MA） based on a magnetic resonator loaded with lumped resistors is presented. It is composed of a one-dimensional periodic array of double U-shaped structured magnetic resonators loaded with lumped resistors,a dielectric substrate,and a metal plate.We simulated,fabricated,measured,and analyzed the MA. The experimental results show that the reflectance(S₁₁) is below -10 dB at normal incidence in the frequency range of 7.7 GHz-18 GHz,and the peak value is about—20 dB.Simulated power loss density distributions indicate that wideband absorption of the MA is mainly attributable to the lumped resistors in the magnetic resonator.Further investigations indicate that the distance between two unit cells along the magnetic field direction significantly influences the performance of the MA.     

基于宽边耦合螺旋结构的低频小型化极化不敏感超材料吸波体

设计、仿真并实验验证了基于宽边耦合螺旋结构的低频小型化超材料吸波体. 实验测试结果表明, 该超材料吸波体在1.39 GHz吸收率达到最大为98%, 其单元尺寸和总厚度均为6.8 mm, 约为1/32工作波长, 实现小型化窄带吸波. 由于吸波体中螺旋结构是旋转对称排列的, 因而其对垂直入射电磁波的极化方向是不敏感的. 此外, 该超材料吸波体对斜入射横电和横磁极化电磁波在60°时, 仍具有强吸收. 关键词： 超材料 吸波体 小型化     

A metamaterial absorber with direction-selective and polarisation-insensitive properties

This paper reports the design of a metamaterial absorber with direction-selective and polarisation-insensitive property.Both theoretical and simulated results reveal that the absorber has a distinct absorption point with direction selectivity at 7.48 GHz,which is related to the resonance of the metamaterial and is not influenced by the polarisation.The retrieved impedance indicates that the impedance of the absorber can be tuned to approximatively match the impedance of the free space on one side and not to match the impedance of the free space on the other side.This design can result in the minimal reflectance,the minimal transmission and the highest absorbance at the absorption frequency.The distribution of the power loss indicates that the absorber is an excellent electromagnetic wave collector:the wave is first trapped and reinforced in certain specific locations,and then mostly consumed.The distribution of the surface current is consistent with the design,the retrieved impedance and the distribution of the power loss.This absorber may have applications in many scientific and technological areas.     

一种基于金属开口谐振环和杆阵列的左手材料宽带吸收器

用数值仿真在微波X波段研究了金属开口谐振环和杆阵列这一最基本的谐振结构.通过合理的参数调节,这种结构在10.91GHz附近可以表现出高达98%的吸收率,并且半高峰宽达到3.5GHz.用散射参量提取法计算其有效电磁参数,发现在谐振频率附近其介电常数、磁导率和折射率的实部均为负值.相比于传统的左手材料,这种结构的电磁参数在谐振区域均具有较大的虚部,是形成高吸收率的根本原因.本文的左手材料吸收器在电磁加热、电磁隐身等领域具有许多潜在的应用.     

基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体

仿真并实验验证了基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体, 该吸波体可以实现低频透射和高频吸收.实验测试结果表明, 该吸波体在6.77 GHz 吸收率峰值为83.6%, 半功率带宽为4.3%, 实现窄带强吸收.为进一步拓展该谐振型超材料吸波体的吸收带宽, 利用其低频透射特性, 将两个工作于不同频段的吸波体叠加在一起, 测试结果表明, 复合后超材料吸波体的半功率带宽可以增大到10.9%, 吸收率也略有增强. 该超材料吸波体设计简单, 具有较强的实用性和应用前景. 关键词： 极化无关 透射吸收 超材料吸波体     

基于电阻膜的宽频带超材料吸波体的设计

基于电阻膜设计了一种宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体.该吸波体的结构单元由六边形环状电阻膜结构、介质基板和金属背板组成.仿真得到的反射率和吸收率表明,该吸波体在7.0-27.5 GHz之间对入射电磁波具有宽频带的强吸收,证实了电路谐振相对于电磁谐振易于实现宽带吸波.仿真得到的不同极化角和不同入射角下超材料吸波体的吸收率表明,该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性.仿真得到的基板和电阻膜对超材料吸波体吸收率的影响表明,电阻膜结构和金属背板之间形成的电容以及电阻膜结构的电阻都存在一个最佳值,此时电路谐 关键词： 电阻膜 电路谐振 宽频带 超材料吸波体     

低雷达散射截面的超薄宽带完美吸波屏设计研究

提出了一种基于PMA单元结构的超薄宽带完美吸波屏设计方法. 该方法将多层拓展带宽的技术与单层多谐振方法有机结合, 实现带宽拓展的同时, 保持了完美吸波屏结构简单、无集总元件的特点, 易于实际加工和应用. 以双层三谐振超薄宽带完美吸波屏为例, 结合其等效电路, 理论上验证了所设计吸波屏的吸波机理, 同时验证了方法的有效性. 仿真分析该吸波屏具有低雷达散射截面、极化不敏感和宽入射角的特征. 仿真和实测结果表明: 该吸波屏在厚度为0.01 λ的条件下, 具有14.1%的半波功率带宽;-3 dBsm的雷达散射截面缩减带宽为18.9%, 在法线方向的最大缩减量为23 dBsm, 在法向±40°内具有较好的雷达散射截面减缩效果. 关键词： 完美吸波屏 宽带 雷达散射截面 等效电路     

