Broadband and conformal metamaterial absorber

Abstract

In this study, a new broadband and conformal metamaterial absorber using two flexible substrates was proposed. Simulation results showed that the proposed absorber exhibited an absorption band from 6.08 to 13.04 GHz and a high absorption of 90%, because it was planar. The absorber was broadband as its relative absorption bandwidth was 72.8%. Moreover, the proposed absorber was insensitive to the polarization of the TE and TM waves. The absorber was ultra-thin; its total thickness was only 0.07λ at the lowest operating frequency. Furthermore, different regions of absorption can be adjusted by lumping and loading two resistors onto the polyimide film, respectively. Moreover, compared with the conventional microwave absorber, the absorption bandwidth of the proposed absorber can be broadened and enhanced when it was bent and conformed to the surface of objects. Experimental and simulation results were in agreement. The proposed absorber is a promising absorbing element in scientific and technical applications because of its broadband absorption, polarization insensitivity, and flexible substrates.

Keywords

absorber / metamaterials / flexible / broadband / conformal

References

[1] Pendry J B, Holden  A J, Stewart  W J, Youngs  I. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures. Physical Review Letters, 1996, 76(25): 4773–4776

[2] Pendry J B, Holden  A J, Robbins  D J, Stewart  W J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999, 47(11): 2075–2084

[3] Veselago V G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ. Soviet Physics-Uspekhi, 1968, 10(4): 509–514

[4] Schurig D, Mock  J J, Justice  B J, Cummer  S A, Pendry  J B, Starr  A F, Smith  D R. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Science, 2006, 314(5801): 977–980

[5] Bian B, Liu  S, Wang S ,  Kong X, Guo  Y, Zhao X ,  Ma B, Chen  C. Cylindrical optimized nonmagnetic concentrator with minimized scattering. Optics Express, 2013, 21(S2): A231–A240

[6] Pendry J B. Negative refraction makes a perfect lens. Physical Review Letters, 2000, 85(18): 3966–3969

[7] Fang N, Lee  H, Sun C ,  Zhang X . Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens. Science, 2005, 308(5721): 534–537

[8] Liu Z, Lee  H, Xiong Y ,  Sun C, Zhang  X. Far-field optical hyperlens magnifying sub-diffraction-limited objects. Science, 2007, 315(5819): 1686

[9] Schurig D, Smith  D R. Negative index lens aberrations. Physical Review E: Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, 2004, 70(6): 065601

[10] Landy N I, Sajuyigbe  S, Mock J J ,  Smith D R ,  Padilla W J . Perfect metamaterial absorber. Physical Review Letters, 2008, 100(20): 207402

[11] Shen X, Yang  Y, Zang Y ,  Gu J, Han  J, Zhang W ,  Jun Cui T . Triple-band terahertz metamaterial absorber: design, experiment, and physical interpretation. Applied Physics Letters, 2012, 101(15): 154102

[12] Xu H, Wang  G, Qi M ,  Liang J ,  Gong J, Xu  Z. Triple-band polarization-insensitive wide-angle ultra-miniature metamaterial transmission line absorber. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2012, 86(20): 205104 doi:10.1103/PhysRevB.86.205104

[13] Mao Z, Liu  S, Bian B ,  Wang B, Ma  B, Chen L ,  Xu J. Multi-band polarization-insensitive metamaterial absorber based on Chinese ancient coin-shaped structures. Journal of Applied Physics, 2014, 115(20): 204505

[14] Bian B, Liu  S, Wang S ,  Kong X, Zhang  H, Ma B ,  Yang H. Novel triple-band polarization-insensitive wide-angle ultra-thin microwave metamaterial absorber. Journal of Applied Physics, 2013, 114(19): 194511

[15] Ye Q, Liu  Y, Lin H ,  Li M, Yang  H. Multi-band metamaterial absorber made of multi-gap SRRs structure. Applied Physics A, Materials Science & Processing, 2012, 107(1): 155–160

[16] Liu Y, Gu  S, Luo C ,  Zhao X. Ultra-thin broadband metamaterial absorber. Applied Physics A, Materials Science & Processing , 2012, 108(1): 19–24

