一种双层裂环式超宽带柔性频率选择表面及其制备方法

本发明涉及人工电磁器件领域，具体而言，涉及一种双层裂环式超宽带柔性频率选择表面及其制备方法。

背景技术：

1、随着通信技术的迅猛发展，电磁波的调控在卫星通信、雷达技术、光学与光子学等科学研究和实际应用中起着愈发重要的作用。传统的电磁调控器件利用电路或光学元件调控电磁波的传播特性。然而，这些体积庞大的调控器件无法满足现代通信系统高度集成化的发展需求。超表面作为一种人工制造的二维电磁材料，可以集成于天线等通信设备，实现对电磁波传播的精准调控，因而拥有卓越的电磁特性和调控能力；并且，超表面在工作频带、体积和成本等方面具有显著的优势。频率选择表面是一种基本的电磁超表面。然而，由于现代通信系统所承载的信息量越来越高，已有的频率选择表面的工作带宽无法满足现代通信系统的发展需求。同时，传统的电磁超表面通常采用金、银、铜、铝合金等常规固体金属材料制作，频率选择表面集成在通信系统中时，其二维平板形态和不可弯折特性严重地影响系统的集成度，而且固体金属的机械疲劳也会严重地影响电磁超表面的使用寿命。

2、频率选择表面是一种由二维周期元素组成的结构，它具有与传统射频电路中的频率滤波器相似的频率滤波特性。完美导电片中的槽或孔的周期性阵列充当带通滤波器，即在结构的谐振频率下透过电磁波，但在更高和更低的频率上阻断电磁波。相反，导电贴片阵列充当带阻滤波器，即在结构的谐振频率下阻断电磁波，但在更高和更低的频率上透过电磁波。在无介电介质的独立薄网格情况下，贴片型频率选择表面和孔径型频率选择表面的滤波性能完全互补。由于这种滤波特性，频率选择表面有两种主要应用。一种是反射器天线系统，其中频率选择表面反射器用于分离不同波段的馈电，在提供多个通带或阻带的同时，还能实现带外陡降特性，从而具备高度频率选择性，这解决了无线设备在多频通信和电磁干扰方面的问题。另一种是将频率选择表面作为天线罩，天线罩不仅可以保护天线的辐射缺陷免受物理环境的影响，还可以追求工作频率透明的电磁特性，从而保证封闭式天线的性能。

3、为了克服传统的电磁超表面存在难以共形、易机械疲劳、无法重构等问题，研究人员开始关注无毒性的液态金属材料，如镓铟合金和镓铟锡合金，具有以下性能优势：(1)高强度，液态金属的强度是铝、镁合金的10倍以上，不锈钢、钛合金的1.5倍以上；(2)极强的耐磨性和耐腐蚀性；(3)散热性、电磁性能等方面在轻合金中出类拔萃，而且在加热条件下不易变形。因此，液态金属在天线和光学设备、柔性电路、超拉伸电线、传感器和电子皮肤以及柔性机器人等方面具有广泛的应用前景。虽然目前对于频率选择表面的研究较为全面，但是尚未充分将液态金属的显著优势应用于频率选择表面的研究，而且存在着工作带宽不足的问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种双层裂环式超宽带柔性频率选择表面及其制备方法，以至少解决常规频率选择表面工作频带窄、难以共形、易机械疲劳损伤的技术问题。

2、根据本发明的实施例一，提供了一种双层裂环式超宽带柔性频率选择表面，包括从上至下依次设置的：上层盖板、上层液态金属、上层液态金属谐振器层、介质层、下层液态金属、下层液态金属谐振器层、下层盖板；

