METASTRUCTURES BASED ON POLYMER COMPOSITE MATERIALS AND THEIR PROPERTIES IN THE MICROWAVE RANGE (REVIEW)

УДК 678.8

 

Марковский Александр Сергеевич – магистрант кафедры полимерных композиционных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: sasha.markovskii@mail.ru

Любимов Александр Геннадьевич – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры полимерных композиционных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: lubimov@belstu.by

Петрушеня Александр Федорович – кандидат технических наук, доцент кафедры полимерных композиционных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: petraf@belstu.by

Касперович Ольга Михайловна – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры полимерных композиционных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: kasperovichvolha@yandex.by

Ленартович Лилия Алексеевна – кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры полимерных композиционных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: lenartovich@belstu.by

DOI: https://doi.org/ 10.52065/2520-2669-2024-283-15.

 

Ключевые слова: частотно-селективная поверхность, радар, поглощение излучения, композиты, метаматериалы, экран Солсбери, диапазон поглощения.

Для цитирования: Марковский А. С., Любимов А. Г., Петрушеня А. Ф., Касперович О. М., Ленартович Л. А. Метаструктуры на основе полимерных композиционных материалов и их свойства в СВЧ-диапазоне (обзор) // Труды БГТУ. Сер. 2, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология. 2024. № 2 (283). С. 122–135. DOI: 10.52065/2520-2669-2024-283-15.

Аннотация

В статье приведен обзор литературы по использованию частотно-селективных поверхностей в сочетании с классическим экраном Солсбери, где тонкий слой поглощающего (проводящего) материала находится на расстоянии λ/4 перед проводящей поверхностью, падающая энергия высокочастотного излучения отражается от внешней и внутренней частотно-селективных поверхностей с образованием интерференционной картины нейтрализации исходной волны и в результате происходит подавление падающего излучения. Рассмотрены такие параметры, как диапазон поглощения падающих электромагнитных волн, глубина поглощения и рабочая частота. Применение частотноселективных поверхностей является высокоэффективным способом понижения видимости летающих аппаратов и защиты от электромагнитного излучения. Сфера использования данных поверхностей велика, так как в современном мире применяется полный спектр электромагнитных волн как для обмена информацией и исследования окружающего мира, так и в прикладной форме (в основе принципа работы СВЧ-печей и радаров). Современные материалы и методы производства позволяют получать комплексные поверхности с заданными свойствами. Частотно-селективные поверхности на основе метаматериалов могут не только обеспечить необходимое поглощение, но и сэкономить материал и повысить механические свойства. С ростом числа базовых передающих станций, сокращением расстояния между ними и жилыми постройками, с распространением беспроводных сетей особый интерес у исследователей вызывают методы экранирования окружающего пространства, а именно, рабочих мест и жилых помещений. Чтобы гарантировать распространение света и в то же время уменьшить проникновение электромагнитных волн определенных частот через оконные проемы, также предлагается использовать частотно-селективные поверхности

