一种基于缺陷地的柔性可重构超表面及其制备方法

本发明属于人工超材料，具体涉及一种基于缺陷地的柔性可重构超表面及其制备方法。

背景技术：

1、超表面是一种将不同构型的人工周期结构按一定周期排列形成的二维阵面。由于不同构型的单元结构对电磁波具有不同的响应，因此，通过调节人工周期结构形状并排布阵面即可实现多种多样的电磁功能，例如波束偏转、电磁幻像以及rcs缩减隐身等。无源超表面的电磁响应特性随着加工过程的结束即变得固定且不可重构。因此，为了实现超表面的可重构，可以在人工结构单元中引入可调谐组件，例如相变材料或者二极管等，通过引入可调谐元件的等效电路参数变化实现超表面电磁响应的可重构。

2、刚性有源可重构超表面的一般结构主要有三层(zhang,x.g.et al.an opticallydriven digital metasurface for programming electromagneticfunctions.nat.electron.3,165-171(2020))：顶层谐振结构层，一般为金属层并集成了可调谐组件；中间层为介质层；底层为金属接地全反射层，其结构如图1所示。现阶段，可重构智能超表面主要依赖于刚性pcb加工工艺，可以依靠其成熟的加工工艺实现大规模制备。但实际应用中，由于部署平台的动态变形导致其与刚性的超表面力学性质出现失配。因此，直接将刚性超表面应用至柔性可形变领域会面临巨大的困难。

3、而随着智能蒙皮以及可穿戴电子器件的发展，柔性的应用场景增多，柔性超表面的应用需求也增大了。但现阶段的柔性超表面主要研究集中在无源超表面(malek,s.c.,ee,h.-s.&agarwal,r.strain multiplexed metasurface holograms on a stretchablesubstrate.nano lett.17,3641-3645(2017))，该无源超表面在共形应用时，编码序列一旦设计完成，其对电磁波的调控功能便会固定不可调。因此，当此将此类柔性超表面应用至其余共形形状时，预设的编码将失效，导致电磁调控功能的退化。另外，基于石墨烯等本征可拉伸导电材料或者主动原件的柔性超表面也被少量报道，但是本征导电材料或者柔性主动原件(石墨烯等)制备加工功能难度较大，且实现大尺寸制备难度较大，限制了柔性超表面的大规模制备，

4、如果直接将可重构硬质超表面柔性化，一方面需要克服单元贴片在形变情况下的电磁性能降低的问题；另一方面也需要解决不可拉伸的完整地平面与单元贴片所导致的超表面整体弯曲刚度的较高的问题。

技术实现思路

1、针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于缺陷地的柔性可重构超表面及其制备方法，该超表面通过选用柔性材料作为介质层，同时将全金属地板进行缺陷化设计，且使柔性可重构超表面弯曲形变的中性面与有源贴片层重合，再在有源贴片层上加载有源可调谐器件，从而实现整个可重构超表面的柔性化。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种基于缺陷地的柔性可重构超表面，包括m×n个阵列排布的超表面单元，每个超表面单元从上至下依次为有源贴片层、柔性介质层和金属地；其中，有源贴片层包括两个对称分布的耦合贴片单元，每个耦合贴片单元由一个回字型金属贴片和与回字型其中一边电连接的有源器件组成，所述有源器件位于两个耦合贴片单元相邻的边上，且两个耦合贴片单元中的有源器件电连接；金属地具有缺陷结构，所述缺陷结构为单元结构阵列密排得到，所述单元结构为一个半圆以其中一个端点为旋转中心依次旋转90°、180°和270°得到；通过调整柔性介质层的厚度和金属地的尺寸参数，使得柔性可重构超表面弯曲形变的中性面与有源贴片层重合。

4、进一步地，以频率为f的线极化电磁波入射为例，为了使超表面具有较好的波束调控功能，在电场方向上超表面的尺寸不小于4个工作波长，同时磁场方向上超表面的尺寸不小于两2个波长；如果阵列周期长度为a，则m≥4*c/f,n≥2*c/f的取值要求，其中c为光速。

