Symulacyjne i eksperymentalne badania właściwości elektromagnetycznych planarnej macierzy metamateriałowej w zakresie mikrofalowym

• Autorzy: Budnarowska Magdalena , Mizeraczyk Jerzy

Identyfikatory

DOI

:10.15199/48.2022.09.25

Warianty tytułu

EN

Simulation and experimental studies of the electromagnetic properties of a planar metamaterial array structure in the microwave range

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono wyniki symulacji numerycznej oddziaływania mikrofalowego promieniowania elektromagnetycznego (EM) z planarną macierzą metamateriałową (MM) złożoną z autorskich pojedynczych komórek metamateriałowych i porównano je z wynikami eksperymentalnymi. Struktura planarnej macierzy metamateriałowej została zaprojektowana pod kątem zastosowania jej jako wysoko absorbującego harwestera energii EM w paśmie 2- 3 GHz. Do symulacji numerycznej zastosowano środowisko CST Studio umożliwiające rozwiazywanie zagadnień elektromagnetycznych w szerokim zakresie częstotliwości. Wyznaczono numerycznie współczynniki odbicia, absorpcji i transmisji promieniowania mikrofalowego przez zaprojektowaną macierz w warunkach falowodowych. Wyniki numeryczne wykazały, że absorpcja promieniowania mikrofalowego przez macierz metamateriałową ma charakter rezonansowy. Największy współczynnik absorpcji (około 96%) występuje dla częstotliwości około 2,6 GHz. Zgodnie z projektem zbudowano rzeczywistą macierz metamateriałową i przebadano jej właściwości elektromagnetyczne eksperymentalnie używając wektorowego analizatora sieci Keysight N5225 w układzie z falowodem. Otrzymane wyniki eksperymentalne porównano z wynikami symulacji numerycznej. Porównanie wykazało bardzo dobrą zgodność wyników symulacji i eksperymentu. Eksperymentalna pozytywna walidacja wyników symulacji świadczy o tym, że CST Studio jest wiarygodnym narzędziem do projektowania i analizy metamateriałowych absorberów promieniowania mikrofalowego. Zaprezentowana w tej pracy macierz MM zostanie w najbliższej przyszłości zastosowana do budowy większych absorberów.

EN

The article presents the results of a numerical simulation of the interaction of microwave electromagnetic radiation with a planar metamaterial matrix (MM) composed of original single cells of the metamaterial. The numerical simulation results are compared with experimental results. The planar metamaterial matrix structure was designed to be used as a highly absorbing EM energy collector in the 2-3 GHz band. The CST Studio environment was used for the numerical simulation, which enables the solving of electromagnetic problems in a wide frequency range. The reflection, absorption and transmission coefficients of microwave radiation through the designed matrix were determined numerically under waveguide conditions. The numerical results showed that the absorption of microwave radiation by the metamaterial matrix is resonant. The highest absorption coefficient (about 96%) occurs at about 2.6 GHz. According to the project, a real metamaterial matrix was built and its electromagnetic properties were examined experimentally using the Keysight N5225 vector network analyzer in the waveguide operating mode. The obtained experimental results were compared with the results of the numerical simulation. The comparison showed a very good agreement of the simulation and experiment results. They confirmed that the tested metamaterial matrix shows strong absorption properties and can be useful for building larger absorbers of microwave radiation. Experimental positive validation of simulation results proves that CST Studio is a reliable tool for the design and analysis of microwave absorbing metamaterials. The MM matrix presented in this article will be used in the near future to build larger absorbers.

Słowa kluczowe

PL

metamateriałowe absorbery promieniowania elektromagnetycznego; harwester elektromagnetyczny; oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z metamateriałowymi strukturami mikrofalowymi

EN

metamaterial absorbers of electromagnetic radiation; electromagnetic harvester; interaction of electromagnetic radiation with microwave metamaterial structures

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 98, nr 9
• Strony: 119--121
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Budnarowska Magdalena

• Uniwersytet Morski w Gdyni, Katedra Elektroniki Morskiej, ul. Morska 81-87, 81-225 Gdynia

• https://orcid.org/0000-0002-5341-7585

autor

Mizeraczyk Jerzy

• Uniwersytet Morski w Gdyni, Katedra Elektroniki Morskiej, ul. Morska 81-87, 81-225 Gdynia

• https://orcid.org/0000-0002-5173-3592

Bibliografia

• [1] Chakraborty A., Recent developments and analysis of electromagnetic metamaterial with all of its application in terahertz range, IOSR J. Electron. Commun. Eng., 2013, vol. 6, pp. 86-93
• [2] Panwar R., Lee J. R., Progress in frequency selective surfacebased smart electromagnetic structures: A critical review, Aerospace Science and Technology, 2017, vol. 66, pp. 216-234
• [3] Panwar R., Puthucheri S., Agarwala V., Singh D., Fractal frequency-selective surface embedded thin broadband microwave absorber coatings using heterogeneous composites, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2015, vol. 63(8), pp. 2438-2448
• [4] Singh G., Marwaha A., A review of metamaterials and its applications, Int. J. Eng. Trends Technol., 2015, vol. 14, pp. 305–310
• [5] Watts C. M., Liu X., Padilla W. J., Metamaterial electromagnetic wave absorbers, Advanced materials, 2012, vol. 24(23), pp. 98-120
• [6] www.cst.com
• [7] Zhu W., Electromagnetic Metamaterial Absorbers: From Narrowband to Broadband, BoD, 2019, pp. 133-144
• [8] Landy N. I., Sajuyigbe S., Mock J. J., Smith D. R., Padilla W. J., Perfect metamaterial absorber. Physical review letters, 2018, 100(20), 207402

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).