.. Скачать

Список литературы

  1. Microstructure, electrical conductivity and microwave absorption properties of γ-Feni Decorated Carbon Nanotube Composites / Q. Yang [et al.] // Composites. 2016. Part B, Engineering. No. 87. P. 256–262. DOI: 10.1016/j.compositesb.2015.09.056.
  2. Remarkable microwave absorption performance of graphene at a very low loading ratio / C.-Y. Chen [et al.] // Composites. 2017. Part B, Engineering. No. 114. P. 395–403. DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.02.016.
  3. Effect of delamination on the electromagnetic wave absorbing performance of radar absorbing structures / S.-W. Eun [et al.] // Composites. 2015. Science and Technology. No. 116. P. 18–25. DOI: 10.1016/ j.compscitech.2015.04.001.
  4. Techniques to enhance magnetic permeability in microwave absorbing materials / H. Wei [et al.] // Applied Materials Today. 2020. No. 19. P. 100596. DOI: 10.1016/j.apmt.2020.100596.
  5. Ultra-broadband nanostructured metamaterial absorber based on stacked square-layers of TiN/TiO2 / S. Mehrabi [et al.] // Optical Materials Express. 2022. No. 12 (6). P. 2199 – 2210. DOI: 10.1364/ome.459766.
  6. Absorbent body of electromagnetic waves: patent US 2599944 / W. W. Salisbury. Jun. 10, 1952.
  7. Nouta R. The jaumann structure in wave‐digital filters // International Journal of Circuit Theory and Applications. 1974. No. 2 (2). P. 163–174. DOI: 10.1002/cta.4490020205.
  8. Progressive Review of functional nanomaterials-based polymer nanocomposites for efficient EMI shielding / P. Kallambadi Sadashivappa [et al.] // Journal of Composites Science. 2023. No. 7 (2). P. 77. DOI: 10.3390/jcs7020077.
  9. Multi-directional cloak design by all-dielectric unit-cell optimized structure / M. Ayik [et al.] // Nanomaterials. 2022. No. 12 (23). P. 4194. DOI: 10.3390/nano12234194.
  10. Bringing the “perfect lens” into focus by near-perfect compensation of losses without gain media / W. Adams [et al.] // New Journal of Physics. 2022. No. 18 (12). P. 125004. DOI: 10.1088/1367-2630/aa4f9e.
  11. Varamini G., Keshtkar A., Naser-Moghadasi M. Miniaturization of microstrip loop antenna for wireless applications based on Metamaterial Metasurface // AEU – International Journal of Electronics and Communications. 2018. No. 83. P. 32–39. DOI: 10.1016/j.aeue.2017.08.024.
  12. Wang D. S., Qu S.-W., Chan C. H. Frequency selective surfaces // Handbook of Antenna Technologies. 2016. P. 471–525. DOI: 10.1007/978-981-4560-44-3_23.
  13. Broadband metamaterial absorber for low-frequency microwave absorption in the S-Band and C-band / Z. Zhang [et al.] // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. No. 497. P. 166075. DOI: 10.1016/ j.jmmm.2019.166075.
  14. Sood D., Tripathi C. C. A compact ultrathin ultra-wideband metamaterial microwave absorber // Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications. 2017. No. 16 (2). P. 514–528. DOI: 10.1590/2179-10742017v16i2797.
  15. A novel ultrathin wideband metamaterial absorber for X-band applications / P. Ranjan [et al.] // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 2019. No. 33 (17). P. 2341–2353. DOI: 10.1080/ 09205071.2019.1681299.
  16. Labidi M., Choubani F. Performances enhancement of metamaterial loop antenna for terahertz applications // Optical Materials. 2018. No. 82. P. 116–122. DOI: 10.1016/j.optmat.2018.05.050.
  17. Broadband infrared plasmonic metamaterial absorber with multipronged absorption mechanisms / C.-H. Fann [et al.] // Opt. Express. 2019. No. 27. P. 27917–27926. DOI: 10.1364/OE.27.027917.
  18. Disordered and Densely Packed ITO Nanorods as an Excellent Lithography-Free Optical Solar Reflector Metasurface / D. U. Yildirim [et al.] // ACS Photon. 2019. No. 6. P. 1812–1822. DOI: 10.1021/ acsphotonics.9b00636.
  19. Experimental demonstration of water based tunable metasurface / M. A. Odit [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2016. No. 109. P. 011901. DOI: 10.1063/1.4955272.
  20. A dual band metamaterial inspired absorber for WLAN/Wi-MAX applications using a novel I-shaped unit cell structure / G. Sen [et al.] // Proceedings of the 2016 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC), New Delhi, India, 5–9 Desember 2016. New Delhi, 2016. P. 1–3. DOI: 10.1109/APMC.2016.7931413.
  21. Gain enhancement of transmitting antenna incorporated with double-cross-shaped electromagnetic metamaterial for wireless power transmission / B. Ma [et al.] // Optik. 2016. No. 127. P. 6754–6762. DOI: 10.1016/j.ijleo.2016.04.107.
  22. Zhang X., Zhou G. Broadband asymmetric electromagnetic wave absorption tailored by impedance gradation: to construct diode-like absorbers // Mater. Lett. 2015. No. 149. P. 29–32. DOI: 10.1016/ j.matlet.2015.02.099.
