- elemeket
- absztrakt
- bevezetés
- Tervezés és gyártás
- Eredmények és vita
- következtetések
- Módszerek szétszórt mező dielektromos mintából történő levezetésére
- További részletek
- Hozzászólások
elemeket
- Villamos és elektronikai mérnöki munka
- Elektronikus és spintronikus eszközök
absztrakt
Ez a cikk egy rugalmas és nyújtható "bőrt" mutat be, amely metamaterialokon vagy metabőrön alapul, hangolható frekvenciaválasztó és maszkoló hatásokkal a mikrohullámú frekvencia üzemmódban. A metabőr egy folyékony fém hasított gyűrű (SRR) rezonátorokból áll, amely egy tágítható elasztomerbe van ágyazva. Metafeszítéskor hangolható frekvenciaválogató felületként működik, a rezonáns frekvenciahangolás széles tartományával. Az ívelt dielektromos anyag köré tekerve a metabőr rugalmas "maszkoló" felületként működik, amely jelentősen elnyomja a dielektromos anyag felületéről a különböző irányú szétszóródást. Vizsgáltuk a többrétegű metakinek frekvenciaválaszait a síkbeli nyújtás és a szomszédos rétegek függőleges irányú távolságának változásaira. Megvizsgáltuk a végső dielektromos rúdra bevont metabőr szétszóródásának a szabad térben történő elnyomásának hatását is. Ez a metabőr technológia számos elektromágneses alkalmazás előnyére válik, mint például a frekvenciahangolás, árnyékolás és szóráselnyomás.
Ebben a cikkben bemutatjuk a rugalmas és nyújtható metabőrt, valamint annak gyakoriságszelektív és maszkoló hatásait. A metabőr egy folyékony fém SRR metaatom készletből áll, elasztomer belsejében. Megmutatjuk, hogy ha több metabőr réteget feszítenek felszínük mentén sík irányban, és függőleges irányban megváltoztatják a metabőrök közötti távolságot, a metabőrök nagy teljesítményű hangolható frekvenciájú szelektív felületként működhetnek, hangolás. Ezenkívül a metabőr bármilyen formába képes beburkolni az interakciós tárgyat. Megmutatjuk, hogy dielektromos hengeres rúdra csomagolva jelentős szóródást gátló vagy „maszkoló” hatás figyelhető meg. A dielektromos rúd különböző szögekben történő szórási mezője elnyomódik a tervezett frekvenciatartományban. Ez a metabőr technológia tehát eltér a hagyományos lopakodó technológiáktól, amelyek gyakran csak visszaszórják a visszaszóródást, vagyis a szondára 47 szondával visszavert energiát. A jelenlegi kutatómunka általában kitölti az egyetlen nyújtható meta-ataktól a metamateriális anyagok nagy mértékéig tartó rést azáltal, hogy feltárja a síkbeli anyagok rezonáns hangolásának megvalósításának lehetőségét és az ívelt metaanyagok álcázó hatását.
Tervezés és gyártás
Az 1a. Ábra az X-Band módban működő javasolt SRR fájl felépítését mutatja. Az eszköz belső sugara a = 2,0 mm, külső sugara b = 2,5 mm, vastagsága h = 0,5 mm, rése g = 1,0 mm és rácsállandója p = 7,5 mm. Az SRR készlet EGaIn-ből készült és szilikon elasztomerrel (Ecoflex) bevont. Az Ecoflex vastagsága d = 1,45 mm. EM-szimulációkat végeztünk a mező rezonáns frekvenciájának becsléséhez HFSS (Ansys High Frequency Structure Simulator) szoftver segítségével. Amint az a 2. ábrán látható. La, az SRR mező az xy síkban és a mágneses mezőben ( H ) párhuzamos a z iránnyal, és behatol az SRR-be, ezáltal izgatja a mágneses rezonanciát. A fenti geometriai paraméterekkel a 9, 84 GHz-es SRR mező rezonáns frekvenciáját szimulálják. A felületi áram eloszlását a rezonancia frekvencián a 3. ábra mutatja. La. A metabőr megnyújtása (1b. Ábra) modulálja a rácsállandót, az SRR alakját és a rezonátorok közötti kölcsönhatást. A metabőr rezonáns gyakorisága ennek megfelelően változik.
a ) Geometria és szimulált meta-bőr felületi árameloszlás. ( b ) Tágulatlan és kitágult metabőr fényképei. A skála skálája 5 mm. c ) fénykép egy 30, 48 cm hosszú és 3175 cm átmérőjű dielektromos nylon rúdról, metabőrbe csomagolva. d ) Mutassa meg a rugalmasságot egy üvegedénnyel, amelynek metabőr van.
