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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3641 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Neste trabalho, é explorada uma metassuperfície multi-ressonante que pode ser adaptada para absorver microondas em uma ou mais frequências. As formas de superfície baseadas em um motivo de 'âncora', incorporando elementos ressonantes de formato hexagonal, quadrado e triangular, mostram-se facilmente adaptáveis ​​para fornecer uma gama direcionada de respostas de microondas. Uma metassuperfície que consiste em uma camada de cobre gravada, espaçada acima de um plano de terra por um dielétrico fino (<1/10 de comprimento de onda) de baixa perda é caracterizada experimentalmente. As ressonâncias fundamentais de cada elemento moldado são exibidas em 4,1 GHz (triangular), 6,1 GHz (quadrado) e 10,1 GHz (hexagonal), proporcionando potencial para absorção de frequência única e múltipla em uma faixa que é de interesse para a indústria alimentícia . Medições de refletividade da metassuperfície demonstram que os três modos de absorção fundamentais são amplamente independentes da polarização incidente, bem como dos ângulos azimutais e de elevação.

O uso de metamateriais como absorvedores de radiofrequência (RF) tem sido de interesse de muitos pesquisadores1,2,3,4,5,6. A grande maioria das estruturas estudadas depende do arranjo periódico de células unitárias com dimensões pré-projetadas. Esses metamateriais periódicos (melhor denominados 'metasuperfícies') têm uma ampla gama de aplicações potenciais, incluindo redução da seção transversal do radar (RCS)3, detecção1,4 e projeto de células solares1,5.

Um dos exemplos mais simples de tal absorvedor é ilustrado pelo trabalho de 2004 de alguns dos autores atuais7. Em sua investigação, uma estrutura que consiste em um conjunto de tiras metálicas finas separadas de um plano de terra por um núcleo dielétrico fino mostrou ser um absorvedor de banda estreita muito eficaz. As frequências ressonantes da estrutura foram simplesmente determinadas pela largura das tiras metálicas, pela sua separação do plano de terra, pelo espaço entre as tiras e pela permissividade relativa e pela espessura do núcleo dielétrico. Nos experimentos, eles demonstraram uma forte banda de absorção em aproximadamente 7 GHz em uma estrutura com menos de 400 μm de espessura (aproximadamente 100 vezes menor que o comprimento de onda).

Nos anos subsequentes, esses absorvedores simples foram adaptados usando uma variedade de diferentes padrões e estruturas periódicas8,9,10,11,12. Grande parte do trabalho concentrou-se em adicionar ressonâncias adicionais ou ampliar a largura de banda. Essas abordagens incluíram o uso de estruturas multicamadas13, células unitárias multirressonantes14,15,16, geometrias fractais17,18,19, padrões não periódicos20,21,22,23 e materiais magnéticos24. O uso de estruturas multicamadas oferece um método extremamente eficaz para ampliar a largura de banda de absorção. No entanto, a ampliação dos modos ocorre às custas do aumento da espessura total do absorvedor, o que pode ser indesejável para certas aplicações. As metassuperfícies em camadas também exigem frequentemente um alinhamento preciso das camadas, acrescentando complexidade à fabricação dos dispositivos. Outra abordagem para ampliar a banda de absorção é criar uma célula unitária com múltiplas estruturas ressonantes que operam em bandas de frequência vizinhas – e talvez sobrepostas.

Recentemente, várias metassuperfícies com ressonâncias pouco espaçadas foram propostas . Estas estruturas são de interesse devido a aplicações que podem exigir acoplamento seletivo a modos ressonantes discretos. Uma série de estruturas complexas foram propostas, tanto como absorvedores de metassuperfícies quanto como superfícies seletivas de frequência (FSS)26,27,28,29,30,31,32. Ao projetar uma metassuperfície, para a maioria das aplicações, o controle de polarização e a estabilidade angular são características essenciais. Para satisfazer estes critérios, as estruturas hexagonais são frequentemente exploradas, pois proporcionam o mais alto nível de simetria bidimensional.

Neste artigo, com base na ideia de modos ressonantes intimamente separados, estudamos as propriedades ressonantes de novos padrões em forma de âncora com três modos ressonantes localizados. Os padrões estão acima de um plano de terra que pode ser simplesmente tesselado, criando estruturas de absorção de RF semelhantes às de referência7. Em geral, existem quatro tipos básicos de grupos de elementos ressonadores que foram classificados em3: N-pólos (Grupo-1), formas cortadas (Grupo-2), formas sólidas (Grupo-3) e uma combinação dos outros ( Grupo-4). Os padrões em forma de âncora explorados neste trabalho são classificados como ressonadores do Grupo 1. O objetivo desta pesquisa foi identificar uma metassuperfície que suporta múltiplas ressonâncias localizadas e angularmente independentes simultaneamente, permitindo a funcionalidade multifrequência, mas com a opção de desativar uma ou mais bandas por pequenas modificações de padrão com efeito mínimo no desempenho das bandas restantes. .