  23. Sood D., Tripathi C. C. A polarization insensitive ultrathin compact triple band metamaterial absorber // Indian J. Pure Appl. Phys. 2018. No. 56. P. 149–157.
  24. Design of a polarization-insensitive triple-band metamaterial absorber / S. Ji [et al.] // Optics Communications. 2019. No. 432. P. 65–70. DOI: 10.1016/j.optcom.2018.09.040.
  25. Ghosh S., Srivastava K. V. An equivalent circuit model of FSS-based metamaterial absorber using coupled line theory // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2015. No. 14. P. 511–514. DOI: 10.1109/lawp.2014.2369732.
  26. A Broadband Metamaterial Based Radar Absorber / T. Beeharry [et al.] // Proceedings of the 12th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2018), London, UK, 9–13 April 2018. London, 2018. P. 199. DOI: 10.1049/cp.2018.0558.
  27. A simplified design of broadband metamaterial absorber covering X- and Ku-band / L. Sun [et al.] // Mater. Res. Express. 2020. No. 6. P. 125805. DOI: 10.1088/2053-1591/ab62f6.
  28. Facile design of an ultra-thin broadband metamaterial absorber for C-band applications / N. T. Q. Hoa [et al.] // Sci. Rep. 2019. No. 9. P. 468. DOI: 10.1038/s41598-018-3645366.
  29. An Ultrathin and Ultrawideband Metamaterial Absorber and an Equivalent-Circuit Parameter Retrieval Method / J. B. O. De Araujo [et al.] // IEEE Trans. Antennas Propag. 2020. No. 68. P. 3739–3746. DOI: 10.1109/tap.2020.2963900.
  30. Веденькин Д. А., Шаронов Д. Е. Анализ характеристик управляемой частотно-селективной поверхности в СВЧ диапазоне // Инженерный вестник Дона. 2017. № 2. C. 4233.
  31. Шаронов Д. Е., Ишкаев Т. М. Математическое моделирование управляемых частотно- селективных поверхностей // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2. C. 5031.
  32. Латыпова А. Ф. Сверхширокополосные радиопоглощающие структуры с сосредоточенными и распределенными диссипативными элементами: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Воронеж. 2015. 18 с.
  33. Toward an ultra-wideband hybrid metamaterial based microwave absorber / A. El Assal [et al.] // Micromachines. 2020. No. 11 (10). P. 930. DOI: 10.3390/mi11100930.
  34. Metamaterial-basedbperfect absorber: Polarization insensitivity and broadband / T. H. Nguyen [et al.] // Adv. Nat. Sci. Nanosci. Nanotechnol. 2014. No. 5. P. 025013. DOI: 10.1088/2043-6262/5/2/025013.
  35. Perfect absorber metamaterials: Peak, multi-peak and broadband absorption / D. Viet [et al.] // Opt. Commun. 2014. No. 322 P. 209–213.
  36. Broadening the absorption bandwidth of metamaterial absorber by coupling three dipole resonances / D. Q. Vu [et al.] // Phys. B Condens. Matter. 2018. No. 532. P. 90–94. DOI: 10.1016/j.physb.2017.03.046.
  37. Beeharry T., Yahiaoui R., Selemani K. A dual layer broadband radar absorber to minimize electromagnetic interference in radomes // Sci. Rep. 2018. No. 8. P. 382. DOI: 10.1038/s41598-017-18859-w.
  38. Ultra-wideband and Polarization-Insensitive Perfect Absorber Using Multilayer Metamaterials, Lumped Resistors, and Strong Coupling Effects / S. J. Li [et al.] // Nanoscale Res. Lett. 2018. No. 13. P. 386. DOI: 10.1186/s11671-018-2810-0.
  39. Numerical study of a broadband metamaterial absorber using a single split circle ring and lumped resistors for X-band applications / T. Q. H. Nguyen [et al.] // AIP Adv. 2020. No. 10. P. 035326. DOI: 10.1063/1.5143915.
  40. Ghosh S., Nguyen T. T., Lim S. Recent progress in angle-insensitive narrowband and broadband metamaterial absorbers // EPJ Appl. Metamaterials. 2019. No. 6. P. 12. DOI: 10.1051/epjam/2019010.
  41. Nguyen T. T., Lim S. Angle- and polarization-insensitive broadband metamaterial absorber using resistive fan-shaped resonators // Appl. Phys. Lett. 2018. No. 112. P. 021605. DOI: 10.1063/1.5004211.
  42. Broadband Metamaterial Microwave Absorber Utilizing Both Magnetic and Electric Resonances / W. Wang [et al.] // Proceedings of the 2018 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference (CSQRWC), Xuzhou, China, 21–24 July 2018. Xuzhou, 2018. P. 1–3. DOI: 10.1109/ CSQRWC.2018.8455549.
  43. On the Design of Ultrawideband Circuit Analog Absorber Based on Quasi-Single-Layer FSS / Z. Yao [et al.] // IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett. 2020. No. 19. P. 591–595. DOI: 10.1109/lawp.2020.2972919.
  44. Ghosh S., Srivastava K. V., Bhattacharyya S. Design, characterisation and fabrication of a broadband polarisation-insensitive multi-layer circuit analogue absorber // IET Microwaves, Antennas Propag. 2016. No. 10. P. 850–855. DOI: 10.1049/iet-map.2015.0653.
  45. Combination of artificial materials with conventional pyramidal absorbers for microwave absorption improvement / L. Pometcu [et al.] // Mater. Res. Bull. 2017. No. 96. P. 86–93. DOI: 10.1016/j.materresbull.2016.12.050.
  46. Comptibility of optical transparency and microwave absorption in C-band for the metamaterial with second-order cross fractal structure / D. Shan [et al.] // Phys. E Low Dimens. Syst. Nanostruct. 2020. No. 116. P. 113756. DOI: 10.1016/j.physe.2019.113756.
  47. Özden K., Yücedağ O. M., Kocer H. Metamaterial based broadband RF absorber at X-band // AEU Int. J. Electron. Commun. 2016. No. 70. P. 1062–1070. DOI: 10.1016/j.aeue.2016.05.002.
  48. Xiao D., Tao K. Ultra-compact metamaterial absorber for multiband light absorption at mid-infrared frequencies // Appl. Phys. Express. 2015. No. 8. P. 102001. DOI: 10.7567/APEX.8.102001.
  49. Design and fabrication of X band frequency selective surface / E. Yazarel [et al.] // 7th International Electromagnetic Compatibility Conference (EMC Turkiye). Istanbul, 2023. P. 1–6. DOI: 10.1109/ emcturkiye59424.2023.10287513.
  50. A bandwidth-enhanced metamaterial absorber based on dual-band sub-cells / D.-E. Wen [et al.] // Optik. 2016. No. 127 (14). P. 5585–5590. DOI: 10.1016/j.ijleo.2016.03.063.
  51. Metal-free carbon nanotubes: synthesis, and enhanced intrinsicmicrowave absorption properties / X. Qi [et al.] // Sci. Rep. 2016. No. 6. P. 28310. DOI: 10.1038/srep28310.
  52. Processing of graphene nanoribbon based hybrid composite for electromagnetic shielding / A. Joshi [et al.] // Composites. 2015. Part B, Engineering. No. 69. P. 472–477. DOI: 10.1016/i.compositesb.2014.09.014.
  53. Perfect metamaterial absorber / N. I. Landy [et al.] // Physical Review Letters. 2008. No. 100 (20). P. 207402. DOI: 10.1103/physrevlett.100.207402.
  54. An ultrathin, triple-band metamaterial absorber with wide-incidentangle stability for conformal applications at X and Ku frequency band / G. Deng [et al.] // Nanoscale Res. Lett. 2020. No. 15 (1). P. 1–10. DOI: 10.1186/s11671-020-03448-0.
  55. Ramya S., Srinivasa Rao I. An ultrathin compact wideband metamaterial absorber // Radioengineering. 2018. No. 27 (2). P. 364–372. DOI: 10.13164/re.2018.0364.
  56. Ultra-wideband and polarization-insensitive perfect absorber using multilayer metamaterials, lumped resistors, and strong coupling effects / S. J. Li [et al.] // Nanoscale Res. Lett. 2018. No. 13 (1). P. 386. DOI: 10.1186/s11671-018-2810-0.
  57. Mol V. L., Aanandan C. An ultrathin microwave metamaterial absorber with enhanced bandwidth and angular stability // J. Phys. Comm. 2017. No. 1 (1). P. 015003. DOI: 10.1088/2399-6528/aa80c1.
  58. Sood D., Tripathi C. C. A compact ultrathin ultra-wideband metamaterial microwave absorber // Microwaves, Optoelec. Electromag. Appl. 2017. No. 16 (2). P. 514–528. DOI: 10.1590/2179-10742017v16i2797.
  59. Nguyen T. T., Lim S. Angle- and polarization-insensitive broadband metamaterial absorber using resistive fan-shaped resonators // Appl. Phys. Lett. 2018. No. 112 (2). P. 021605. DOI: 10.1063/1.5004211.
  60. Mishra R. K., Gupta R. D., Datar S. Metamaterial microwave absorber (MMA) for electromagnetic interference (EMI) shielding in X-band // Plasmonics. 2021. No. 16 (6). P. 2061–2071. DOI: 10.1007/s11468-021-01465-y.
  61. Skolnik M. I. Introduction to radar systems. New York: McGraw-hill Inc., 1980. 572 p.
  62. Moschytz G. (n.d.). Trade-offs in sensitivity, component spread and component tolerance in active filter design // Trade-Offs in Analog Circuit Design. 2022. No. 1. P. 315–339. DOI: 10.1007/0-306-47673-8_11.
  63. Zabri S. N., Cahill R., Schuchinsky A. Compact FSS absorber design using resistively loaded quadruple hexagonal loops for bandwidth enhancement // Electronics Letters. 2015. No. 51 (2). P. 162–164. DOI: 10.1049/el.2014.3866.
  64. Shang Y., Shen Z., Xiao S. On the design of single-layer circuit analog absorber using double-squareloop array // IEEE Trans. Antennas Propag. 2013. No. 61 (12). P. 6022–6029. DOI: 10.1109/TAP.2013.2280836.
  65. Ultra-thin reconfigurable electromagnetic metasurface absorbers / I. Martinez [et al.] // 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Gothenburg, Sweden, April 2013. Cothenburg, 2013. P. 1784–1788.
  66. A triple-band ultrathin metamaterial absorber with wide-angle and polarization stability / C. Liang [et al.] // IEEE Antennas Wireless Propag. Lett. 2015. No. 14. P. 241–244.
  67. Design of dual-band polarization controllable metamaterial absorber at terahertz frequency / B.-X. Wang [et al.] // Results in Physics. 2020. No. 17. P. 103077. DOI: 10.1016/j.rinp.2020.103077.

Поступила 15.07.2024