5、进一步地，所述超表面单元为亚波长厚度结构，其厚度需要与工作频点、顶层谐振结构联合设计，通常厚度不大于10mm。

6、进一步地，所述柔性介质层的材料优选为pdms、ecoflex等材料。

7、进一步地，因此缺陷地的单元结构的尺寸应综合承受的应变、拉伸强度和电磁损耗率三个因素设计，设计要点具体为：

8、首先，由于有源贴片层为不可拉伸结构，柔性超表面形变主要集中在柔性介质层以及缺陷地结构，缺陷地结构需能承受足够大的应变；其次，缺陷地结构也应具有较高的拉伸强度；最后，为了实现超表面的金属地全反射作用，缺陷地结构也需要保证足够的金属填空率已降低电磁损耗，同时高的填空率可能会导致缺陷地结构的拉伸率降低，以及加工难度的急剧增加；因此以上三点设计要点应结合实际工作频率综合考量。

9、进一步地，缺陷地的单元结构中半圆的线宽为0.02-0.4mm，半径为0.05-0.4mm，单元结构的填空率为20％-80％。

10、进一步地，缺陷地的单元结构中半圆的线宽优选为0.1-0.4.

11、一种基于缺陷地的柔性可重构超表面的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤1.采用刻蚀液对抛光铜膜表面进行刻蚀得到粗化铜膜；

13、步骤2.通过刮涂在粗化铜箔表面涂布柔性介质前驱液；

14、步骤3.将涂布有柔性介质前驱液的铜箔进行加热固化；

15、步骤4.然后对固化后的铜箔进行紫外曝光，然后采用显影、铜刻与脱膜工艺得到覆有缺陷地结构的介质层；

16、步骤5.对柔性印刷电路板(fpcb)进行图案化，得到所需的覆有柔性材料层的有源贴片层，然后对柔性材料层采用氧等离子处理，使其表面产生悬挂键，然后与步骤4得到的覆有缺陷地结构的介质层进行键合；等离子体处理时间为30min。

17、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

18、本发明柔性可重构超表面与未进行缺陷地结构以及柔性介质设计的超表面相比，弯曲刚度降低了至少两个数量级；同时，本发明柔性可重构超表面在2-10ghz的工作频段内，电磁反射系数不低于0.9，展示出较好的的工作频段内全反射功能；除此之外，本发明柔性超表面在弯曲变形情况下具备超表面的基本波束调控功能。

技术特征：

1.一种基于缺陷地的柔性可重构超表面，其特征在于，包括m×n个阵列排布的超表面单元；每个超表面单元从上至下依次为有源贴片层、柔性介质层和金属地；

2.如权利要求1所述的基于缺陷地的柔性可重构超表面，其特征在于，所述柔性可重构超表面在电场方向上超表面的尺寸不小于4个工作波长，同时磁场方向上超表面的尺寸不小于两2个波长。

3.如权利要求1所述的基于缺陷地的柔性可重构超表面，其特征在于，所述超表面单元为亚波长厚度结构，其厚度需要与工作频点、顶层谐振结构联合设计。

4.如权利要求3所述的基于缺陷地的柔性可重构超表面，其特征在于，所述超表面单元的厚度不大于10mm。

5.如权利要求1所述的基于缺陷地的柔性可重构超表面，其特征在于，所述柔性介质层的材料为pdms或ecoflex。

6.如权利要求1所述的基于缺陷地的柔性可重构超表面，其特征在于，因此缺陷地的单元结构的尺寸应综合承受的应变、拉伸强度和电磁损耗率三个因素设计。

7.如权利要求6所述的基于缺陷地的柔性可重构超表面，其特征在于，缺陷地的单元结构中半圆的线宽为0.02-0.4mm，半径为0.05-0.4mm，单元结构的填空率为20-80％。

8.如权利要求7所述的基于缺陷地的柔性可重构超表面，其特征在于，缺陷地的单元结构中半圆的线宽为0.1-0.4。

9.一种如权利要求1-8任一权利要求所述的基于缺陷地的柔性可重构超表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明的目的在于提供一种基于缺陷地的柔性可重构超表面及其制备方法，属于人工超材料技术领域。该超表面通过选用柔性材料作为介质层，同时将全金属地板进行缺陷化设计，且使柔性可重构超表面弯曲形变的中性面与有源贴片层重合，再在有源贴片层上加载有源可调谐器件，从而实现整个可重构超表面的柔性化。本发明柔性可重构超表面与未进行缺陷地结构以及柔性介质设计的超表面相比，弯曲刚度降低了至少两个数量级；同时，本发明柔性可重构超表面在2‑10GHz的工作频段内，电磁反射系数不低于0.95，展示出较好的的工作频段内全反射功能；除此之外，本发明柔性超表面在弯曲变形情况下具备超表面的基本波束调控功能。

技术研发人员：潘泰松,李凡,林媛,郭登机,贾祥,高敏
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/12