CN110797663A - 一种液态金属可重构超材料基本单元及超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液态金属可重构超材料基本单元及超表面，其中，基本单元包括第一单元和第二单元，第一单元和第二单元均包括自上而下依次设置的介质层、空腔结构层、介质板层和金属地，空腔结构层包括位于介质层与介质板层之间的第一空腔体和第二空腔体，第一空腔体通过梯形通道与第二空腔体连接，所述第一空腔体或第二空腔体内填充有液态金属。与现有技术相比，本发明在基本单元中设置两种可控单元，通过设计可控单元中空腔体的具体尺寸，使腔体内液态金属形成所需尺寸，从而产生不同相位响应，实现不同的散射场，能够灵活地调控电磁波。
Description
技术领域
本发明涉及新型人工电磁材料技术领域，尤其是涉及一种液态金属可重构超材料基本单元及超表面。
背景技术
超材料是一种具有特殊电磁特性的三维人工材料，超材料结构的设计自由度使得许多独特的应用得以实现，例如负指数、超级透镜和隐身罩。超表面则是超材料的2D版本，在空间电磁波的反射或透射结构中，通过超表面可以有效地控制空间电磁波的相位和振幅，从而能够实现通信、全息、涡旋光束等多种应用。
在许多应用场景中，可重构性是评判超材料多功能性发展方向的重要条件。可重构的方法有多种，如采用PIN二极管、机械变形，或者其他可调机制。这些方法通常被限制于固定的金属结构，因为一旦金属结构被确定，其产生的功能将是相对不变的。为此，需要通过在超材料结构中使用液态金属以使金属结构发生变化。由聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)制成的微通道，作为一种可调谐吸收体，能够用来改变共振结构。封装在PDMS微通道中的液态金属可以被重新填充成已设计好的形状，从而根据需要调整电磁响应。此外，基于液态金属的良好流动性，目前也提出了基于液态金属的可重构天线和滤波器。
然而，现有使用液态金属的可重构设计方法，通常只实现了调谐频率点或吸收率的单一功能，不能灵活地调控电磁波，此外，PDMS中的微通道制造也需要复杂的加工制备过程。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种液态金属可重构超材料基本单元及超表面，利用液态金属的结构尺寸变化，以产生特定的相位响应，从而实现灵活的散射波束控制。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种液态金属可重构超材料基本单元，包括第一单元和第二单元，所述第一单元和第二单元均包括自上而下依次设置的介质层、空腔结构层、介质板层和金属地，所述空腔结构层包括位于介质层与介质板层之间的第一空腔体和第二空腔体，所述第一空腔体通过梯形通道与第二空腔体连接，所述第一空腔体或第二空腔体内填充有液态金属。
进一步地，所述第一空腔体和第二空腔体均为矩形空腔体。
进一步地，所述基本单元包含四种矩形空腔体尺寸，分别对应四种反射相位响应，所述四种反射相位响应分别对应四个数字编码。
进一步地，所述第一单元的第一空腔体宽度为2～4mm，所述第一单元的第一空腔体长度为7.0～7.2mm，所述第一单元的第二空腔体长度为3.1～3.3mm，所述第一单元的第二空腔体宽度为6.8～7.0mm，所述第一单元的空腔结构层长度为12～14mm；
所述第二单元的第一空腔体宽度为7.45～7.65mm，所述第二单元的第一空腔体长度为2～4mm，所述第二单元的第二空腔体长度为2.9～3.1mm，所述第二单元的第二空腔体宽度为8.4～8.6mm，所述第二单元的空腔结构层长度为8～10mm。
进一步地，所述第一单元的第一空腔体宽度为3mm，所述第一单元的第一空腔体长度为7.1mm，所述第一单元的第二空腔体长度为3.2mm，所述第一单元的第二空腔体宽度为6.9mm，所述第一单元的空腔结构层长度为13mm；
所述第二单元的第一空腔体宽度为7.55mm，所述第二单元的第一空腔体长度为3mm，所述第二单元的第二空腔体长度为3mm，所述第二单元的第二空腔体宽度为8.5mm，所述第二单元的空腔结构层长度为9mm。
