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Scientific Reports volumen 5, Número de artículo: 16737 (2015) Citar este artículo

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Detalles de métricas

En general, la respuesta electromagnética de cada material a una onda continua no varía en el dominio del tiempo si el componente de frecuencia permanece igual. Recientemente, resultó que la integración de varios elementos de circuito, incluidos los diodos Schottky con superficies metalizadas periódicamente, o las llamadas metasuperficies, conduce a la absorción selectiva de tipos específicos de formas de onda o anchos de pulso, incluso a la misma frecuencia. Estas metasuperficies selectivas de forma de onda mostraron efectivamente diferentes rendimientos de absorción para diferentes anchos de ondas sinusoidales pulsadas al variar gradualmente sus respuestas electromagnéticas en el dominio del tiempo. Aquí estudiamos los efectos de filtrado de tiempo de dichas metasuperficies basadas en circuitos iluminadas por ondas sinusoidales continuas. Además, introducimos elementos de circuito adicionales en estas estructuras para mejorar la capacidad de control en el dominio del tiempo. Se espera que estas propiedades variables en el tiempo nos den otro grado de libertad para controlar las ondas electromagnéticas y, por lo tanto, contribuyan al desarrollo de nuevos tipos de aplicaciones y tecnologías electromagnéticas, por ejemplo, comunicaciones inalámbricas con ventanas de tiempo y conversión de forma de onda.

Los materiales convencionales disponibles en la naturaleza varían sus respuestas electromagnéticas a las ondas entrantes de acuerdo con el comportamiento de las moléculas compuestas, que son escalas de angstrom y, por lo tanto, difíciles de controlar de manera artificial. Por otro lado, las estructuras diseñadas periódicamente, o los llamados metamateriales o metasuperficies1,2,3, nos permitieron controlar sus respuestas mediante el diseño arbitrario de unidades periódicas de longitud de onda inferior, que resuenan en respuesta a las ondas entrantes. Por lo tanto, el uso de materiales artificiales nos dio un grado adicional de libertad para controlar las propiedades electromagnéticas independientemente de las moléculas compuestas, lo que resultó en el logro de propiedades incluso inusuales, incluido un índice de refracción negativo o cero2, así como una superficie de alta impedancia con una dimensión extremadamente delgada3. Estas propiedades exóticas llevaron al desarrollo de varias aplicaciones nuevas, como lentes ilimitadas de difracción4,5, encubrimiento6,7,8, absorbentes extraordinariamente delgados9,10,11,12, miniaturización de antenas13,14, etc. El concepto de materiales artificiales no estaba limitado electromagnético, pero también se aplicó a otros campos, como la acústica15,16,17,18, la termodinámica19 y la ingeniería de vibraciones20,21. Se sabe que esta capacidad de metamateriales y metasuperficies se amplía aún más mediante la introducción de medios no lineales o circuitos no lineales, ya que nos dieron una capacidad de ajuste flexible para variar las propiedades electromagnéticas22,23,24,25. Especialmente, las metasuperficies recientemente desarrolladas que consistían en varios elementos de circuito, incluidos los diodos Schottky, exhibieron nuevas características electromagnéticas denominadas selectividad de forma de onda26,27,28,29. Estas metasuperficies selectivas de forma de onda nos permitieron distinguir diferentes ondas incluso a la misma frecuencia en respuesta a sus formas de onda o anchos de pulso. Como consecuencia, estas metasuperficies nos dieron otro grado de libertad para controlar las propiedades electromagnéticas a la misma frecuencia en base al nuevo concepto, a saber, el ancho de pulso28,30. En estudios anteriores, se demostró que estas metasuperficies variaban de manera efectiva su rendimiento de absorción completo para diferentes pulsos dependiendo de cuánto tiempo continuaron las ondas, aunque, de hecho, estas absorciones variaron en el tiempo y ya no permanecieron iguales en el dominio del tiempo. Por lo tanto, se espera que esta nueva característica se explote para filtrar ondas sinusoidales continuas incluso en el dominio del tiempo (Fig. 1). Por esta razón, este estudio aclara numéricamente las respuestas transitorias de las metasuperficies selectivas de forma de onda como filtros en el dominio del tiempo. Además, presentamos una idea para ampliar aún más el grado de control en el dominio del tiempo mediante la introducción de elementos de circuito adicionales. Se espera que estas metasuperficies nos brinden una nueva capacidad para controlar las propiedades electromagnéticas incluso en el dominio del tiempo y, por lo tanto, contribuyan al desarrollo de nuevos tipos de aplicaciones y tecnologías de microondas variables en el tiempo, por ejemplo, en comunicaciones inalámbricas donde las señales entrantes se reciben selectivamente solo durante un período de tiempo específico. . Además, estas metasuperficies pueden explotarse potencialmente para convertir una onda sinusoidal simple en una forma de onda diferente. Aunque el siguiente estudio solo proporciona resultados de simulación numérica, se espera que se obtengan experimentalmente efectos similares a los demostrados anteriormente26,27,28,29. Sin embargo, en mediciones realistas, podría aparecer alguna diferencia menor en las frecuencias operativas de las metasuperficies debido a la presencia de soldadura y componentes parásitos en los diodos, lo que dificulta un poco el análisis de los efectos de filtrado de tiempo que se muestran a continuación. Por lo tanto, este estudio se enfoca solo en simulaciones numéricas en aras de la simplicidad. Tenga en cuenta que existen varios estudios electromagnéticos en el dominio del tiempo informados recientemente31,32,33,34. Sin embargo, en comparación con estos estudios, nuestro estudio brinda una forma única de controlar la respuesta en el dominio del tiempo incluso a la misma frecuencia con el mismo nivel de potencia sin ninguna fuente de polarización, que puede modificarse directamente mediante los parámetros del circuito utilizados.