一种极化不敏感和双面吸波的手性超材料吸波体

基于手性结构设计了一种极化不敏感和双面吸波的超材料吸波体.该吸波体的结构单元由手性结构和介质基板组成.仿真的电磁波正、反向入射时超材料吸波体的吸收率表明:该吸波结构的正、反面是互易的,具有双面吸波特性.仿真的不同极化角下超材料吸波体的吸收率表明:该超材料吸波体具有极化不敏感特性.仿真的不同入射角下超材料吸波体的吸收率表明:该超材料吸波体的入射角较窄.仿真的吸波体单元的表面电流和磁能密度分布表明:电、磁场之间存在交叉耦合,吸波与手性有关.仿真的不同损耗情况下超材料吸波体的吸收率表明:基板的介质损耗在吸波过程中起主导作用,金属的电阻热可以忽略不计.该超材料吸波体可能在要求双面吸波的领域中具有潜在的应用. 关键词： 极化不敏感 双面吸波 手性结构 超材料吸波体     

基于磁谐振器加载的宽频带超材料吸波体的设计

基于加载集总元件的磁谐振器设计了一种宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体.该吸波体的结构单元由加载集总元件的磁谐振器、介质基板和金属背板组成.仿真得到的加载集总元件和不加载集总元件情况下一维阵列结构吸波体的吸收率表明,相对于不加载集总元件的情况,加载集总元件的一维阵列结构吸波体能够实现宽频带吸波.仿真得到的集总电阻和集总电容取不同值时一维阵列结构吸波体的吸收率表明,集总电阻和集总电容都存在一个最佳值,此时吸波体的吸收率最高、吸收带宽最宽.仿真得到的基板有耗和无耗情况下一维阵列结构吸波体的吸收率表明, 关键词： 磁谐振器 集总元件 宽频带 超材料吸波体     

基于多阶等离激元谐振的超薄多频带超材料吸波体

本文设计了一种超薄螺旋结构超材料吸波体,其厚度(1.034 mm)约为其工作波长(4.81 GHz,6.59 GHz,9.16 GHz,12.69 GHz和13.71 GHz)的(1/60,1/44,1/32,1/23,1/21).仿真和实验结果表明,该吸波体在4.81 GHz,6.59 GHz,9.16 GHz,12.69 GHz和13.71 GHz处吸收率分别达到94.55%、99.89%、99.73%、99.26%和99.41%,实现了多频带强吸收.从表面电流和功率损耗密度两个方面分析了产生强吸收的原因,理论分析表明,多频带强吸收能在五个相邻频率处产生多阶局域表面等离激元谐振,螺旋结构之间强烈的电谐振使超材料结构单元产生强烈的吸收.该超材料吸波体设计简单、易于制作和应用,在电磁波吸收中具有应用价值.     

Multi-band microwave metamaterial absorber based on coplanar Jerusalem crosses

The influence of the gap on the absorption performance of the conventional split ring resonator(SRR) absorber is investigated at microwave frequencies. Our simulated results reveal that the geometry of the square SRR can be equivalent to a Jerusalem cross(JC) resonator and its corresponding metamaterial absorber(MA) is changed to a JC absorber. The JC MA exhibits an experimental absorption peak of 99.1% at 8.72 GHz, which shows an excellent agreement with our simulated results. By simply assembling several JCs with slightly different geometric parameters next to each other into a unit cell, a perfect multi-band absorption can be effectively obtained. The experimental results show that the MA has four distinct and strong absorption peaks at 8.32 GHz, 9.8 GHz, 11.52 GHz and 13.24 GHz. Finally, the multi-reflection interference theory is introduced to interpret the absorption mechanism.     

基于二氧化钒宽、窄带可切换的双功能超材料吸收器研究

本文提出了一种宽、窄带可切换的双功能超材料吸收器.在超材料吸收器的结构中,引入了相变材料二氧化钒(VO2),仅利用单个可切换超表面就能实现不同的功能,其不同功能之间的相互转换通过VO2绝缘态和金属态之间的可逆相变特性实现.当VO2处于金属态时,设计的结构可以看作一个超材料宽带吸收器.仿真结果表明,在1.55THz至2....     

基于超材料吸波体的低雷达散射截面微带天线设计

设计了一种高吸波率、宽入射角、无表面损耗层的超材料吸波体, 并将其用于微带天线的带内雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩.实验结果表明: 设计的吸波体的厚度为0.3 mm, 吸波率达99.9%, 相比普通微带天线, 加载该吸波体后的天线在工作频带内法向RCS减缩都在3 dB以上, 最大减缩16.7 dB, 单站RCS在-30°–+30° 角域、双站RCS在-90°–+90°角域减缩超过3 dB, 且天线辐射性能保持不变. 证实了该吸波体具有良好的吸波效果, 可以应用于微带天线的带内隐身. 关键词： 超材料吸波体 微带天线 雷达散射截面