[17] Yang G, Liu  X, Lv Y ,  Fu J, Wu  Q, Gu X . Broadband polarization-insensitive absorber based on gradient structure metamaterial.  Journal of Applied Physics, 2014, 115(17): 17E523 doi:10.1063/1.4868090

[18] Wang B, Liu  S, Bian B ,  Mao Z, Liu  X, Ma B ,  Chen L. A novel ultrathin and broadband microwave metamaterial absorber. Journal of Applied Physics, 2014, 116(9): 094504

[19] Pang Y, Cheng  H, Zhou Y ,  Li Z, Wang  J. Ultrathin and broadband high impedance surface absorbers based on metamaterial substrates. Optics Express, 2012, 20(11): 12515–12520

[20] Sun L, Cheng  H, Zhou Y ,  Wang J. Broadband metamaterial absorber based on coupling resistive frequency selective surface. Optics Express, 2012, 20(4): 4675–4680

[21] Wu C, Neuner Iii  B, John J ,  Milder A ,  Zollars B ,  Savoy S . Large-area, wide-angle, spectrally selective plasmonic absorber. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2011, 84(7): 173−177

[22] Zhu B, Wang  Z, Huang C ,  Feng Y, Zhao  J, Jiang T . Polarization insensitive metamaterial absorber with wide incident angle. Progress in Electromagnetics Research, 2010, 101: 231–239

[23] Li L, Yang  Y, Liang C . A wide-angle polarization-insensitive ultra-thin metamaterial absorber with three resonant modes. Journal of Applied Physics, 2011, 110(6): 063702

[24] Bhattacharyya S, Ghosh  S, Srivastava K V . Triple band polarization-independent metamaterial absorber with bandwidth enhancement at X-band. Journal of Applied Physics, 2013, 114(9): 094514

[25] Singh P K, Korolev  K A, Afsar  M N, Sonkusale  S. Single and dual band 77/95/110 GHz metamaterial absorbers on flexible polyimide substrate. Applied Physics Letters, 2011, 99(26): 264101

[26] Yoo Y J, Zheng  H Y, Kim  Y J, Rhee  J Y, Kang  J H, Kim  K W, Cheong  H, Kim Y H ,  Lee Y P . Flexible and elastic metamaterial absorber for low frequency, based on small-size unit cell. Applied Physics Letters, 2014, 105(4): 041902

[27] Tao H, Strikwerda  A C, Fan  K, Bingham C M ,  Padilla W J ,  Zhang X ,  Averitt R D . Terahertz metamaterials on free-standing highly-flexible polyimide substrates. Journal of Physics D: Applied Physics, 2008, 41(23): 232004

[28] Kim H K, Ling  K, Kim K ,  Lim S. Flexible inkjet-printed metamaterial absorber for coating a cylindrical object. Optics Express, 2015, 23(5): 5898–5906

[29] Clavijo S, Diaz  R E, McKinzie  W E. Design methodology for sievenpiper high-impedance surfaces: an artificial magnetic conductor for positive gain electrically small antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2003, 51(10): 2678–2690

[30] Shang Y, Shen  Z, Xiao S . On the design of single-layer circuit analog absorber using double-square-loop array. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, 61(12): 6022–6029

[31] Zabri S N, Cahill  R, Schuchinsky A . Compact FSS absorber design using resistively loaded quadruple hexagonal loops for bandwidth enhancement. Electronics Letters, 2015, 51(2): 162–164

[32] Ponchak G E, Downey  A N. Characterization of thin film microstrip lines on polyimide.  IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, Part B, 1998, 21(2): 171–176

[33] Schallamach A, Thirion  P. Dielectric loss in swollen rubber. Transactions of the Faraday Society, 1949, 45: 605–611

[34] Jang T, Youn  H, Shin Y J ,  Guo L J . Transparent and flexible polarization-independent microwave broadband absorber. ACS Photonics, 2014, 1(3): 279–284

Acknowledgements

This work was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. NJ20160008), the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61471368), the Natural Science Foundation of Jiangsu Province of China (No. BK20150757), the Open Research Program in China’s State Key Laboratory of Millimeter Waves (No. K201609), the China Postdoctoral Science Foundation (No. 2016M601802), and the Jiangsu Planned Projects for Postdoctoral Research Funds (No. 1601009B).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg