流体动力学超表面实现可编程电磁波束扫描
2022-05-14 15:23:29   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

韩国首尔中央大学提出了一种利用流体动力学超表面(HMS)的全新“流体动力学编码概念”。该超表面的实际演示需要结构的精细离散,以实现可变的相位响应。

超材料现已成为热门的研究课题,其凭借独特的电磁(EM)行为,吸引了物理学和工程学领域的广泛关注。超表面是超材料的二维(2D)表现形式,由于其紧凑性、低成本、高集成度、易于制造以及强大的电磁波控制能力,得到了深入研究。

近些年,许多面向各种应用的超表面设计已被报道,包括可重构辐射结构、偏振转换器、电磁隐身斗篷、涡流光束发生器、全息图生成以及光束偏转器等。

利用可重构和可编程(有源)超表面可以实现多种电磁功能。由于超表面的部分反射,有源元件与超材料的相互作用会导致传输相位不一致,从而实现可重构的波束控制。已有研究人员通过将可重构MEMS和光响应材料空间集成到超材料中,为先进的时空和频域电磁波操纵引入额外的自由度。

利用PIN二极管、变容二极管、钛酸锶钡(BST)器件和MEMS开关的有源调谐已被引入许多可重构超表面设计。不过,级联有源组件和移相器不仅阻碍了整个系统的小型化,而且提高了集成难度。2014年,有研究提出了数字编码的可编程超表面,用于数字操纵和控制电磁波。

相比之下,对于以连续参数为特征的传统超表面,编码超表面以可编程方式进行数字控制,从而能够实现更复杂的设计和更多样的功能。已有研究提出了一种具有集成透射和反射功能的多功能编码超表面,用于电磁波的全空间控制。

与半导体和MEMS开关相比,流体调谐因其独特的优势(如基于机械和高度线性),吸引了广泛关注,使其成为高功率微波应用的理想选择。另外,流体器件可以利用软材料和标准技术,制造柔性、可穿戴的可调谐装置。微流体已经被集成到振动传感器、倾斜传感器和触觉传感器等各种应用。类似地,具有动态可修正特性的超材料,也将成为许多超表面/超材料结构的理想选择。

据文献报道,共晶镓铟(EGaIn)、汞、液晶和水等多种材料已被用于实现频率、偏振和辐射模式的可重构。也许有些意外,水往往是流体解决方案的良好选择,因为它是地球上最丰富的流体,并且易获得、环境友好、成本低。

据麦姆斯咨询介绍,韩国首尔中央大学(Chung-Ang University)的研究人员提出了一种利用流体动力学超表面(HMS)的全新“流体动力学编码概念”。该超表面的实际演示需要结构的精细离散,以实现可变的相位响应。这项研究展示了使用HMS在方位角和仰角平面上进行的可编程电磁波束扫描。在本研究中,相变是通过二进制可编程高介电流体(水)流动实现的,使用微控制器在内置于HMS基底的微流体通道内进行微流体泵送。

众所周知,去离子水的介电损耗比自来水低。不过,在这项研究中,观察到去离子水中的辐射效率没有显著降低。与有源超表面相比,研究人员所提出的概念成本低、生物友好且生态兼容,据悉,在次之前没有报道过在全空间控制电磁波的类似概念。

流体动力学超表面实现可编程电磁波束扫描

图a、b展示了使用流体通道内的可编程流体进行全空间电磁波控制。入射波通过HMS后的梯度相位变换实现波束扫描。所提出的HMS平台包含四个微流体泵,它们通过内置在HMS基底中的四个微流体通道控制四个超表面元件。

这项研究成功演示了一种可编程HMS,通过在不同二进制编码序列的流体通道中注入水流,利用可变传输相位,在方位角和仰角平面上实现电磁波束扫描。其简易的HMS制造工艺提供了一个宽边电磁波束,通过控制微流体通道内的可编程注水,可以在±25°仰角的不同方位角方向上编程。

二进制编码HMS示意图,展示了mode 1-9 编码序列的波束扫描能力,其中A、B、C和D代表四个微流体通道。

二进制编码HMS示意图,展示了mode 1-9 编码序列的波束扫描能力,其中A、B、C和D代表四个微流体通道。

这项研究提出的HMS提供了一种有效的机制,可以使用低剖面和低成本设计的水流在微波区域编程电磁波。波束控制的精度主要取决于制造过程的精度和微流体调谐的有效利用。

与之前的文献报道相比,这项研究成果的优点包括:简化的结构、避免了大量开关或集总元件、成本低、没有偏置电路,以及没有偏置电路引起的性能中断。监控或雷达应用可以接受其较慢的切换时间,并且,随着流体技术的成熟,该技术有望为未来设备替换笨重的级联有源组件。

延伸阅读:

《超材料和超表面技术及市场-2021版》 

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