Métasurface d’absorption et de conversion de polarisation reconfigurable compatible avec de grands angles d’incidence

Configuration géométrique

La structure de cellule unitaire proposée (voir Fig. 2) se compose d’un anneau et d’un résonateur à anneau fendu soutenu par deux talons parallèles. Les diodes PIN (BAR64-02 V) sont intégrées dans les deux espaces du résonateur à anneau fendu le long d’une direction qui forme un angle de 45 degrés avec l’axe des x, comme indiqué sur la figure 2. Les couches supérieure et de masse de la structure conçue sont séparées. par un substrat FR-4 de 3,2 mm (({varepsilon }_{mathrm{r}}=4.2) et tangente de perte de 0,025). Les paramètres optimisés du design proposé sont : a = 1, b = 0,7, c = 1, R₁= 7,27, R₂= 5,6 et X = Y = 16 (le tout en mm).

Contexte théorique

Les concepts fondamentaux des métasurfaces absorbantes sont basés sur la théorie de la réflexion multiple et la théorie de l’adaptation d’impédance.¹⁹. Dans le cas de phénomènes de réflexion multiples²⁰, l’onde EM entrante traverse la structure et le substrat conçus et est ensuite réfléchie par la couche de sol. Après avoir traversé la couche de substrat, l’onde réfléchie est à nouveau réfléchie et le processus se poursuit jusqu’à ce que l’onde diminue. La métasurface agit comme un système couplé où des courants antiparallèles sont induits entre les couches supérieure et terrestre pour créer une résonance magnétique. La surface partiellement réfléchissante de la métasurface peut modifier les coefficients complexes de réflexion et de transmission, tandis que le plan de masse électrique parfait offre un déphasage de 180°. Le mécanisme de réflexions et de transmissions multiples à l’intérieur d’un substrat diélectrique peut être écrit comme une superposition des modes de réflexion (équation 1).

Dans le cas du mécanisme d’adaptation d’impédance²¹, l’impédance de la structure conçue est adaptée à l’impédance de l’air, pour absorber toutes les ondes EM entrantes. De telles métasurfaces sont basées sur une réponse de résonance magnétique qui provoque des courants de surface antiparallèles sur le plan cellulaire. Ce phénomène peut être bien expliqué grâce à la formule de réflectivité de Fresnel (équation 2)².

où ({mathrm{Z}}_{mathrm{o}}) est l’impédance intrinsèque de l’espace libre et Z(ω) fait référence à l’impédance métasurface. Pour une absorption élevée, ({mathrm{Z}}_{mathrm{o}}) doit être égal à Z(ω) pour éliminer toute réflexion (c’est-à-dire S₁₁= 0). Le taux d’absorption peut être exprimé comme suit :

L’équation. (3) peut également être exprimé comme²²:

La métasurface proposée est entièrement mise à la terre avec du cuivre, le coefficient de transmission est donc nul. D’où l’équation. (3) peut s’écrire :

La physique sous-jacente des métasurfaces de conversion de polarisation linéaire en linéaire est expliquée par l’effet Faraday²³. L’onde EM incidente subit un déphasage de 90° et l’onde polarisée horizontalement se transforme en onde polarisée verticalement et vice versa. Si l’onde polarisée x ((top{E}limits^{rightharpoonup}_{i} = hat{x}E_{o}e^{ – jkz})) est incident sur le polariseur croisé, alors l’onde réfléchie peut s’écrire (mathop{E}limits^{rightharpoonup} _{r} = mathop{E}limits^{rightharpoonup} _{i} . e^{{{raise0.7exhbox{${ jpi }$} !mathord{left/ {vphantom {{jpi } 2}}right.kern-0pt} !lower0.7exhbox{$2$}}}} ). Pour évaluer les performances de la métasurface de conversion de polarisation linéaire en linéaire, le rapport de conversion de polarisation (PCR) est défini comme suit :

Évolution de la conception

Pour obtenir les caractéristiques souhaitées, plusieurs étapes ont été prises en compte pour obtenir une absorption et une conversion de polarisation presque parfaites à la même fréquence en reconfigurant l’état des diodes PIN incorporées dans les cellules unitaires. Premièrement, la conversion d’absorption et de polarisation est obtenue en supposant les états idéaux des diodes (court-circuit pour la polarisation directe et circuit ouvert pour la polarisation inverse). Lorsque les diodes sont en polarisation inverse, la conception sera idéalement (en supposant un circuit ouvert) symétrique le long des axes x et y, tandis qu’asymétrique le long des axes u et v, ce qui permet à la métasurface d’effectuer une conversion de polarisation croisée.¹. Dans le cas d’une polarisation directe, la conception sera idéalement (en supposant un court-circuit) symétrique le long des axes x, y, u et v, ce qui lui permet d’absorber⁴. Pour comprendre l’absorption du résonateur en anneau, on peut s’intéresser aux états liés dans le continuum (BIC). Ces BIC représentent des états distincts qui restent localisés indéfiniment, bien qu’ils résident dans le continuum de rayonnement.²⁴.

Le compromis entre l’absorption et la conversion de polarisation est analysé et les paramètres finaux sont sélectionnés en conséquence. Les changements dans l’épaisseur du substrat et la largeur du résonateur interne conduisent à une modification de la valeur de la capacité, provoquant ainsi des changements dans l’impédance de surface de la structure conçue et, par conséquent, affectant la fonctionnalité de la conception.⁵. On observe qu’en augmentant la largeur du résonateur annulaire interne et l’épaisseur du substrat, le PCR augmente, tandis que l’AR diminue, comme le montrent les figures 2 et 3. 3 et 4. La conception optimisée des cellules unitaires est soutenue par des talons de ligne d’alimentation et intégrée à la diode PIN. Toutes les diodes de la feuille périodique conçue sont placées de la même manière. Lorsque les diodes sont à l’état OFF, une résistance élevée est provoquée, ce qui isole les résonateurs à anneau fendu. L’isolation entre les résonateurs à anneau fendu crée une symétrie C2 qui permet une conversion de polarisation linéaire à linéaire.²³. À l’état ON des diodes, une faible résistance est provoquée, ce qui permet aux ondes EM de traverser le résonateur à anneau fendu et offre une symétrie C4. La nature symétrique C4 (rotation de 90°) de la métasurface assure l’absorption²⁵. L’AR et le PCR pour la métasurface conçue sont respectivement supérieurs à 80 % et 95 %, comme le montre la figure 5.

Compromis dû à la largeur du résonateur interne : (UN) Rapport de conversion de polarisation ; (B) Taux d’absorption.

Compromis dû à l’épaisseur du substrat entre (un) rapport de conversion de polarisation ; (b)absorption.

Structures conçues de manière idéale avec des embouts de ligne d’alimentation : (un) absorption ; (b) rapport de conversion de polarisation.