Teljes méretű kép
Teljes méretű kép
Eredmények és vita
Az EM méréseket szabad térben végeztük. Hat metabőrt egymásra raktunk, a kezdeti távolság d = 3 mm volt a szomszédos metabőrök között. Programozható vektorhálózati elemzőt (VNA, Agilent E8364) használtunk a minta spektrális válaszainak mérésére. A kvázisíkú hullám megvilágításának létrehozása érdekében a meta-bőröket a sarokantennák közé helyezték (egyiket adóként, a másikat vevőként) a mező távoli területein. Mivel a metabőrök az antenna E elektromos mezőjének, a mágneses mezőnek a síkjába kerültek H sa kombinálható az SRR áramköréből származó mágneses rezonanciával (lásd a 3. ábra beszúrását).
Ebben a kísérletben a szomszédos rétegek közötti távolság d = 3 mm. A betét a beállítási diagramot mutatja.
Teljes méretű kép
A metabőr nyújthatósága miatt az SRR méretei különböző irányú nyújtással változtathatók. Korábbi kutatásaink kimutatták, hogy az SRR húzó-indukált dimenzióváltozásai befolyásolhatják az SRR ekvivalens induktivitását és kapacitását, eltolva ezzel rezonáns frekvenciáját 39. Ebben a munkában, amikor a többrétegű metainrétegek a hullám terjedésének irányában (k) feszültek 0%, 15, 9%, 29, 7%, 36, 4% és 50% -os nyújtási aránnyal, a bőr meta-bőr rezonanciái 9, 84 GHz, 9, 76 GHz, 9, 47 GHz, 9, 27 GHz és 9, 15 GHz frekvencián figyeltek meg. A mérési eredményeket a 2. ábra mutatja. 3 szaggatott. A mért eredmények igazolására HFSS-alapú teljes hullámú EM szimulációt hajtottunk végre, periodikus határfeltételek alkalmazásával, SRR egységeken. A különböző nyújtási arányú szimuláció eredményeit a 3. ábra mutatja. 3 folytonos vonal. A szimulált és kísérleti eredmények jó összhangban voltak a rezonáns frekvenciaeltolódás trendjével. A rezonáns frekvencia és a sávszélesség kisebb eltérése a modell pontosságának tulajdonítható.
Két szomszédos réteg közötti d távolság megváltoztatásával a 6 rétegű metainek rezonanciája is hangolható. A távolságot itt hab beillesztésével határoztuk meg (relatív permittivitás közel egy). A 4a, b ábrák a metabőrök spektrális válaszait mutatják a különböző törzsszintekre d1 = 13 mm és d2 = 17 mm távolságra. Amint a metabőrök tovább mozogtak egymástól, a szomszédos 48 rétegekben lévő rezonátorok közötti kölcsönös induktivitás csökkent. Ennek eredményeként várható a metabőrök rezonáns gyakoriságának növekedése. A kibővítetlen minta esetében a rezonáns frekvencia valójában 9,84 GHz-ről 11,9 GHz-re tolódott, amikor a függőleges távolságok 3 mm-ről 13 mm-re nőttek. Amint tovább növeltük a d-t 17 mm-re, a rezonáns frekvencia 12,4 GHz-re váltott. Hasonlóképpen, ha többrétegű fém burkokat feszítenek felszínük mentén vízszintes irányban, azt is megfigyelték, hogy a rezonáns frekvencia az alacsonyabb frekvenciák felé mozog. Ezért a metabőrök függőleges irányú távolságának megváltoztatásával és a fémhéjak síkbeli megnyújtásával jelentősen megnövelhető a metabőr rezonáns frekvencia-beállítási tartománya.
A hangolható hatrétegű metakinek kísérleti permeabilitási spektrumai, különböző húzási arányokkal, 0%, 15, 9%, 29, 7%, 36, 4% és 50%, a szomszédos rétegek közötti két különböző távolságra: d 1 = 13 mm ( a ) és d 2 = 17 mm ( b ).