Imagen de la respuesta variable en el tiempo a una onda continua.

Las metasuperficies basadas en circuitos estudiadas aquí nos permiten controlar sus respuestas electromagnéticas de acuerdo con el tiempo de duración de la onda incidente, que está determinado por sus constantes de tiempo. Como consecuencia, estas estructuras se comportan como filtros en el dominio del tiempo a diferencia de los filtros de circuito convencionales, que se comportan de manera diferente en respuesta a la diferencia en el espectro de frecuencia.

Para evaluar las respuestas transitorias de nuestras metasuperficies, este estudio utiliza un método de cosimulación que integra un simulador comercial electromagnético (EM) HFSS (versión 2014) con un simulador de circuitos Designer (versión 2014)26,28. En este método, las metasuperficies selectivas de forma de onda se modelan y simulan en primer lugar en el simulador EM. Se despliega un puerto de onda para generar una onda entrante y observar una onda reflejada, mientras que se utilizan puertos agrupados en lugar de todos los elementos del circuito entre parches conductores (PEC o conductor eléctrico perfecto). Estos puertos agrupados luego se conectan a los componentes reales terminados por tierra en el simulador de circuito donde todos los resultados de la simulación se obtienen utilizando la información de dispersión calculada en el solucionador de EM de antemano. Por lo tanto, esta simulación es efectivamente equivalente a conectar directamente los componentes del circuito a las metasuperficies en el solucionador de EM. Sin embargo, este método contribuye a reducir significativamente el tiempo de cálculo y barrer fácilmente la frecuencia y los parámetros del circuito para optimizar las estructuras a expensas de visualizar las distribuciones espaciales del campo35.

Aunque se pueden ver más detalles en estudios anteriores26,28,29, el mecanismo de absorción fundamental se entiende de la siguiente manera. Como se ilustra en la Fig. 2, las metasuperficies selectivas de forma de onda estudiadas aquí consisten en parches metalizados periódicamente (17 mm × 17 mm con cultivos pequeños), plano de tierra y sustrato dieléctrico (Rogers 3003). En cada espacio entre los parches metalizados, se despliega un conjunto de cuatro diodos Schottky para desempeñar el papel de un puente de diodos, que rectifica las señales entrantes a un conjunto infinito de componentes de frecuencia. Sin embargo, la mayor parte de la energía está en frecuencia cero. En estudios anteriores, esta conversión a frecuencia cero se aprovechó junto con las respuestas en el dominio del tiempo de los capacitores e inductores para lograr la selectividad de la forma de onda. Específicamente, los capacitores almacenaban temporalmente la energía rectificada y se cargaban gradualmente debido a la componente de frecuencia cero, mientras que los inductores impedían la entrada de onda debido a la presencia de fuerza electromotriz que comenzaba a desaparecer si la onda continuaba el tiempo suficiente. Por estas razones, si se conectaba un capacitor a una resistencia en paralelo dentro de un puente de diodos (ver a la derecha de la Fig. 2), la metasuperficie absorbía pulsos cortos de manera más efectiva y transmitía pulsos largos incluso a la misma frecuencia, mientras que un inductor emparejado con una resistencia en serie absorbe con mayor fuerza los pulsos largos que los pulsos cortos. En este estudio, sin embargo, estos mecanismos de absorción se explotan más directamente como filtros en el dominio del tiempo al iluminar ondas sinusoidales continuas en metasuperficies. Como resultado, se espera que una metasuperficie basada en condensadores absorba una onda entrante de manera más efectiva durante un período de tiempo inicial y reduzca gradualmente el rendimiento. Por el contrario, una metasuperficie basada en un inductor muestra un nivel limitado de absorbancia al principio, pero absorbe con mayor eficacia después de un período de tiempo inicial.

