一种可重构电磁超表面器件及制备方法

1.本技术涉及电磁通信技术领域，特别涉及一种可重构电磁超表面器件及制备方法。


背景技术：

2.超表面作为一种平面化的超材料，由周期或非周期排列的亚波长散射结构体组成，可以通过人为的设计其结构形状、尺寸，具备许多自然材料不具备的物理性质。与传统电磁器件相比，其独特优势，如低损耗、轻量化和高集成度等等。通过适当设计和排布的超表面单元，研究人员提出了一系列新型的平面电磁器件，工作波长覆盖光学到微波波段。包括极化转换器、自旋轨道角动量、高增益天线、全息图、涡旋光束发生器、微波吸收器等。
3.随着通信传感等领域的快速发展，具有单一功能的电磁超表面器件不能很好满足多样化的电磁波调控需求。因此，以多状态、多功能为特点的可重构电磁超表面引发了研究人员的极大兴趣。最初的可重构方法主要采用变容二极管，pin二极管和微机电系统开关等调谐器件或机械拉伸、旋转等方式来实现，在选材上大多局限于固体金属与介质材料。虽然可以实现性能可重构，但其可重构能力相对受限，同时这些射频元件的引入还会造成较强的非线性效应，造成微波信号串扰，降低射频系统的灵敏度等影响。


技术实现要素：

4.鉴于此，有必要针对现有技术中存在的可重构能力相对受限且灵敏度较低的缺陷提供一种重建自由度高的可重构电磁超表面器件及制备方法。
5.为解决上述问题，本技术采用下述技术方案：
6.本技术目的之一，提供一种可重构电磁超表面器件，包括至少一结构单元，所述结构单元包括结构层，所述结构层包括第一结构层及第二结构层，所述第一结构层及第二结构层之间设置有转换层，所述转换层上设置有空腔结构，所述空腔结构可供液态金属注入或撤出，所述第一结构层及第二结构层上设置有微通道阵列，所述微通道阵列中注入有所述液态金属，驱动所述液态金属在所述微通道内流动以形成金属微结构，通过调节所述液态金属的注入量，以改变所述金属微结构的形状。
7.在其中一些实施例中，所述结构层上还设置有对所述微通道进行密封的上封装层。
8.可以理解，通过封装层对所述微通道进行密封，实现液态金属在所述微通道内部流动过程处于密闭的工作环境，避免液态金属进一步氧化，保证液态金属流动顺畅。
9.在其中一些实施例中，所述液态金属注入所述空腔结构时可形成液态金属薄层，所述金属薄层能够反射电磁波及透射电磁波。
10.在其中一些实施例中，还包括电子注射泵，所述电子注射泵可控制所述液态金属的流量及流速，并通过管线注入至所述空腔结构内。
11.在其中一些实施例中，还包括下封装层，所述下密封层设置于所述第二结构层，所
述下密封层用于对所述第二结构层的微通道进行密封，所述上封装层及所述下密封层采用pvc、pdms、pmma、聚酰亚胺或硅胶材料中的至少一种。
12.在其中一些实施例中，所述上封装层及所述下封装层均布置有通孔结构，所述通孔结构与所述电子注射泵的管线口径相匹配且排布方式与所述第一结构层及第二结构层的微通道一致。
13.在其中一些实施例中，所述微通道为折线形或直线形结构形态及其各种衍生或组合形态，所述微通道之间彼此独立且互不连通。
14.在其中一些实施例中，所述液态金属为镓铟锡合金。
15.本技术目的之二，提供一种可重构电磁超表面器件的制备方法，包括下述步骤：在所述结构层上设置有微通道阵列，在所述微通道阵列中注入液态金属，驱动所述液态金属在所述微通道内流动以形成金属微结构，通过调节所述液态金属的注入量，以改变所述金属微结构的形状。
16.在其中一些实施例中，在无氧环境中采用氢氧化钠溶液、盐酸或酸性油包裹液态金属。
17.可以理解，在无氧环境中将液态金属填充到所述微通道结构中，避免了液态金属与空气作用出现氧化层而阻碍驱动控制。通过上述步骤可以制得本发明所述超表面器件。
18.本技术采用上述技术方案，其有益效果如下：
19.本技术提供的可重构电磁超表面器件及制备方法，包括至少一结构单元，所述结构单元包括结构层，所述结构层上设置有微通道阵列，所述微通道阵列中注入有液态金属，所述液态金属的注入量可调节，所述液态金属可在所述微通道阵列内流动以形成金属微结构，本技术提供的可重构电磁超表面器件及制备方法，集成了超表面微结构与液态金属，通过控制各微流体通道中的液态金属，在保证较高的控制精度和系统响应速度的基础上改变液态金属在微流控芯片中的位置和形状，达到器件性能和工作状态实时连续可调的目的，极大地提高可重构的自由度，满足电磁超表面器件工作状态实时连续可重构的要求，可应用于微波、通信、传感、天线等技术领域，应用范围广泛。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例1的结构单元分层示意图；
22.图2为本发明实施例1的多种工作状态示意图；
23.图3为本发明实施例1的反射工作状态下的器件剖面示意图；
24.图4为本发明实施例1的透射工作状态下的器件剖面示意图；
25.图5为本发明实施例1的反射式极化转换效率曲线；
26.图6为本发明实施例1的透射式极化转换效率曲线。
具体实施方式
27.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
28.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。
31.实施例1
32.请参阅图1至图4，为本技术实施例1提供的可重构电磁超表面器件的结构示意图，包括：至少一结构单元100，所述结构单元100包括依次设置的上封装层1、第一结构层2、转换层3、第二结构层4及下封装层5，上述各层结构之间采用压敏胶加压粘接并密封。以下详细说明各个部件之间的连接关系及其实现方式。
33.所述第一结构层2及第二结构层4上设置有微通道阵列(第一结构层微通道7及第二结构层微通道8)，所述微通道阵列中注入有液态金属，所述液态金属的注入量可调节，所述液态金属可在所述微通道阵列内流动以形成金属微结构。通过外力驱动所述液态金属在所述微通道内的流动，控制液态金属的注入过程，改变金属微结构(超表面结构单元)的形状，从而实现对入射电磁波的动态调控。
34.可以理解，常规的电磁超表面器件一旦加工成型，其等效介电常数、磁导率、折射率等参数就已固定，无法根据实际需要改变工作状态；通过pin二极管、机械拉伸、旋转等方式能够实现的可重构状态十分有限，不能够实现对工作状态的连续调控；本技术集成了微通道的微结构与液态金属，通过控制各微流体通道中的液态金属，在保证较高的控制精度和系统响应速度的基础上改变液态金属在微流控芯片中的位置和形状，达到器件性能和工作状态实时连续可调的目的。