Teljes méretű kép
Teljes méretű kép
A csupasz dielektromos rúd (zöld - fedetlen), az Ecoflex polimerrel bevont rúd (vörös - polimer) és a fémes héjjal (kék - meta bőr) mért szórási erősség 9 = 37, 5 o szögben ( a ), 45 o ( b ), 60 o ( c ), 90 o ( d ) és 105 o ( e ). Az átlagos szórásnövekedést különböző szögekben a ( f ).
Teljes méretű kép
Az ismételt mérések után a teljes metabőr teljesen működőképes maradt fáradtság és repedés nélkül. A folyékony fém SRR-ek ugyanis képesek áramlani és átalakulni az alkalmazott törzsekre reagálva. Az egyszerű kör alakú SRR mellett számos más mágneses rezonancia szerkezet is alkalmazható a metabőr környezetben a frekvenciaválasztás és a szóráselnyomás végrehajtására 49. Ezenkívül a mágneses rezonátorok mellett folyékony fém rezonáns szerkezetek, például huzalok is integrálhatók ugyanabba az elasztomerbe. Ez lehetővé teszi a maszkoló alkalmazások negatív indexének elérését. Ezenkívül különféle más tágítható és rugalmas dielektromos gazdasejteket lehetne használni ezeknek a folyékony fém rezonáns szerkezeteknek a beágyazására. Ez nagyobb rugalmasságot biztosít számunkra a meta-bőr érintőjének elvesztésének szabályozásában. Mikrohullámú frekvencia üzemmódban a dielektromos veszteségek dominálnak, és a szubsztrátum különböző dielektromos anyagai befolyásolhatják a veszteség érintőjét. Magasabb frekvenciákon, például terahertzen, amikor az ohmos veszteségek jelentősek lesznek, más típusú folyékony fémekre vagy vezető anyagokra van szükség a rezonáns egységek kialakításához.
következtetések
Hosszabbítható és hordozható mikrohullámú metabőrt fejlesztettek ki egy sor SRR folyékony fém beillesztésével egy erősen nyújtható elasztomerbe. Megmutattuk a metabőr erős képességét a frekvenciaválasztó felület rezonanciájának hangolására és a dielektromos anyag különböző irányú ívelt felszínéről történő szétszóródásának elnyomására. A sík nyújtás és a függőleges távolság kombinálásával a többrétegű metainformák rezonáns frekvenciáját 9, 15 - 12, 38 GHz között hangoltuk. A dielektromos rúdnak a metahéj végső hosszával történő becsomagolásával a rúd felszínéről történő szétszóródást 8-10 GHz-en körülbelül 75% -kal elnyomtuk. A jelenlegi metabőr-technológia várhatóan számos alkalmazást talál a hangolás, árnyékolás és az EM-szórás elnyomásában.
Módszerek szétszórt mező dielektromos mintából történő levezetésére
A szórt mezőt úgy kaptuk meg, hogy kivontuk az ütközési mezőt (
) a teljes mezőből (). Ez a művelet nemcsak a mintából szétszórt mezőt vezetheti le, hanem minimalizálhatja a kísérleti háttér rendetlenségét. Két egymást követő mérést hajtottunk végre. Először a mintát a kijelölt helyre tették és
a ) Nyers és feldolgozott szórási nyereség egy metabőrrel bevont nejlonrúdhoz θ = 90 ° szögben. ( b ) Időhöz kötött tartományi jel.
Teljes méretű kép
Az 1. egyenlet felhasználásával a fenti három különböző mintából szétszórt mezőt kaptunk. A metabőrrel borított minta feldolgozott szétszórt mezőjét a 3. ábra mutatja. 7a vörös folytonos vonal. S (ω) -hoz képest a rendetlenség S (co) -ból való eltávolítása után simává válik, miközben a szóródási információk még mindig benne vannak.
További részletek
Hogyan lehet idézni ezt a cikket: Yang, S. és mtsai. A rugalmas és bővíthető meta-atomtól a metamaterialig: Hordható mikrohullámú meta-bőr hangolható frekvenciaválasztó és maszkoló hatásokkal. Sci. ismétlés. 6., 21921; doi: 10, 1038/srep21921 (2016).
Hozzászólások
Megjegyzés benyújtásával elfogadja az Általános Szerződési Feltételeinket és a közösségi irányelveket. Ha bármi sértőnek vagy összeegyeztethetetlennek tűnik a feltételeinkkel vagy irányelveinkkel, jelölje meg nem megfelelőként.