CN111952697A - 基于形状记忆合金的调控类电磁诱导透明谱线装置及方法 - Google Patents

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胡玉锦
杨蕤生
樊元成
张富利
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Abstract

本发明涉及一种基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置及制作方法，一个铜框和形状记忆合金内框组成的结构，入射电磁波波极化方向沿着竖直方向，由铜框引入一个明单元谐振，激发不同温度状态下的形状记忆合金结构的暗单元谐振，在波导环境中实现类电磁诱导透明效应。该装置内框采用形状记忆合金材料，利用形状记忆合金通过人工训练可以实现双程记忆效应的特点，在高低温状态下可逆变化形状，控制结构的谐振频率以及强弱，进而调控与铜框之间的耦合频率，实现对电磁诱导透明效应的精确调制。

Description

基于形状记忆合金的调控类电磁诱导透明谱线装置及方法
技术领域
本发明属于利用环境温度变化快速调制微波透射谱线的超表面器件，涉及一种基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置及制作方法，尤其涉及一种基于形状记忆合金训练得到双程记忆效应的超表面结构实现高效调控类电磁诱导透明谱线并实现微波逻辑门作用的方法。
背景技术
基于温度的微波调制器通常是利用参数随温度可调的材料或温度敏感电子元器件来调控微波信号的振幅或相位的器件，在温度传感，电磁滤波，信号调制等领域具有广泛的应用前景。现阶段的温度相关微波调制器件普遍都存在装置复杂，成本高，设计灵活度差等缺点，此外传统器件还受限于材料自身的性能限制，导致这些器件效率低、损耗高、体积大、质量重，无法满足现代电磁技术对器件集成化和小型化的要求。以超表面为代表的新型电磁调制器件能够利用亚波长尺寸的平面结构单元实现对电磁波的高效调控，同时能够有效解决传统电磁波调制器件的缺点，引起研究者的广泛关注。结合近些年来研究者通过超表面实现类电磁诱导透明效应主动调控的不同方法，为实现高效调制电磁波提供了新的思路。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置及制作方法，解决传统微波调制器件装置复杂，成本高，设计灵活度差等问题。
技术方案
一种基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置，其特征在于包括铜膜外框1和形状记忆合金内框2；形状记忆合金内框位于铜膜外框之内，形状记忆合金的形状为：T形结构倒***带缺口的结构；由铜膜外框引入一个明单元谐振，激发不同温度状态下的形状记忆合金结构的暗单元谐振，在波导环境中实现类电磁诱导透明效应；所述形状记忆合金结构的T形结构在0°至ω角度实现可逆变换。
所述铜膜外框1和形状记忆合金2一同粘接在特氟龙基板3上。
所述铜膜外框1的厚度为0.035mm。
所述形状记忆合金内框2的厚度为0.3mm。
所述铜膜外框1的边长L＝17mm，每边宽度W＝1mm。
所述形状记忆合金2的T形结构两个宽度为w2＝1mm，w3＝0.8mm，长度为l2＝9mm，h2＝5mm；带缺口的结构的宽度为w1＝0.5mm，非缺口边为l1＝14mm，两边为h1＝3mm，缺口每边为l3＝6.3mm。
一种所述基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置的制造方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过印刷电路板技术将铜膜打印到特氟龙基板上；采用金属线切割加工T形结构倒***带缺口的矩形形状记忆合金形状；
步骤2：将记忆合金结构冷却至马氏体相变结束温度，Mf＝20℃以下；
步骤3：在马氏体相状态下加载应力使形状记忆合金结构中的“T”字向上旋转至ω角度；
步骤4：在加载状态下加热结构单元至奥氏体相变结束温度即Af＝35℃以上，在冷却至马氏体相变结束温度以下；
步骤5：重复10次以上步骤2～3，使形状记忆合金结构中的“T”字具有双程记忆效应；
步骤6：将记忆合金结构粘接在特氟龙基板的铜膜外框之内。
有益效果
本发明提出的一种基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置及制作方法，一个铜框和形状记忆合金内框组成的结构，入射电磁波波极化方向沿着竖直方向，由铜框引入一个明单元谐振，激发不同温度状态下的形状记忆合金结构的暗单元谐振，在波导环境中实现类电磁诱导透明效应。该装置内框采用形状记忆合金材料，利用形状记忆合金通过人工训练可以实现双程记忆效应的特点，在高低温状态下可逆变化形状，控制结构的谐振频率以及强弱，进而调控与铜框之间的耦合频率，实现对电磁诱导透明效应的精确调制。