Unidad periódica del modelo de metasuperficie.

Se aplicaron límites periódicos para las direcciones de los ejes x e y para modelar una matriz infinita de la estructura periódica. La metasuperficie estaba compuesta por parches conductores (gris), sustrato (Rogers 3003) (amarillo), plano de tierra (gris) y varios elementos de circuito. Se implementó un conjunto de cuatro diodos Schottky (Avago HSMS-2863/2864) (azul) en cada espacio entre los parches para desempeñar el papel de un puente de diodos. Tenga en cuenta que la corriente fluye hacia la derecha en el área verde, donde se usaron otros componentes del circuito para determinar el tipo y la respuesta de la función de filtrado de tiempo. Cada dimensión fue dada de cx = 1.7, cy = 7.6, dx = 0.5, dy = 1.3, g = 1.0, l = 2.4, p = 18.0, rx = 2.0, ry = 1.0, tp = 0.017 y ts = 1.524 (todas en mm).

Si bien la metasuperficie simulada aquí se compone de un sustrato realista (Rogers 3003) y diodos schottky (Avago HSMS-2863/2864), solo los capacitores y los inductores se modelan como chips de circuito ideales en aras de la simplicidad para que no se tomen las resonancias de su paquete. en cuenta. Se barren la capacitancia y la inductancia para investigar la relación entre estos valores y los efectos de filtrado de tiempo, aunque el valor de resistencia utilizado se fija en 10 kΩ o 10 Ω dependiendo de si las resistencias están emparejadas con capacitores o inductores. La frecuencia de oscilación de las ondas entrantes f0 se establece en 3,9 GHz con un nivel de potencia de 0 dBm.

En estas circunstancias, las respuestas transitorias de las metasuperficies basadas en capacitores e inductores se calcularon y trazaron en la Fig. 3. En esta figura, las potencias incidente y reflejada Pinc y Pref se obtuvieron promediando sus potencias instantáneas Pinc_ins y Pref_ins durante el último ciclo. , a saber, , donde t y T denotan tiempo y ciclo respectivamente (es decir, T = 1/f donde f es frecuencia y aquí 3,9 GHz). En primer lugar, esta figura muestra que la curva de potencia incidente promedio alcanzó el nivel de potencia de entrada establecido (es decir, 0 dBm) en un ciclo desde el principio (t = T ~ 0,26 ns) y permaneció en el mismo nivel, lo que indica que el promedio fue correctamente llevado a cabo. Por otro lado, las potencias reflejadas comenzaron a aumentar en t ~ 0.2 ns debido a la distancia entre las metasuperficies y el puerto de onda donde se observaron las ondas incidentes y reflejadas. Entre 0,2 y 3 ns, todas las potencias reflejadas aumentaron hasta aproximadamente 0,5 mW y disminuyeron hasta casi 0,0 mW una vez. Estos eran independientes de las constantes de tiempo utilizadas y se suponía que se debían a la discontinuidad de la forma de onda entrante, que generaba no solo la frecuencia de oscilación f0 (3,9 GHz) sino también una amplia gama de otros espectros.

Potencias transitorias incidentes y reflejadas promediadas durante el último ciclo en cada momento.

