Subiecte

Abstract

Interacțiunea fazelor dintre dipoli electrici și magnetici suprapusi cu amplitudine egală generată exclusiv de structuri dielectrice prezintă o paradigmă intrigantă în manipularea energiei electromagnetice. Aici, oferim o implementare holistică prin propunerea unei rute de fabricație aditivă și a principiilor de proiectare asociate care permit programarea și fabricarea microstructurilor sintetice multi-materiale. La rândul său, compunem, fabricăm și validăm experimental primele absorbante electromagnetice de bandă largă electromagnetice, care se indică în mod 3D, demonstrabile, care indică drumul spre eludarea limitărilor tehnice ale configurațiilor convenționale de absorbție metal-dielectrică. Una dintre inovațiile cheie este distribuirea judiciară a unei substanțe moi dispersive cu o constantă dielectrică ridicată, cum ar fi apa, într-o matrice cu dielectricitate scăzută pentru a spori absorbția undelor la o scară de lungime redusă. În parte, aceste rezultate extind promisiunea producției aditive și ilustrează puterea optimizării topologiei pentru a crea răspunsuri magnetice și electrice atent elaborate, care vor găsi cu siguranță noi aplicații în spectrul electromagnetic.

Introducere

O cale promițătoare pentru asigurarea unui răspuns diamagnetic robust pentru a se potrivi cu omologul său electric este utilizarea particulelor dielectrice cu lungime de undă înaltă cu indice ridicat, care s-au dovedit a susține o rezonanță magnetică și electrică robustă dipolară 10,11. Împuternicită cu principiul 12.13 al lui Huygens, structura propusă oferă soluții potențiale pentru proiectarea metamaterialelor eficiente cu un singur strat și interpretarea noastră a acestora, un absorbant perfect în bandă largă. Principiul de bază este că, dacă o particulă prezintă o combinație critică de rezonanțe dipolare magnetice și electrice pure suprapuse spectral, cu rezistență egală, controlul arbitrar asupra câmpului de împrăștiere poate fi garantat sub iluminarea undei plane. În special, direcția acestui câmp împrăștiat depinde numai de relațiile de fază ale fiecărei particule 14.15 .

În această lucrare, verificăm experimental această abordare, demonstrând un absorbant electromagnetic perfect imprimat în 3D, care este egal cu impedanța pe o gamă largă de frecvențe, deschizând calea pentru a ocoli limitele fundamentale ale configurațiilor metalice-dielectrice convenționale. O inovație cheie este facilitarea prin optimizarea topologiei a unei substanțe moi dispersive cu o constantă dielectrică ridicată, apă, într-o matrice cu dielectric redus tipărit 3D pentru a crea un răspuns EM adaptat. Acest concept va deschide posibilități de a adăuga funcționalități suplimentare proiectelor metamateriale și meta-suprafețe 16,17, ajutate de capacitățile din ce în ce mai mari în fabricația aditivă, factorul limitativ fiind disponibilitatea directă a materialelor imprimabile/substituibile cu dielectricitate ridicată. În prezent, dielectricele cu indice ridicat imprimabile cu polijet nu există în comerț, deși s-au făcut unele eforturi pentru a crea compozite polimerice BaTiO3/ABS imprimabile cu depunere topită cu permitivități de până la 8 3 .

Spre deosebire de aplicațiile tradiționale ale primei condiții 18 a lui Kerker, aceea a unui material potrivit cu impedanța care corespunde unei surse secundare ideale Huygens, adoptăm componenta de pierdere deseori ignorată și ne concentrăm asupra dezvoltării unui mecanism prin care putem decupla cerința de potrivire a impedanței de materialul dispersiv răspunsuri. Prin distribuția deliberată a fluidului în structură, putem induce un comportament specific dipol electric și magnetic. Mai exact, câmpul incident este cuplat în mod eficient în apă fără reflexie la interfață, asigurând absorbția completă a energiei EM. Controlăm independent dimensiunile treptate și amplasarea picăturilor de apă în structura gazdă, asigurându-se că rezonanțele electrice și magnetice îmbunătățite multiple se suprapun, obținând răspunsuri de frecvență în bandă largă. Aceste proprietăți nu au fost încă realizate și nu sunt posibile doar de la arhitecții convenționali omogeni sau compoziții cu un singur nucleu 19 .