本发明解决传统微波调制器件装置复杂，成本高，设计灵活度差等问题，公开一种基于形状记忆合金的超表面，结合环境温度变化控制类电磁诱导透明效应谱线的设计思路和实现方法。利用经过训练的形状记忆合金结构调控暗单元谐振模式，使得明暗单元模式之间的耦合频率发生显著变化，从而可以对类电磁诱导透明效应进行动态可调，最终实现对微波透射频谱的高效调控。对形状记忆合金结构进行训练，使其具有双程记忆效应，通过环境温度的改变，可以改变形状记忆合金结构的形状，从而改变暗单元的频率，使其可以在两个不同的频率之间可逆转换，从而影响明暗模式之间的耦合频率及强弱。当形状记忆合金在低温马氏体相状态下时，暗单元谐振频率在较低频率处，且处于明单元的谐振模式工作区间，此时可以激励暗模式谐振单元，并在较低频率处产生透射峰，同时由于干涉相消从而在较高频率处产生透射谷；当温度升高到形状记忆合金奥氏体结束温度以上时，形状记忆合金处于高温奥氏体相状态，此时暗单元的谐振频率在较高频率处，并依然在明单元谐振模式工作区间，在明单元谐振模式激励下，恰好在低温马氏体状态下的透射谷频率处产生透射峰，从而实现逻辑门的作用。这两个谐振模式之间通过近场耦合作用发生干涉，诱导发生类电磁诱导透明效应，通过温度的调节，对明暗单元之间的近场耦合进行精确控制，实现对电磁波信号的高效调制。
本发明具有如下的效果和优点：
1.本发明基于明暗谐振模式的耦合行为实现类电磁诱导透明效应，并且利用形状记忆合金可以通过训练得到双程记忆效应的特点，控制结构产生特定形变从而控制明暗单元的耦合频率，从而实现对电磁波的高效调制。
2.本发明采用的调制方法能够在高低温度之间迅速响应，且稳定性高。
3.本发明采用成熟的印刷电路板和金属线切割工艺制备样品，具有成本可控，加工简单的优点。
附图说明
图1是本发明基于形状记忆合金超表面温度调控类电磁诱导透明效应的方法的结构示意图；
图2是本发明基于形状记忆合金超表面温度调控类电磁诱导透明效应的方法案例的实物图；
图3是本发明针对形状记忆合金训练拟达到的效果图；
图4是本发明铜膜框单元与形状记忆合金结构单元在不同温度下的模拟与实验的透射曲线；
图5是本发明基于形状记忆合金超表面温度调控类电磁诱导透明效应的方法在不同温度下的模拟与实验的透射曲线；
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的具体结构实现如附图1：包括一个铜膜外框和形状记忆合金内框组成的结构，其中形状记忆合金内框中间的“T”字型结构通过训练可以在0°至20°实现可逆变换，入射电场沿着竖直方向，且整个结构置于波导中。通过温度的调节改变形状记忆合金的单元结构，进而改变明暗单元之间的近场耦合达到显著调节微波透射谱线的目的。
实施例参阅附图1，附图2，附图3，附图4及附图5。
本发明实施例公开一种基于形状记忆合金超表面实现高效温度调控类电磁诱导透明谱线的方法，基于此设计了一种通过调节类电磁诱导透明效应谱线实现高效调制微波的案例，具体结构见附图1。案例结构由内外两个金属框组成，其中外框为0.035mm厚的铜膜，具体参数为：L＝17mm，W＝1mm，通过印刷电路板技术打印到1毫米厚的特氟龙基板上，内框为0.3mm厚的记忆合金结构，具体参数为：l1＝14mm，w1＝0.5mm，h1＝3mm，l2＝9mm，w2＝1mm，h2＝5mm，l3＝6.3mm，w3＝0.8mm。
通过金属线切割技术制成，后对中间的“T”字型结构进行训练：
(1)首先将记忆合金结构冷却至马氏体相变结束温度(Mf＝20℃)以下；
(2)在马氏体相状态下加载应力使形状记忆合金结构中的“T”字向上旋转至20°，如附图3所示；
(3)在加载状态下加热结构单元至奥氏体相变结束温度(Af＝35℃)以上，在冷却至马氏体相变结束温度以下；
(4)重复(2)，(3)步骤10次以上，使其具有双程记忆效应，然后将记忆合金结构粘接在特氟龙基板上，且距离铜膜框顶部距离D＝2.5mm。利用温度调节形状记忆合金的结构，进而影响暗模式磁谐振的谐振频率以及谐振强弱，实现类电磁诱导透明效应的动态高效调制。
本发明案例在波导环境中进行测试，透射率曲线如附图4，5所示；在低温状态下(温度为15℃)时，形状记忆合金处于马氏体相状态，此时“T”字为0°，暗单元谐振频率在4.73GHz处，此时器件的工作状态表现为在4.6GHz处产生透射峰，同时在5.17GHz处由于干涉相消从而产生透射谷；而在高温状态下(温度为40℃)时，形状记忆合金处于马氏体相状态，此时“T”字为20°，暗单元谐振频率在5.16GHz处，此时器件的工作状态表现为在5.17GHz处产生透射峰。恰好与低温马氏体状态下的透射谷对应，从而实现逻辑门的作用。本发明案例涉及的金属结构简单，易于加工制作，在设计制备过程中可以训练不同的形状对不同频段电磁波进行高效调制。