进一步地，所述第一单元和第二单元的周期长度均为14～16mm，所述第一单元和第二单元的空腔结构层厚度均为0.9～1.1mm，所述第一单元和第二单元的介质层和空腔结构层的总厚度均为1.9～2.1mm，所述第一单元和第二单元的介质板层的厚度均为0.9～1.1mm，其介电常数为4.2～4.6，损耗角正切为0.006～0.012。
进一步地，所述第一单元和第二单元的周期长度均为15mm，所述第一单元和第二单元的空腔结构层厚度均为1mm，所述第一单元和第二单元的介质层和空腔结构层的总厚度均为2mm，所述第一单元和第二单元的介质板层的厚度均为1mm。
进一步地，所述介质层为丙烯酸介质层，所述空腔结构层为丙烯酸空腔结构层。
一种液态金属可重构超表面，所述超表面包括呈方形矩阵排列的N×N个基本单元，其中，N为非零正整数。
与现有技术相比，本发明通过在基本单元中设置不同尺寸的空腔体，使液态金属在空腔体内形成对应的结构尺寸，结合数字编码方式，使得基本单元的状态可控，能够根据需要调控液态金属尺寸，从而实现不同的反射相位响应，达到灵活波束控制的目的；
本发明采用矩形空腔体结构作为液态金属的填充体，其加工过程简单，易于制备使用。
附图说明
图1为本发明基本单元中第一单元的正面结构示意图；
图2为本发明基本单元中第二单元的正面结构示意图；
图3为本发明基本单元的横截面结构示意图；
图4a为实施例中第一单元的立体结构示意图；
图4b为实施例中第二单元的立体结构示意图；
图4c为实施例中第一单元的俯视和侧视示意图；
图4d为实施例中第二单元的俯视和测试示意图；
图4e为实施例中基本单元的四种反射相位响应示意图；
图4f为实施例中基本单元的四种反射振幅响应示意图；
图5a为实施例中实现45°偏转角单波束辐射场的超表面编码模式图；
图5b为实施例中实现20°偏转角单波束辐射场的超表面编码模式图；
图5c为实施例中实现45°偏转角双波束辐射场的超表面编码模式图；
图5d为实施例中实现20°偏转角双波束辐射场的超表面编码模式图；
图6a为实施例中45°偏转角单波束辐射场的超表面的三维远场仿真结果；
图6b为实施例中20°偏转角单波束辐射场的超表面的三维远场仿真结果；
图6c为实施例中45°偏转角双波束辐射场的超表面的三维远场仿真结果；
图6d为实施例中25°偏转角双波束辐射场的超表面的三维远场仿真结果；
图7a为实施例中45°偏转角和20°偏转角单波束辐射场的超表面二维远场仿真结果；
图7b为实施例中45°偏转角和20°偏转角双波束辐射场的超表面二维远场仿真结果；
图8a为液态金属超表面的制作结构；
图8b为液态金属的可重构过程；
图9a为实施例中45°偏转角和20°偏转角单波束辐射场的超表面二维远场实验测试结果；
图9b为实施例中45°偏转角和20°偏转角双波束辐射场的超表面二维远场实验测试结果；
图中标记说明：1、介质层，2，空腔结构层，21、第一空腔体，22、第二空腔体，23、梯形通道，3、介质板层，4、金属地。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1～图3所示，一种液态金属可重构超材料基本单元，包括第一单元和第二单元，第一单元和第二单元均包括自上而下设置的表层介质层1、中间空腔结构层2、下层介质板层3和底层金属地4，中间空腔结构层包括位于介质层1与介质板层3之间的第一空腔体21、第二空腔体22和梯形通道23，第一空腔体21与第二空腔体22通过梯形通道23相连接，第一空腔体21或第二空腔体22内被液态金属所填充，实施例中液态金属为EGaIn，第一空腔体21和第二空腔体22均为矩形空腔体，介质层1具体为丙烯酸介质层，空腔结构层2具体为丙烯酸空腔结构层。
本实施例中，第一单元为1-2单元，第二单元为3-4单元，这两个单元的周期长度A均为15mm，对于1-2单元，其第一空腔体21的宽度B为3mm、第一空腔体21的长度C为7.1mm、第二空腔体22的长度E为3.2mm、第二空腔体22的宽度F为6.9mm，整个空腔的长度D为13mm；
对于3-4单元，其第一空腔体21的宽度G为7.55mm、第一空腔体21的长度I为3mm、第二空腔体22的长度K为3mm、第二空腔体22的宽度L为8.5mm、整个空腔的长度J为9mm；
