Development of PCB and textile-based ultra-wideband metamaterial-based absorbers for 5G and mm-wave applications

Abstract

Metamalzemeler, geleneksel malzemelerin sergileyemeyeceği olağanüstü fiziksel özellikler sunarlar, elektromanyetik dalgaların iletimini, yansımasını ve emilimini ayarlamak için muhteşem fırsatlar sunarlar. Metamalzemelerin olağanüstü özellikleri, araştırmacıları farklı türde metamalzeme tabanlı uygulamalar geliştirmeye çekti. Metamalzemelerin uygulama alanları temel olarak elektromanyetik dalgaların yansıması, soğurulması ve iletiminin kontrolü ile ilgilidir. Sensörler, filtreler, antenler, güneş pilleri, fotodedektörler, elektromanyetik gizleme ve soğurucuları içerir ancak yaygın kullanım alanları sadece bunlarla sınırlı değildir. Emilim oranlarının kontrolü ve yansıyan elektromanyetik dalgaların en aza indirilmesi, dar bir bant genişliği üzerinde yüksek emilim oranları sunan metamalzeme bazlı mükemmel soğurucuların geliştirilmesine yol açmıştır. Metamalzeme bazlı mükemmel soğurucuların kullanımı mm-Dalga uygulamalarının ve RF enerji hasat sistemlerinin geliştirilmesinde umut vericidir, ancak literatürde önerilen soğurucular geniş bant genişliği gereksinimlerini karşılayamamaktadırlar. Bu çalışmada geliştirilen tasarımlarımız Rogers RT5880, FR-4 rijit yüzeyler ve tekstil bazlı malzemeler olan Keçe, Denim ve Polyester kumaşlara dayanmaktadır. Elde edilen sonuçlar, tasarımlarımızın tekstil tabanlı 5G, mm dalga uygulamaları için 20 GHz ile 70 GHz aralığında ultra geniş bant olduğunu göstermektedir. Ayrıca 6G tekstil tabanlı akıllı giyilebilir uygulamalar için 114,4 GHz civarında yeni bir tasarım elde edilmiştir. PCB tabanlı uygulamalar için sonuçlar, tasarımların 10 GHz ila 60 GHz aralığında ultra geniş bant olduğunu göstermektedir. Diğer benzer çalışmalarla bir karşılaştırma yapıldığında, tasarımlarımızın boyut olarak kompakt, ince ve %99,99 soğurma oranlarına ulaşan ultra geniş bant önerdiğini gösteriyor. Mevcut tasarımlar, gelecekteki tekstil tabanlı akıllı giyilebilir uygulamalar ve izleme sistemleri için umut vericidir.

Metamaterials present extraordinary physical properties which conventional materials cannot exhibit, they present splendid opportunities to adjust the transmission, reflection, and absorption of the electromagnetic waves. Phenomenal properties of metamaterials attracted researchers to develop different types of metamaterials-based applications. The application areas of metamaterials are mainly related to the control of the reflected, absorbed, and the transmission of electromagnetic waves. The common applications including but not limited to, sensors, filters, antennas, solar cells, photodetectors, electromagnetic cloaking, and absorbers. The control of the absorption rates and minimization of reflected electromagnetic waves led to the development of metamaterial-based perfect absorbers which offers high absorptivity rates over a narrow bandwidths. Usage of metamaterial-based perfect absorbers are promising in the development of mm-Wave applications and RF energy harvesting systems however the proposed absorbers in literature cannot fulfil the wide-bandwidth requirements. In this study our developed designs are based on Rogers RT5880, FR-4 rigid substrates and textile-based materials, namely, Felt, Denim and Polyester fabrics. Obtained results show that our designs are ultra-wideband, in the ranges of 20 GHz to 70 GHz for textile-based 5G, mm-wave applications. Additionally, for 6G textile-based smart-wearable applications, a novel design is achieved around 114.4 GHz. For PCB-based applications, the outcomes show that the designs are ultra-wideband in the ranges from 10 GHz to 60 GHz. Comparison with other similar studies shows that our designs are compact in size, thin, and proposing ultra-wideband with reaching 99.99% absorptivity rates. The current designs are promising for future textile-based smart-wearable applications and for monitoring systems.