35.在本实施例中，所述微通道设计为折线形、直线形结构形态及其各种衍生或组合形态。可以理解，微通道阵列的结构决定了超表面单元结构的大小、形状和排布方式，根据亚波长电磁学的基本理论，不同的亚波长金属微结构具有相应的谐振响应频率和阻抗匹配特性，通过改变超表面的亚波长单元结构和阵列排布方式，可以有效调控电磁波的振幅、极化、相位等物理参数。微通道设计为折线形、直线形结构形态及其各种衍生或组合形态可以满足不同的电磁波调控功能需求。
36.在本实施例中，所述液态金属为镓铟锡合金。可以理解，液态金属集合了传统固态金属和流体介质材料的优异性能，同时具备导电性和流动性，现存的五种室温下的液态金属，包括钫、铷、铯、汞、镓。其中，钫会产生辐射危害，铯和铷在空气中极其活泼，汞具有很强
的生物毒性，因此上述四种液态金属均不适合本发明。本技术采用镓铟锡合金适用于制备各种电磁器件，主要原因如下：一是其流动性好，粘度低，从而可以方便地注入微流道中；二是其导电性好，电导率远高于常见的导电液体；三是其性能稳定、不易挥发，避免相关操作人员吸入气体分子；四是其无生物毒性，确保了相关器件安全可靠。
37.上封装层1用于对第一结构层2进行密封封装。通过上封装层1对所述微通道进行密封，实现液态金属在所述微通道内部流动过程处于密闭的工作环境，避免液态金属进一步氧化，保证液态金属流动顺畅。
38.转换层3设置在第一结构层2及第二结构层4之间。所述转换层3上设置有空腔结构，所述空腔结构可供所述液态金属注入或撤出(所述转换层3上设置有转换层注液孔10，通过转换层注液孔10可实现液态金属注入或撤出)。所述液态金属注入所述空腔结构时可形成液态金属薄层，所述金属薄层能够反射电磁波及透射电磁波。
39.可以理解，在外力作用下液态金属注入所述转换层3的空腔结构时，可以形成液态金属薄层，所述金属薄层能够有效反射电磁波，使器件工作在反射模式；当液态金属从转换层3的空腔结构撤出时，器件工作在透射模式。通过控制液态金属在转换层3的空腔结构中的注入与撤出可以实现对反射波和透射波的灵活调控，进一步提高所述电磁超表面器件的可重构自由度。
40.在本实施例中，还包括电子注射泵(图未示)，所述电子注射泵可控制所述液态金属的流量及流速，并通过管线注入至所述空腔结构内。通过高精度的电子注射泵控制每条微流体通道中工作液体的流速和流向可以精确控制液态金属在微流体通道中的位置和形状，从而实现电磁超表面器件工作状态和性能连续实时可重构。
41.请再参阅图2，第一行为第一结构层2的单元阵列微通道层的微通道结构，第二行为第二结构层4的单元阵列微通道层的微通道结构，黑色部分表示液态金属，从左到右依次增加液态金属的注入量，通过电子注射泵控制每个单元中液态金属的注入与撤出实现对超表面结构单元特征尺寸的动态调节，满足电磁超表面器件工作状态实时连续可重构的要求。
42.请再参阅图3，器件工作状态为反射模式，黑色部分表示液态金属，在反射模式下可以通过电子注射泵动态调节器件的响应频率，实现反射式动态正交线极化转换功能，其动态调控效果如图5所示，随着结构单元特征尺寸的变化，器件可以在保证在极化转换效率峰值不降低的同时，实现工作频率实时连续可重构。
43.请再参阅图4，当腔内的金属撤出时，电磁超表面器件工作状态为透射模式，可以实现对电磁波的极化转换，当线极化波入射时，在8.2-13.1ghz宽带范围内透射波为圆极化波，满足轴比低于3db的技术指标。在透射式工作模式下，当线极化波入射时，可以通过电子注射泵控制每个单元中液态金属的注入与撤出实现对超表面结构单元特征尺寸的动态调节，当结构单元的特征尺寸发生如图2所示的变化时，相应的线极化到圆极化的转换频率范围也会随之动态变化。
44.所述下封装层5设置于所述第二结构层4上，所述下密封层5用于对所述第二结构层4的微通道进行密封，所述上封装层1及所述下密封层5采用pvc、pdms、pmma、聚酰亚胺或硅胶材料中的至少一种。
45.在本实施例中，所述上封装层1及所述下封装层5均布置有通孔结构(如图中上封
装层通孔6所示及下封装层通孔9所示)，所述通孔结构与所述电子注射泵的管线口径相匹配且排布方式与所述第一结构层2及第二结构层4的微通道一致。
46.在本实施例中，所述微通道之间彼此独立且互不连通，根据实际需要可以独立控制、联合控制或者混合控制。
47.可以理解，由于各个所述微通道注入所述液态金属后构成所述结构单元，独立控制可以通过在每个单元处连接与注射泵匹配的单头管线来实现，其优势在于可以灵活调控每个单元的金属构型，极大地提高可重构的自由度；联合控制可以通过在每行或每列单元处连接与注射泵匹配的多头管线来实现，其优势在于可以按行或列同步并行控制液态金属的形状降低系统复杂度；混合控制可以通过结合上述两种方式实现，其优势在于既保证需要独立控制区域的自由度，又在控制要求不高的区域确保了同步控制，有利于满足多样化的可重构控制需求。
48.本技术上述实施例提供的可重构电磁超表面器件，集成了超表面微结构与液态金属，通过控制各微流体通道中的液态金属，在保证较高的控制精度和系统响应速度的基础上改变液态金属在微流控芯片中的位置和形状，达到器件性能和工作状态实时连续可调的目的，极大地提高可重构的自由度，满足电磁超表面器件工作状态实时连续可重构的要求，可应用于微波、通信、传感、天线等技术领域，应用范围广泛。
49.实施例2
50.本实施例2提供了一种可重构电磁超表面器件的制备方法，包括下述步骤：在所述结构层上设置有微通道阵列，在所述微通道阵列中注入液态金属，驱动所述液态金属在所述微通道内流动以形成金属微结构，通过调节所述液态金属的注入量，以改变所述金属微结构的形状。
51.在本实施例中，具体包括下述步骤：
52.1.对基材进行相应的预处理。
53.在本实施例中，待加工基材选取pvc、pdms、pmma、聚酰亚胺或硅胶材料中的至少一种，预处理包括裁剪、压平、去除保护膜、粘附压敏胶等操作。