(a) Metasuperficie basada en capacitores y (b) metasuperficie basada en inductores con varias constantes de tiempo (específicamente varias capacitancias e inductancias). La resistencia R para la metasuperficie basada en condensadores se fijó en 10 kΩ, mientras que la de la metasuperficie basada en inductores fue de 10 Ω. Tenga en cuenta que las constantes de tiempo τ para estas metasuperficies están determinadas por RC y L/R, donde C y L son, respectivamente, capacitancia e inductancia. La frecuencia de oscilación f0 se fijó en 3,9 GHz, lo que significa que el ciclo T fue de aproximadamente 0,26 ns.

Esta influencia se evalúa de manera efectiva en la Fig. 4, donde se calculó analíticamente el espectro de frecuencia para diferentes anchos de pulsos de onda coseno. Estas curvas se obtuvieron simplemente transformando por Fourier una onda de coseno continua multiplicada por un pulso rectangular que continuaba desde t = −Tpw/2 hasta Tpw/2 donde Tpw es el ancho del pulso, es decir,

Espectro de pulso coseno con varios anchos.

Para investigar las respuestas iniciales de las metasuperficies estudiadas en la Figura 3, se calculó analíticamente el espectro de un pulso coseno (frecuencia de oscilación f0: 3,9 GHz) variando el ancho del pulso Tpw. Si el pulso es lo suficientemente largo, se espera que las diferencias en las formas de onda (es decir, onda coseno en lugar de onda sinusoidal) y el desplazamiento de tiempo sean insignificantes. El pulso de 1 ns (solo 3,9 ciclos) contiene una amplia gama de componentes de frecuencia además de la frecuencia de oscilación f0.

En esta ecuación a representa la amplitud de la forma de onda multiplicada. Luego, F(f) se elevó al cuadrado y se normalizó para producir las curvas de la figura 4. Aunque la onda sinusoidal se reemplazó con una función coseno y el período de oscilación se compensó con −Tpw/2, la transformada de Fourier resultante muestra efectivamente el mismo resultado que el que usa una onda sinusoidal que comienza en t = 0 si el ancho del pulso es lo suficientemente largo.

De acuerdo con esta figura, cuando el ancho del pulso se fijó en 1 ns (lo que corresponde a solo 3,9 T como f0 = 3,9 GHz), el espectro de frecuencia resultante exhibió una amplia gama de componentes de frecuencia, lo que significa que el pulso de 1 ns contiene un nivel no despreciable de otros componentes de frecuencia. Se supuso que tal influencia aparecía en la Fig. 3 como picos de reflexión inusuales (ver entre 0,2 y 1 ns). Esta influencia, sin embargo, se puede suprimir aumentando el ancho del pulso. Por ejemplo, a Tpw = 10 ns (es decir, a 39 T), la curva de espectro principal permaneció en 3,9 GHz ± 0,1 GHz (es decir, f0 ± 2,6 %). Además, duplicar el ancho del pulso (es decir, Tpw = 20 ns y 78 T) condujo a reducir las magnitudes de los componentes de frecuencia inferiores a 3,8 GHz y superiores a 4,0 GHz al 2% o menos. Bajo esta circunstancia, se supone que el ancho de banda del pulso entrante es lo suficientemente estrecho en comparación con el de nuestra metasuperficie utilizada. Por esta razón, en la Fig. 3, nuestras metasuperficies exhibieron un aumento o una disminución directos en las potencias reflejadas después de 3 ns. Además, la Fig. 4 indica que los efectos de filtrado de tiempo que se muestran a continuación se obtienen al detectar no la diferencia en el espectro de frecuencia sino en el tiempo de duración de la onda incidente, ya que usamos escalas de tiempo más largas.

Los rendimientos de absorción transitoria de las metasuperficies basadas en capacitores e inductores de la Fig. 3 se representan en la Fig. 5 (a, b), respectivamente, donde la absorbancia transitoria A se calculó a partir de A = 1 − Pref/Pinc. De acuerdo con estas cifras, las metasuperficies basadas en capacitores e inductores variaron dinámicamente los rendimientos absorbentes dependiendo de las constantes de tiempo τ (específicamente τ = RC para la metasuperficie basada en capacitores y τ = L/R para la metasuperficie basada en inductores donde R, C y L son respectivamente resistencia, capacitancia e inductancia). Por ejemplo, con condensadores ajustados a 1 nF, la metasuperficie basada en condensadores mostró un fuerte nivel de absorbancia hasta 50 ns. Sin embargo, después de este período de tiempo inicial, la absorbancia se redujo a un nivel más bajo y alcanzó aproximadamente el 30%. Esta escala de tiempo se volvió 10 veces mayor/menor al aumentar/disminuir τ en un factor de 10. Esto indica que la escala de tiempo es proporcional a la constante de tiempo o más específicamente a la capacitancia C aquí. De manera similar, la curva de absorbancia transitoria de la metasuperficie basada en el inductor se desplazó al variar la constante de tiempo (de nuevo, tenga en cuenta que la escala de tiempo es proporcional a L), aunque esta estructura aumentó gradualmente el rendimiento de absorción. Otra diferencia aquí es que cada curva mostró subamortiguación (por ejemplo, alrededor de 2,5 μs para L = 1 mH). Se supone que la diferencia entre el sobreamortiguamiento y el subamortiguamiento se debe a sus coeficientes de amortiguamiento, que están determinados por los valores de los elementos del circuito utilizados. Estos dos tipos de metasuperficies nos permiten filtrar las señales entrantes en el dominio del tiempo, a diferencia de los filtros convencionales, que detectan la diferencia en el espectro de frecuencias y, por lo tanto, no muestran respuestas variables en el tiempo.

Rendimiento de absorción transitoria de cuatro metasuperficies fundamentales.

(a) metasuperficie basada en condensadores y (b) metasuperficie basada en inductores. Estas metasuperficies utilizaron respectivamente valores de resistencia fijos de 10 kΩ y 10 Ω. Luego, los circuitos basados ​​en capacitores e inductores se combinaron en paralelo o en serie como (c) una metasuperficie de tipo paralelo o (d) una metasuperficie de tipo serie.

Luego, la combinación de estas dos configuraciones de circuito, ya sea en paralelo o en serie, conduce a la creación de una ventana de tiempo durante la cual el nivel de absorción se reduce o mejora temporalmente, como se muestra en la figura 5 (c, d). Esto se debe a que la metasuperficie de tipo paralelo absorbe la onda incidente durante un período de tiempo inicial debido a la presencia del circuito basado en capacitores, mientras que luego se activa el mecanismo de absorción del circuito basado en inductores para que esta metasuperficie no absorba fuertemente durante un período de tiempo. período de tiempo medio. Por ejemplo, la metasuperficie de tipo paralelo que usa 100 pF y 1 mH tiene una absorción casi perfecta tanto al principio como al final del período de tiempo que se muestra en la Fig. 5(c). Sin embargo, la metasuperficie permite la reflexión solo durante el período limitado entre 20 ns y 5 μs como filtro en el dominio del tiempo. Por otro lado, la metasuperficie de tipo serie muestra un nivel limitado de absorbancia al inicio de la iluminación de la onda debido a la fuerza electromotriz de los inductores, mientras que posteriormente los capacitores utilizados se cargan por completo y reducen el rendimiento de absorción. Como consecuencia, esta metasuperficie exhibe una fuerte absorción durante una ventana de tiempo limitada durante la cual ambos circuitos absorben efectivamente la onda entrante. Tenga en cuenta que estas ventanas de tiempo se pueden controlar fácilmente seleccionando las constantes de tiempo adecuadas para las curvas individuales de los circuitos basados ​​en capacitores e inductores.

Otro punto a tener en cuenta aquí es que estas dos metasuperficies también mostraron subamortiguación como se ve en la metasuperficie basada en el inductor. Respecto a estos dos casos, el subamortiguamiento tendía a aparecer si las curvas de absorbancia no alcanzaban el valor más bajo o más alto de las curvas individuales originales. Por ejemplo, la metasuperficie de tipo serie que usa 10 nF y 100 μH mostró un alto nivel de rendimiento de absorción entre 300 y 2000 ns en la Fig. 5 (d). Sin embargo, cuando la capacitancia se redujo a 0,1 ns, la absorbancia comenzó a disminuir antes de alcanzar este nivel y luego mostró una subamortiguación de alrededor de 300 μs.

Esta capacidad de filtrado en el dominio del tiempo puede extenderse más introduciendo circuitos adicionales basados ​​en condensadores e inductores. Aquí es importante considerar el papel de combinar componentes adicionales en paralelo o en serie. El primer caso, como se ve en la Fig. 5 (c), crea otra ruta de corriente para absorber potencialmente la energía de la onda incidente y, por lo tanto, toma un nivel más fuerte de absorción entre las dos curvas individuales, que se supone que es como el "O" operación del álgebra booleana. Por otro lado, el último caso, como se ve en la Fig. 5(d), agrega otros componentes del circuito en la misma ruta para evitar la disipación de energía y, por lo tanto, toma un nivel más débil de absorbancia entre las dos curvas individuales, que se supone que ser como la operación "Y" del álgebra booleana.

Teniendo en cuenta estos puntos, la absorbancia de una metasuperficie de tipo paralelo se puede reducir en parte introduciendo elementos de circuito adicionales en serie como se muestra en la figura 6 (a, b). En estos paneles, los lados derecho e izquierdo de la absorbancia de la metasuperficie de tipo paralelo original se reducen mediante el uso de condensadores e inductores adicionales, respectivamente, que tienen absorbancias más bajas que las de la metasuperficie de tipo paralelo original. Por el contrario, la absorbancia de una metasuperficie de tipo serie se puede mejorar mediante el uso de una configuración de circuito adicional en paralelo si tiene una absorbancia mayor que la de la metasuperficie de tipo serie original (Fig. 6 (c, d)).

Absorción transitoria de metasuperficies de tipo paralelo y serie utilizando otro circuito basado en condensador o circuito basado en inductor.

La metasuperficie de tipo paralelo contenía (a) un circuito adicional basado en capacitores o (b) un circuito basado en inductores en serie, mientras que la metasuperficie de tipo serie contenía (c) un circuito adicional basado en capacitores o (d) un circuito basado en inductores en paralelo.

El control en el dominio del tiempo más complejo se realiza mediante el uso de más de una configuración de circuito en paralelo o en serie. Por ejemplo, la figura 7(a,b) usaba una metasuperficie que conectaba un circuito en paralelo a otro circuito en paralelo oa un circuito en serie en serie. En el primer caso, el uso de dos circuitos paralelos diferentes que tenían diferentes ventanas de tiempo para reducir temporalmente la absorbancia durante diferentes períodos de tiempo (es decir, las curvas discontinuas y punteadas en la Fig. 7(a)) exhibió dos caídas de absorbancia en el dominio del tiempo (la sólida curva en la Fig. 7(a)). En el último caso, la combinación de un circuito en paralelo con un circuito en serie condujo a crear una reducción temporal en el medio del pico de absorción del circuito en serie, de modo que aparecieron dos picos de absorción transitorios. Se pueden obtener efectos similares integrando un circuito en serie con un circuito en paralelo o con otro circuito en serie en paralelo. En la Fig. 7(c), un circuito en paralelo mostró una caída de absorbancia entre 100 y 1000 ns (la curva discontinua), que se mejoró nuevamente mediante el uso de un circuito en serie (la curva punteada) que tenía un pico de absorbancia de alrededor de 300 ns. Como consecuencia, esta metasuperficie mostró efectivamente dos caídas de absorbancia (la curva sólida) similares a las que se ven en la Fig. 7 (a), aunque estos mecanismos de absorción son diferentes entre sí. Además, la Fig. 7(d) demuestra otra forma de crear dos picos de absorción transitorios (la curva continua) combinando dos circuitos en serie independientes en paralelo (las curvas punteada y discontinua) (cf. Fig. 7(b)).

Absorción transitoria de metasuperficies de tipo paralelo y serie utilizando otro circuito paralelo o circuito en serie.

La metasuperficie de tipo paralelo contenía (a) un circuito en paralelo adicional o (b) un circuito en serie en serie, mientras que la metasuperficie de tipo en serie contenía (c) un circuito en paralelo adicional o (d) un circuito en serie en paralelo.

Los efectos de filtrado de tiempo demostrados en este estudio se limitan a dos picos/caídas de absorción transitorias o menos. Sin embargo, la introducción de más componentes de circuito nos permite controlar la respuesta transitoria de una manera más compleja, lo que da como resultado una mayor cantidad de picos o caídas de absorbancia. Sin embargo, desde el punto de vista experimental realista, bajo estas circunstancias podría no haber suficiente espacio para soldar los componentes del circuito en cada espacio entre los parches conductores. En este caso, el uso de vías conductoras podría ser útil para conectar estos componentes debajo del plano de tierra. Además, en nuestro estudio numérico, no tuvimos en cuenta la resonancia de los chips de circuito por motivos de simplicidad (es decir, la capacitancia y la inductancia simplemente se barrieron). En realidad, este factor puede desempeñar un papel importante en la medición, aunque el componente de frecuencia dominante de la corriente que fluye hacia los capacitores e inductores tiene una frecuencia cero debido al proceso de rectificación de los diodos. Por lo tanto, esto indica que la influencia de la dispersión de frecuencia o la resonancia del paquete de los chips de condensadores e inductores es relativamente limitada. Un problema más importante aquí radica en los diodos, ya que no son capaces de responder completamente a las señales de alta frecuencia en comparación con las señales de microondas, aunque algunos diodos comerciales funcionan incluso en la banda W. Además, en nuestro estudio, la potencia de entrada se configuró para que fuera lo suficientemente grande como para encender diodos, ya que de lo contrario no podrían rectificar las señales entrantes y realizar efectos de filtrado de tiempo. Por lo tanto, la relación entre los efectos de filtrado de tiempo y el nivel de potencia de entrada depende del tipo de diodos que se utilice. Finalmente, la respuesta transitoria de cada metasuperficie que se muestra aquí está determinada por las constantes de tiempo utilizadas, mientras que la geometría de la metasuperficie determina primero la respuesta de frecuencia.

En resumen, hemos estudiado numéricamente el rendimiento de absorción transitoria de metasuperficies selectivas de forma de onda desarrolladas recientemente en el dominio del tiempo. También hemos introducido una idea para extender la capacidad de filtrado de tiempo para que se puedan diseñar fácilmente múltiples picos o caídas de absorción transitoria. Convencionalmente, la mayoría de los materiales electromagnéticos exhiben diferentes comportamientos en respuesta a diferentes frecuencias, aunque sus respuestas generalmente siguen siendo las mismas en el dominio del tiempo. Por el contrario, nuestras metasuperficies son capaces de variar sus respuestas incluso en el dominio del tiempo dependiendo de cuánto tiempo continúe la ola. Por lo tanto, se espera que estas metasuperficies creen nuevos tipos de aplicaciones y tecnologías de microondas que tengan un grado adicional de libertad para controlar las propiedades electromagnéticas en el dominio del tiempo. Por ejemplo, ya se demostró que las metasuperficies selectivas de forma de onda pueden variar una tasa de error de bit de acuerdo con el ancho de pulso de una onda entrante incluso a la misma frecuencia28. Además, una metasuperficie basada en inductores tiene un nivel limitado de absorción durante un período de tiempo inicial. Por lo tanto, dentro de este período de tiempo limitado, las comunicaciones inalámbricas pueden permitirse a través de señales de pulso corto, como las que se usan para radar, comunicaciones de banda ultraancha, etc.

Cómo citar este artículo: Wakatsuchi, H. Filtrado de metasuperficies en el dominio del tiempo. ciencia Rep. 5, 16737; doi: 10.1038/srep16737 (2015).

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Este trabajo fue apoyado en parte por JSPS bajo Grants-in-Aid for Young Scientists (A) 15H05527 and Challenging Exploratory Research 26630175, JST bajo Fondos para el Desarrollo de Recursos Humanos en Ciencia y Tecnología, MIC bajo el Programa de Promoción de I + D de Información y Comunicaciones Estratégicas , la Fundación de Ciencia y Tecnología Iketani y la Fundación de Ciencias y Artes Hori.

Centro para Jóvenes Investigadores Innovadores, Instituto de Tecnología de Nagoya, Gokiso-cho, Showa, Nagoya, 466-8555, Aichi, Japón

Hiroki Wakatsuchi

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Instituto de Tecnología de Nagoya, Gokiso-cho, Showa, Nagoya, 466-8555, Aichi, Japón

Hiroki Wakatsuchi

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HW realizó todo el estudio, consideró los resultados y redactó el manuscrito.

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Reimpresiones y permisos

Wakatsuchi, H. Filtrado en el dominio del tiempo de metasuperficies. Informe científico 5, 16737 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16737

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Recibido: 10 julio 2015

Aceptado: 19 de octubre de 2015

Publicado: 13 noviembre 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16737

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