Новый класс трансформируемых метаматериалов киригами для реконфигурируемых электромагнитных систем

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1219 (2023) Цитировать эту статью

2585 ​​Доступов

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Быстрое развитие радиочастотных (РЧ) компонентов требует интеллектуальных многофункциональных материалов, которые могут адаптировать свою физическую форму и свойства в зависимости от окружающей среды. В то время как большинство современных реконфигурируемых систем обеспечивают ограниченную гибкость при высоких производственных затратах, это исследование предлагает использовать трансформируемые свойства мультистабильных механических метаповерхностей, вдохновленных киригами, которые могут многократно деформироваться и фиксироваться в различных конфигурациях, чтобы реализовать новый класс недорогих реконфигурируемых электромагнитных структур с широкое дизайнерское пространство. Метаповерхности формируются путем проектирования элементарных ячеек на основе кинематики с металлизированным покрытием, которые могут обеспечивать регулируемые резонансные электромагнитные (ЭМ) свойства при вращении относительно друг друга. Подгоняя длину реза и параметры геометрии лекал, мы демонстрируем программирование топологий и форм различной конфигурации. Влияние критических параметров на мультистабильность конструкции проиллюстрировано с помощью упрощенной энергетической модели и моделирования методом конечных элементов. В качестве примеров реконфигурируемых электромагнитных устройств, которые могут быть реализованы, мы сообщаем о разработке перестраиваемого полуволнового диполя и двух частотно-селективных поверхностей (FSS) с изотропными и анизотропными откликами. В то время как диполь киригами можно настроить, механически растягивая его плечи, FSS демонстрируют различные спектры пропускания и отражения в каждом из стабильных состояний узоров киригами. Функциональность этих устройств киригами подтверждена как полноволновым электромагнитным моделированием, так и экспериментами. Предлагаемые трансформируемые структуры можно механически активировать для настройки электромагнитного отклика по частоте или создания анизотропии для распространения волн.

Расширение беспроводной связи и растущее разнообразие современных беспроводных услуг привели к растущему спросу на реконфигурируемые электромагнитные (ЭМ) системы, способные поддерживать плавную мобильность пользователей с помощью различных технологий беспроводного доступа. Среди ключевых компонентов для разработки мультистандартных архитектур передатчиков и приемников — настраиваемые антенны и реконфигурируемые частотно-селективные поверхности (FSS). В большинстве конструкций настраиваемых антенн и ФСС реконфигурируемость достигается за счет изменения диаграммы направленности тока в антенне или элементарной ячейке ФСС с помощью переключателей, таких как штыревые диоды и микроэлектромеханические переключатели (МЭМС), или загрузки структур варакторными диодами, которые обеспечивают переменная емкость, управляемая напряжением1,2,3,4. Однако схемы смещения и управления, необходимые для управления этими активными компонентами, увеличивают сложность системы и могут быть источником помех и отражений, а также вносить дополнительные потери проводимости, тем самым способствуя снижению общей производительности, особенно на высоких частотах. .

Недавно были предложены новые подходы к настройке отклика электромагнитных компонентов, основанные на механическом преобразовании. В FSS, состоящем из керамических резонаторов с различными характеристиками заграждения при фронтальном и боковом падениях, разработанном в [5], отклик можно переконфигурировать между двумя соседними полосами заграждения, просто механически изменяя ориентацию керамических резонаторов. Особый интерес представляет семейство механических метаматериалов, которые могут использовать поведение по изменению формы для настройки своих механических, а также диэлектрических свойств6,7,8,9. Механические метаматериалы с превосходной структурной гибкостью могут иметь низкие электромагнитные потери для миллиметровых волн, требуя при этом сравнительно низких затрат на производство; это делает их привлекательными кандидатами для реализации реконфигурируемых электромагнитных компонентов, которые имеют решающее значение для многих секторов, таких как следующие поколения систем беспроводной связи, 5G и выше, поддерживающих многорежимные и многодиапазонные приложения10,11,12, и, таким образом, требуются многофункциональные реконфигурируемые антенны для замены множества однофункциональных устаревших антенн13,14,15,16. Реконфигурируемые датчики для неразрушающего дистанционного извлечения и мониторинга различных величин, таких как деформация, свойства диэлектрического материала и жидкости17,18, а также носимая электроника19, где возможности изменения формы могут повысить адаптируемость и соответствие электронной платформы человеческому телу и, таким образом, могут оказаться полезными. для биомедицинских технологий20,21.