Claims (7)

1.一种基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置，其特征在于包括铜膜外框(1)和形状记忆合金内框(2)；形状记忆合金内框位于铜膜外框之内，形状记忆合金的形状为：T形结构倒***带缺口的结构；由铜膜外框引入一个明单元谐振，激发不同温度状态下的形状记忆合金结构的暗单元谐振，在波导环境中实现类电磁诱导透明效应；所述形状记忆合金结构的T形结构在0°至ω角度实现可逆变换。
2.根据权利要求1所述基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置，其特征在于：所述铜膜外框(1)和形状记忆合金(2)一同粘接在特氟龙基板(3)上。
3.根据权利要求1所述基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置，其特征在于：所述铜膜外框(1)的厚度为0.035mm。
4.根据权利要求1所述基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置，其特征在于：所述形状记忆合金内框(2)的厚度为0.3mm。
5.根据权利要求1或3所述基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置，其特征在于：所述铜膜外框(1)的边长L＝17mm，每边宽度W＝1mm。
6.根据权利要求1或4所述基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置，其特征在于：所述形状记忆合金(2)的T形结构两个宽度为w2＝1mm，w3＝0.8mm，长度为l2＝9mm，h2＝5mm；带缺口的结构的宽度为w1＝0.5mm，非缺口边为l1＝14mm，两边为h1＝3mm，缺口每边为l3＝6.3mm。
7.一种权利要求1～6任一项所述基于形状记忆合金超表面调控类电磁诱导透明谱线装置的制造方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过印刷电路板技术将铜膜打印到特氟龙基板上；采用金属线切割加工T形结构倒***带缺口的矩形形状记忆合金形状；
步骤2：将记忆合金结构冷却至马氏体相变结束温度，Mf＝20℃以下；
步骤3：在马氏体相状态下加载应力使形状记忆合金结构中的“T”字向上旋转至ω角度；
步骤4：在加载状态下加热结构单元至奥氏体相变结束温度即Af＝35℃以上，在冷却至马氏体相变结束温度以下；
步骤5：重复10次以上步骤2～3，使形状记忆合金结构中的“T”字具有双程记忆效应；
步骤6：将记忆合金结构粘接在特氟龙基板的铜膜外框之内。
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