且这两个单元的中间空腔结构层2厚度T均为1mm，表层介质层1和中间空腔结构层2的总厚度H2均为2mm，下层介质板层1的厚度H1均为1mm，介质板层1的介电常数为4.2-4.6，损耗角正切为0.006-0.012。
由此得到，一个基本单元共有4种矩形腔体尺寸，将液态金属注入到中间丙烯酸空腔结构层2中，使腔体内液态金属形成所需尺寸，从而产生4种相位响应。4种相位响应对应4个不同相位的数字态编码，即4个不同相位数字态编码对应4种基本单元的矩形腔体尺寸，通过将液态金属转变为不同的形状尺寸，以实现不同的相位响应。其中，4个数字态编码分别为“0”、“1”、“2”和“3”，其分别表示基本单元的电磁波的反射相位数字态，4个数字态编码“0”、“1”、“2”和“3”对应4种反射相位响应，4种反射相位响应分别为144.6°，59.3°，-32.2°和-124.4°。
具体地，基本单元的4种矩形腔体尺寸中，“0”对应液态金属填充1-2单元第一空腔体21的尺寸为3×6.67mm，“1”对应液态金属填充1-2单元第二空腔体22的尺寸为6.9×2.9mm，“2”对应液态金属填充3-4单元第一空腔体的尺寸21为7.55×2.65mm，“3”对应液态金属填充3-4单元第二空腔体22的尺寸为8.5×2.35mm。在本发明中，通过控制基本单元中液态金属的结构尺寸，可实现特定的相位响应，并将这些特定的编码为“0”、“1”、“2”和“3”，通过设计不同的复合形式，以实现多种散射场。
图4a～图4d具体展示了实施例中1-2单元和3-4单元的详细结构示意图，极化方向(沿y轴)决定了单元的放射相位响应。在单元结构中设计了一个小的多余体积，以防止注入的液态金属体积误差，而导致最终电长度的误差。由图4e和图4f可知，不同状态的基本单元在相同的频率下会产生不同的相位响应，但反射振幅响应基本相同。
本实施例中的超表面由14×14个基本单元组成，尺寸为210×210mm。由于超表面被制造成复合列，因此每列(沿x方向)的基本单元的编码是相同的，相位方向只沿y轴变化。在频点为7.5GHz下，液态金属所形成的矩形的尺寸为3×6.67mm，相位响应为144.6°的1-2单元的编码为“0”；液态金属所形成的矩形的尺寸为6.9×2.9mm，相位响应为59.3°的1-2单元的编码为“1”；液态金属所形成的矩形的尺寸为7.55×2.65mm，相位响应为-32.2°的3-4单元的编码为“2”；液态金属所形成的矩形的尺寸为8.5×2.35mm，相位响应为-124.4°的3-4单元的编码为“3”。因此由图5a～图5d的液态金属单元尺寸所形成的矩形的尺寸可知(不同尺寸表示不同的码)，方案A、B、C和D的编码序列分别为“01230123”、“00112233”、“00220022”和“00002222”，这4种方案是为了说明通过合理设计1-2单元和3-4单元组成的不同编码模式，能够实现不同的散射场，最终使方案A的超表面能够产生45°偏转角单波束辐射场、方案B的超表面能够产生20°偏转角单波束辐射场、方案C的超表面能够产生45°偏转角双波束辐射场、方案D的超表面能够产生20°偏转角双束辐射场。
将A、B、C、D四种方案的三维远场仿真结果进行归一化，如图6a～6d所示，由图6a和图6b可知，方案A和方案B产生的单波束辐射场能量几乎相同，但单波束的偏转角度差别很大，由图6c和图6d可知，方案C和方案D产生的辐射方向图中均含有两个波束，其偏转角度也不同。
如图7a和图7b所示，在二维远场仿真结果中，方案A和方案B的单波束能量相差不大，同样方案C和方案D的双波束能量也基本相同。但相比之下，双波束的能量比单波束的能量小。通过A、B、C、D四种方案的三维和二维远场仿真结果可知，通过改变注入超表面中的液态金属的尺寸，可得到不同的数字编码序列，从而能够实现更多种散射场。
图8a和图8b给出了超表面的制造过程，样品的复合部件包括了FR4基板，顶层和中间丙烯酸板。液态金属注入到丙烯酸空腔内后，用顶部丙烯酸板封闭单元。并通过热刺激和引力作用，使液态金属重新填充空腔。因为每两列单元被制成了复合形式，所以可实现更灵活的图案组合。由此可知，本发明中的超表面加工简单并且制造成本低，在微波频段内易于制备。