3、上层液态金属谐振器层与下层液态金属谐振器层上均开设有液态金属流道，上层液态金属、下层液态金属对应容置在上层液态金属流道、下层液态金属流道内。

4、进一步地，上层液态金属谐振器层、下层液态金属谐振器层的液态金属流道为两个不同形状的裂环，通过两个裂环之间的耦合实现超宽带的频率选择。

5、进一步地，上层液态金属谐振器层、下层液态金属谐振器层由因填充在微流道中，而被约束成特定构型的液态金属构成。

6、进一步地，还包括压敏胶层，压敏胶层为两个，分别设置在上层液态金属谐振器层与介质层之间、介质层与下层液态金属谐振器层之间。

7、进一步地，上层盖板、下层盖板为具有超强韧性的热塑性聚氨酯tpu材质。

8、进一步地，上层盖板、下层盖板内侧带胶，对应将上层液态金属、下层液态金属进行封装。

9、进一步地，介质层为pdms介质层。

10、进一步地，液态金属为镓铟锡合金。

11、根据本发明的实施例一，提供了一种双层裂环式超宽带柔性频率选择表面的制备方法，包括：

12、在柔性板材上切割液态金属流道的构型得到液态金属流道；

13、在压敏胶上切割液态金属入口通孔；

14、将带背胶的tpu、液态金属流道、带有液态金属入口通孔的压敏胶按次序粘接在一起；

15、将液态金属注入液态金属流道内，得到第一层液态金属谐振器；

16、按照上述过程制备第二层液态金属谐振器；

17、将两层液态金属谐振器粘接柔性介质的上下两面。

18、进一步地，在超宽带柔性频率选择表面的下部依次设置实现雷达散射缩减的功能的下层介质层、金属底板。

19、本发明实施例中的双层裂环式超宽带柔性频率选择表面及其制备方法，被液态金属流道约束的液态金属形成各向异性构型，在电磁波的激励下，液态金属表面的自由电子发生振荡，使得液态金属构型在特定的频段实现电容或电感的效果。本发明基于液态金属的流体力学特性、耐腐蚀性和良好的导电性，研究超宽带的频率选择电磁超表面，以解决传统电磁超表面难以共形、易疲劳损伤、工作带宽不足的问题，进而为高性能电磁超表面研究提供理论方法和技术支撑。

技术特征：

1.一种双层裂环式超宽带柔性频率选择表面，其特征在于，包括从上至下依次设置的：上层盖板、上层液态金属、上层液态金属谐振器层、介质层、下层液态金属、下层液态金属谐振器层、下层盖板；

2.根据权利要求1所述的双层裂环式超宽带柔性频率选择表面，其特征在于，所述上层液态金属谐振器层、下层液态金属谐振器层的液态金属流道为两个不同形状的裂环，通过两个裂环之间的耦合实现超宽带的频率选择。

3.根据权利要求1所述的双层裂环式超宽带柔性频率选择表面，其特征在于，所述上层液态金属谐振器层、下层液态金属谐振器层由因填充在微流道中，而被约束成特定构型的液态金属构成。

4.根据权利要求1所述的双层裂环式超宽带柔性频率选择表面，其特征在于，还包括压敏胶层，所述压敏胶层为两个，分别设置在所述上层液态金属谐振器层与所述介质层之间、所述介质层与下层液态金属谐振器层之间。

5.根据权利要求1所述的双层裂环式超宽带柔性频率选择表面，其特征在于，所述上层盖板、下层盖板为具有超强韧性的热塑性聚氨酯tpu材质。

6.根据权利要求1所述的双层裂环式超宽带柔性频率选择表面，其特征在于，所述上层盖板、下层盖板内侧带胶，对应将所述上层液态金属、下层液态金属进行封装。

7.根据权利要求1所述的双层裂环式超宽带柔性频率选择表面，其特征在于，介质层为pdms介质层；液态金属为镓铟锡合金。

8.根据权利要求1所述的双层裂环式超宽带柔性频率选择表面，其特征在于，还包括设置在所述下层盖板下部、实现雷达散射缩减的功能的下层介质层、金属底板。

9.一种双层裂环式超宽带柔性频率选择表面的制备方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的双层裂环式超宽带柔性频率选择表面的制备方法，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明涉及人工电磁器件领域，具体涉及一种双层裂环式超宽带柔性频率选择表面及其制备方法，包括从上至下依次设置的：上层盖板、上层液态金属、上层液态金属谐振器层、介质层、下层液态金属、下层液态金属谐振器层、下层盖板；上层液态金属谐振器层与下层液态金属谐振器层上均开设有液态金属流道，上层液态金属、下层液态金属对应容置在上层液态金属流道、下层液态金属流道内。本发明中被液态金属流道约束的液态金属形成各向异性构型，在电磁波的激励下，液态金属表面的自由电子发生振荡，使得液态金属构型在特定的频段实现电容或电感的效果。

技术研发人员：邓永波,邵亚楠,吕云帆,李博文,高世博
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：
技术公布日：2024/12/5