広角・広帯域マイクロ波吸収のための3Dプリントプロペラ型メタマテリアル

広角・広帯域マイクロ波吸収のための3Dプリントプロペラ型メタマテリアル
寄稿者: 張通通、王玲 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

メタマテリアルは、自然界の物質にはない独特の電磁気特性と機能を持つサブ波長単位で構成された人工構造です。電磁波吸収メタマテリアル、特に広帯域および広角吸収体は、民間および軍事の両分野で大きな価値があります。現在までに、ほとんどの吸収メタマテリアルは、従来の等価回路理論と有効媒体理論に基づいて設計および最適化されています。ただし、これらの方法は通常、電磁波がメタ表面吸収体に垂直に入射する場合に適用できます。 3D 構造におけるサブ波長構造の複雑な電磁場分布と空間異方性を考慮すると、大角度の斜入射下での上記方法の適用範囲は大幅に減少します。

南京大学の Ruiyang Tan 氏は、アンテナの相互性理論に基づいて 3D プリントされたプロペラ型吸収メタマテリアルを提案し、実証しました。アンテナの相互性理論によれば、アンテナが信号を受信する負荷として最適化されたソースインピーダンスで終端されると、アンテナは自身の放射パターンに対応する吸収性能を持つことになります。吸収メタマテリアルのサンプルは、図 1 に示すように、熱溶解積層法 (FDM) 3D 印刷技術を使用して、自家製のカーボン ブラック (CB) 充填ポリプロピレン (PP) 複合ワイヤから製造されました。

図 1 プロペラ型吸収メタマテリアルの作成プロセス。図 2 に示すように、典型的な磁気結合アンテナを使用してプロペラのような構造ユニットを設計します。電流 J を持つ上部の金属ブレードは電気双極子に相当し、同等の磁化強度 M を持つ垂直の金属軸は磁気双極子に相当します。電気双極子は、電場平面では 8 の字型の放射パターンを持ち、磁場平面では O 字型のパターンを持ちますが、磁気双極子は反対の特性を持ちます。これらを適切な振幅と位相で同時に組み合わせて励起すると、相補性を通じて全方向性放射を実現でき、アンテナの相反性理論で説明されているように広帯域吸収も実現できます。全体の構造は4回の回転対称性を持ち、偏光感度を弱めます。

図2 プロペラ型吸収構造の原理(a)プロペラ型構造のモード的意味(b)および放射パターン、異なるモードの電界分布および電流分布(ce)を図3に示します。反射率曲線はシミュレーション結果に非常に近いです。プロペラ型吸収メタマテリアルは、3.5GHzから11.2GHzまでの垂直入射電磁波の90%以上を効果的に吸収することができ、帯域幅はシミュレーション結果よりもわずかに広くなります。また、磁気電気アンテナ設計に基づく吸収メタマテリアルは、TE および TM 偏波に対して優れた広角および広帯域吸収性能を持つことも実証されています。

図3 サンプルと反射率測定システム (a) 測定された反射率とシミュレーションによる反射率の比較 (b) 異なる入射角でのTE偏光(c)とTM偏光(d)に対する吸収体の測定された吸収性能 参考文献:
Ruiyang, T. et al. 広角・広帯域マイクロ波吸収用3Dプリントプロペラ型メタマテリアル。Journal of Materials Science & Technology。2023;45。

材料、メタマテリアル

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