Deși apa este aleasă în acest design, abordarea propusă este una generală, subliniind potența materialelor AM și dielectrice ridicate pentru a sintetiza metamateriale multistrate monostrat decât pot produce răspunsuri electromagnetice complexe. Într-adevăr, pentru proiectul dat apa este o alegere naturală care oferă funcționalitatea necesară, în timp ce este conservatoare de volum, reglabilă termic, transparentă din punct de vedere optic, abundentă, biocompatibilă și comutabilă 20. Ca o structură complet dielectrică, abordarea propusă va funcționa pentru microundele de mare putere, unde dispozitivele de absorbție cu componente metalice sunt problematice din cauza arcului 21, este, de asemenea, fezabilă. Alte implementări practice care ar beneficia de această tehnologie includ amortizoare EM transparente optic și ecranare electromagnetică care necesită răcire cu aer, un produs secundar al designului. Trebuie remarcat faptul că, deși designul invariant z 2d propus aici ar putea fi fabricat folosind fabricarea subtractivă sau turnarea prin injecție datorită generalismului rutinei de proiectare AM oferă cea mai mare flexibilitate de fabricație, precum și funcționalitate de proiectare la cerere.

Discuţie

Analiza noastră începe cu condițiile teoretice necesare pentru absorbția totală a undelor plane în mod normal incidente de o matrice periodică infinită 1d de dipoli electrici și magnetici fictivi, așa cum este stabilit de teoria antenei 22,23. Această matrice este compusă din elemente unitare cu perioadă de lungime de undă α care sub iluminare electromagnetică induc un electric p și momentul dipol magnetic m. Aceste momente sunt reciproc ortogonale, cu componentele corespunzătoare aliniate de-a lungul direcțiilor câmpului incidentului electric și magnetic. Așa cum este prescris de principiul lui Huygens, această matrice de momente poate crea unde radiante simetrice secundare cu amplitudine egală în direcțiile transmise și reflectate 23,24, care pot fi exprimate prin

științifice

Structura tipărită tridimensională conform configurației experimentale fabricată cu fotopolimer transparent Stratasys VeroClear Fullcure 810 (VC810) în modul HQ gloss pe imprimanta Objet30 Prime la o înălțime de 13 mm.

Coeficienții de transmisie, reflexie și absorbție în funcție de unghiul incident și lungimea de undă sunt prezentați în Fig. 2 (c, d); unde un coeficient de absorbție 1 corespunde absorbției complete. Împreună, ele reprezintă succesul structurii propuse în crearea unei benzi largi complet dielectrice (8-18 GHz), unghiular independent (θ = 0-40 grade) dispozitiv cu 90% plus absorbție pentru polarizarea TM. În acest interval, se pot realiza amplitudini de transmisie și reflexie de -20 dB cu o absorbție de până la 98%. Pe baza unei generalizări a condițiilor Kerker 18,19,27,28 putem reforma ecuația. 1 pentru suprimarea radiațiilor în unghiuri asemănătoare

unde semnul minus al y componentul a fost absorbit de produsul încrucișat (a se vedea ecuația 9). Astfel, radiația poate fi suprimată pentru unghiuri în direcția înapoi până la |θ - θeu| ≤ π/ 2 dacă se respectă această condiție (vezi Fig. Suplimentară 10 (a - d)). Sursa stabilității unghiulare este o consecință directă atât a simetriei de rotație forțată cu 4 căi (Fig. 2 (a) suplimentară), cât și a excitației cu unghi larg a răspunsului magnetic datorită distribuției apei, așa cum este evident în Fig. 11 (a - d).

Simulat moment echivalent extras și proprietăți dielectrice pentru proiectarea absorbantului. (A) Real și (b) componentă imaginară scalată a rezonanțelor momentului dipol electric (roșu) și magnetic (albastru), unde un răspuns zero îndeplinește cazul teoretic pentru o absorbție perfectă. Părți reale și imaginare ale (c) indicele efectiv de refracție inversat și (d) impedanță, extrasă din parametrii S pentru unde plane normal incidente. Structura are un indice de refracție aproape zero (indicând evoluția fazei zero), o unitate de impedanță apropiată și o parte imaginară mare pe banda de optimizare de interes. Prin urmare, această configurație corespunde unui mediu care este adaptat la impedanță, asigurând o interfață de reflexie redusă (fără reflexii) cu pierderi mari, unde undele electromagnetice sunt puternic evanescente (fără transmisie).