54.2.采用微加工工艺在基材表面雕刻微通道。
55.在本实施例中，采用二氧化碳激光雕刻机的雕刻工艺，根据加工版图在基材表面去除一定深度的材料，加工出微流体通道。
56.3.加工透射、反射转换层的空腔结构。
57.在本实施例中，采用二氧化碳激光雕刻机的切割工艺，根据加工版图整块切除材料，加工出转换层的空腔结构构型。
58.4.完成封装层的制备。
59.封装层基材在完成步骤1的预处理相关操作后，采用二氧化碳激光雕刻机的切割工艺，根据加工版图加工出通孔结构。
60.5.完成对所述微流控芯片主体的装配，利用压敏胶加压胶合各层结构，赶出气泡，保证粘接气密性。
61.6.在无氧环境中采用氢氧化钠溶液、盐酸或酸性油包裹液态金属，以去除液态金属表面的氧化层。
62.7.通过微注入工艺在所述微通道内注入液态金属。
63.可以理解，由于所述微通道之间彼此独立且互不连通，根据实际需要可以独立控制、联合控制或者混合控制。如果采用独立控制则需要在每个单元处连接与注射泵匹配的单头管线；如果采用联合控制则需要在每行或每列单元处连接与注射泵匹配的多头管线；如果采用混合控制则应根据实际需求结合上述两种控制方式实现。
64.本技术上述实施例提供的可重构电磁超表面器件的制备方法，集成了超表面微结构与液态金属，通过控制各微流体通道中的液态金属，在保证较高的控制精度和系统响应速度的基础上改变液态金属在微流控芯片中的位置和形状，达到器件性能和工作状态实时连续可调的目的，极大地提高可重构的自由度，满足电磁超表面器件工作状态实时连续可重构的要求，可应用于微波、通信、传感、天线等技术领域，应用范围广泛。
65.可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
66.以上仅为本技术的较佳实施例而已，仅具体描述了本技术的技术原理，这些描述只是为了解释本技术的原理，不能以任何方式解释为对本技术保护范围的限制。基于此处解释，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本技术的其他具体实施方式，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可重构电磁超表面器件，其特征在于，包括至少一结构单元，所述结构单元包括结构层，所述结构层包括第一结构层及第二结构层，所述第一结构层及第二结构层之间设置有转换层，所述转换层上设置有空腔结构，所述空腔结构可供液态金属注入或撤出，所述第一结构层及第二结构层上设置有微通道阵列，所述微通道阵列中注入有所述液态金属，驱动所述液态金属在所述微通道内流动以形成金属微结构，通过调节所述液态金属的注入量，以改变所述金属微结构的形状。2.如权利要求1所述的可重构电磁超表面器件，其特征在于，所述结构层上还设置有对所述微通道进行密封的上封装层。3.如权利要求2所述的可重构电磁超表面器件，其特征在于，所述液态金属注入所述空腔结构时可形成液态金属薄层，所述金属薄层能够反射电磁波及透射电磁波。4.如权利要求3所述的可重构电磁超表面器件，其特征在于，还包括电子注射泵，所述电子注射泵可控制所述液态金属的流量及流速，并通过管线注入至所述空腔结构内。5.如权利要求4所述的可重构电磁超表面器件，其特征在于，还包括下封装层，所述下密封层设置于所述第二结构层上，所述下密封层用于对所述第二结构层的微通道进行密封，所述上封装层及所述下密封层采用pvc、pdms、pmma、聚酰亚胺或硅胶材料中的至少一种。6.如权利要求5所述的可重构电磁超表面器件，其特征在于，所述上封装层及所述下封装层均布置有通孔结构，所述通孔结构与所述电子注射泵的管线口径相匹配且排布方式与所述第一结构层及第二结构层的微通道一致。7.如权利要求1或6所述的可重构电磁超表面器件，其特征在于，所述微通道为折线形或直线形结构形态及其各种衍生或组合形态，所述微通道之间彼此独立且互不连通。8.如权利要求1所述的可重构电磁超表面器件，其特征在于，所述液态金属为镓铟锡合金。9.一种如权利要求1所述的可重构电磁超表面器件的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：在所述结构层上设置有微通道阵列，在所述微通道阵列中注入液态金属，驱动所述液态金属在所述微通道内流动以形成金属微结构，通过调节所述液态金属的注入量，以改变所述金属微结构的形状。10.如权利要求9所述的可重构电磁超表面器件的制备方法，其特征在于，在无氧环境中采用氢氧化钠溶液、盐酸或酸性油包裹所述液态金属。

技术总结
本申请提供的可重构电磁超表面器件及制备方法，包括至少一结构单元，所述结构单元包括结构层，所述结构层上设置有微通道阵列，所述微通道阵列中注入有液态金属，所述液态金属的注入量可调节，所述液态金属可在所述微通道阵列内流动以形成金属微结构，本申请提供的可重构电磁超表面器件及制备方法，集成了超表面微结构与液态金属，通过控制各微流体通道中的液态金属，在保证较高的控制精度和系统响应速度的基础上改变液态金属在微流控芯片中的位置和形状，达到器件性能和工作状态实时连续可调的目的，极大地提高可重构的自由度，满足电磁超表面器件工作状态实时连续可重构的要求，可应用于微波、通信、传感、天线等技术领域，应用范围广泛。用范围广泛。用范围广泛。


技术研发人员：高世博 邓永波 李博文 邵亚楠 韩业明 王承邈 张健宇 韩海涛 林雨
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/9/23