图9a和图9b所示为实验测量的二维远场结果图，与图7a和图7b的仿真二维远场图进行对比，两者之间基本吻合，这也表明利用液态金属良好的流动性，结合本发明提出的超材料基本单元，能够轻松地转换不同的结构尺寸，从而实现不同的相位响应，达到灵活控制散射波束的目的，大大丰富了超表面对电磁波的调制方法。
综上所述，本发明区别于传统的利用等效媒质参数对超表面进行分析与设计的方案，从数字编码的角度分析和设计超材料，极大的简化了设计过程；
本发明通过设计腔体的具体尺寸，而使腔体内液态金属形成所需尺寸，使得电磁超表面具有可编程的功能；
本发明采用可调控的基本单元，通过控制液态金属的不同尺寸，从而实现不同的反射相位响应；
本发明加工简单，便于实现，仅依靠简单的液态金属结构尺寸，在微波频段内易于制备加工。
Claims (9)
1.一种液态金属可重构超材料基本单元，其特征在于，包括第一单元和第二单元，所述第一单元和第二单元均包括自上而下依次设置的介质层(1)、空腔结构层(2)、介质板层(3)和金属地(4)，所述空腔结构层(2)包括位于介质层(1)与介质板层(3)之间的第一空腔体(21)和第二空腔体(22)，所述第一空腔体(21)通过梯形通道(23)与第二空腔体(22)连接，所述第一空腔体(21)或第二空腔体(22)内填充有液态金属。
2.根据权利要求1所述的一种液态金属可重构超材料基本单元，其特征在于，所述第一空腔体(21)和第二空腔体(22)均为矩形空腔体。
3.根据权利要求2所述的一种液态金属可重构超材料基本单元，其特征在于，所述基本单元包含四种矩形空腔体尺寸，分别对应四种反射相位响应，所述四种反射相位响应分别对应四个数字编码。
4.根据权利要求3所述的一种液态金属可重构超材料基本单元，其特征在于，所述第一单元的第一空腔体(21)宽度为2～4mm，所述第一单元的第一空腔体(21)长度为7.0～7.2mm，所述第一单元的第二空腔体(22)长度为3.1～3.3mm，所述第一单元的第二空腔体(22)宽度为6.8～7.0mm，所述第一单元的空腔结构层(2)长度为12～14mm；
所述第二单元的第一空腔体(21)宽度为7.45～7.65mm，所述第二单元的第一空腔体(21)长度为2～4mm，所述第二单元的第二空腔体(22)长度为2.9～3.1mm，所述第二单元的第二空腔体(22)宽度为8.4～8.6mm，所述第二单元的空腔结构层(2)长度为8～10mm。
5.根据权利要求4所述的一种液态金属可重构超材料基本单元，其特征在于，所述第一单元的第一空腔体(21)宽度为3mm，所述第一单元的第一空腔体(21)长度为7.1mm，所述第一单元的第二空腔体(22)长度为3.2mm，所述第一单元的第二空腔体(22)宽度为6.9mm，所述第一单元的空腔结构层(2)长度为13mm；
所述第二单元的第一空腔体(21)宽度为7.55mm，所述第二单元的第一空腔体(21)长度为3mm，所述第二单元的第二空腔体(22)长度为3mm，所述第二单元的第二空腔体(22)宽度为8.5mm，所述第二单元的空腔结构层(2)长度为9mm。
6.根据权利要求1所述的一种液态金属可重构超材料基本单元，其特征在于，所述第一单元和第二单元的周期长度均为14～16mm，所述第一单元和第二单元的空腔结构层(2)厚度均为0.9～1.1mm，所述第一单元和第二单元的介质层(1)和空腔结构层(2)的总厚度均为1.9～2.1mm，所述第一单元和第二单元的介质板层(3)的厚度均为0.9～1.1mm，其介电常数为4.2～4.6，损耗角正切为0.006～0.012。
7.根据权利要求6所述的一种液态金属可重构超材料基本单元，其特征在于，所述第一单元和第二单元的周期长度均为15mm，所述第一单元和第二单元的空腔结构层(2)厚度均为1mm，所述第一单元和第二单元的介质层(1)和空腔结构层(2)的总厚度均为2mm，所述第一单元和第二单元的介质板层(3)的厚度均为1mm。
8.根据权利要求1所述的一种液态金属可重构超材料基本单元，其特征在于，所述介质层(1)为丙烯酸介质层，所述空腔结构层(2)为丙烯酸空腔结构层。
9.一种液态金属可重构超表面，其特征在于，所述超表面由呈方形矩阵排列的N×N个如权利要求1所述的基本单元构成，其中，N为非零正整数。
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