Diagramele magnetice de suprafață simulate, timpul de curgere a puterii și amplitudinea câmpului electric sunt normalizate în spațiu liber pentru trei frecvențe discrete care corespund rezonanțelor maxime cheie ale suprafeței electrice și magnetice. (A,c,e) −x ilustrează săgeata logaritmică a suprafeței scalate și curge (roșu) pentru X și y componente ale câmpului magnetic la 8,53, 13,48 și respectiv 16,31 GHz pentru iluminarea de la limita LH (albastru reprezintă zonele apei), + x 180 ° imagine rotită a magnitudinii câmpului magnetic corespunzător. (b,d,f) −x ilustrează timp săgeată medie (magenta) timp de curgere a puterii scalate logaritmice și + x mărimile câmpului electric rotit la 180 °. O evoluție în centrele modului este evidentă pe măsură ce lungimea de undă scade și pătrunde mai adânc în spațiul dintre cilindrii periodici. În mod individual, acestea evoluează de la poziția 2 la 8,53 GHz la pozițiile 1 și 2 la 13,48 GHz până la 1 și 3 la 16,31 GHz.

Succesul abordării propuse este convingător având în vedere eficacitatea cu care folosește tehnologiile existente de fabricație aditivă pentru a sintetiza structuri multi-materiale dielectrice, care pot produce răspunsuri electromagnetice complexe. În plus, aceste rezultate pun în discuție punctul de vedere obișnuit că rolul AM în electromagnetic se limitează doar la înlocuirea abordării de fabricație existente, când, de fapt, dacă cu adevărat îmbrățișat AM poate fi catalizatorii pentru crearea unor dispozitive EM îmbunătățite din lumea reală prin adăugarea unei dimensiuni suplimentare procesul de proiectare. Într-adevăr, utilizarea noastră de materiale neortodoxe, împreună cu o reimaginare a principiului lui Huygens, va servi pentru a conduce la descoperiri tehnologice suplimentare în spectrul electromagnetic, utilizând metodologii de proiectare inspirate în mod similar.

Metode

Experimental

Implementare numerică

unde \ (>> _, >> _ \) sunt setul de indici al tuturor frecvențelor și elementelor de discretizare a elementelor finite în mod respectabil, așa cum sunt definite în spațiu d între pereții exteriori și interiori așa cum se arată în Fig. 2 (a). In timp ce Vc, vm exprimă volumul total care poate fi ocupat de apă și respectiv volumul elementelor FEM individuale. Optimizarea topologiei (TO) 32 oferă ulterior abordarea sistematică necesară pentru a ține cont de acest mediu complex în procesul de proiectare, producând proiecte neintuitive prin redistribuirea judiciară și iterativă a materialului în limitele proiectării, în mod optim (a se vedea figurile 1 și 2 (b) pentru final proiecta). În esență, TO înlocuiește problema de optimizare cu o problemă de distribuție a materialului în cadrul arhitecturii utilizând o funcție de densitate caracteristică εr,m dat de

Această ecuație efectuează implicit filtrarea noastră, acționând ca un filtru low-pass care funcționează pe funcția scalară brută ρ, pentru a produce funcția scalară netezită \ (\ tilde \). Parametrul lungimii scalare r este setat la dimensiunea maximă a ochiurilor și manipulează profilul integralei medii în descompunere monotonă centrată la celula sursă, introducând efectiv o scală de lungime minimă în proiectare. Pe măsură ce acest parametru se apropie de zero, vedem o creștere a vârfurilor izolate până când funcția se apropie de cea a funcției delta Dirac și câmpul de ieșire seamănă cu cel al unuia nefiltrat (Fig. Suplimentară 2 (d)). În acesta, coeficientul de difuzie c este setat sa r 2 și termenul sursă la ρ, cu flux zero impus perimetrului de proiectare în concordanță cu condițiile omogene de graniță Neumann. Pentru a ajunge la o soluție binară și prin extensie, una tipărită, în timp ce se potrivește optimizării bazate pe gradient care necesită o funcție caracteristică continuă, diferențiată, este necesară modificarea atentă a densităților intermediare impuse \ (\ tilde \). Acest echilibru poate fi atins prin implementarea filtrului neliniar Heaviside 36 de conservare a volumului, luând forma unei funcții analitice cu derivate corespunzătoare date de

Expresii multipolare

Pentru a demonstra condițiile teoretice pentru o absorbție perfectă așa cum este stabilit în ecuație. 1, înlocuim curenții de polarizare induși . excitat în interiorul volumului cilindric cu multipoli electrici și magnetici care acționează ca surse punctuale echivalente pentru câmpul împrăștiat în spațiul liber. Din teoria multipolului 37.38, dipolul electric pe unitate de lungime p, dipol magnetic m, cvadrupol electric Îe și cvadrupol magnetic Îm momentele pentru cazul bidimensional pot fi obținute prin integrarea curentului indus pe suprafața secțiunii transversale (S)