一种二比特微流控可编程超表面

本发明属于新型人工电磁材料领域，涉及一种二比特微流控可编程超表面。

背景技术：

1、近年来，超表面作为一种超薄型超材料，以其独特的优势脱颖而出，旨在克服三维超材料的局限，为电磁波调控领域带来全新突破。与三维超材料相比，超表面具有体积小、剖面低、易集成、损耗低等诸多显著优势，为电磁波调控带来了革命性的进步。经过精心设计与优化，超表面已成功实现对电磁波的相位调控、全息成像、雷达散射截面缩减、极化转换以及吸波等多种功能。此外，通过在特定编码超表面单元上加载二极管、电磁铁、微机电系统等可调设备，数字超表面的可重构性得以实现。当外加偏置电压改变时，相应编码超表面单元的辐射幅度和相位响应会随之变化，从而实现电磁波特性的实时调控。然而，传统的电控方法常涉及开关器件，这不仅可能导致金属疲劳性损坏，增加系统复杂度，还可能引入不可预知的串扰问题。

2、为了解决这些问题，探索了液体金属作为调控电磁波的新途径。液体金属具有易重塑形和良好的导电性。egain因其低熔点和良好的导电性成为理想的候选材料，得益于其固有的流体性质，即使在显著的拉伸应变下egain也保持稳定的性能。此外，egain还具有其他显著优势，包括低毒性和自我修复能力等。通过微流控装置对egain进行重构，液态金属可以被精确重构成特定的形状，从而实现对电磁波的精准调控。与传统的电控方法相比，微流控方法不仅操作更为便捷，而且为系统提供了更高的稳定性，更加节能，有效减少串扰问题，为电磁波调控领域带来了全新的可能性。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提供一种设计简便、加工成本低、节能和克服传统金属疲劳性的二比特微流控可编程超表面。

2、技术方案：

3、一种二比特微流控可编程超表面，该超表面包括可编程反射型人工电磁表面、与所述可编程反射型人工电磁表面集成的微流控芯片，所述二比特微流控可编程超表面包括若干阵列排布的编码超表面单元，每个所述编码超表面单元均包括介质基板、位于所述介质基板下侧的金属地、设置在介质基板上侧的两个金属贴片和设置在所述两个金属贴片上方的微流控通道以及用于存储液体金属的微腔室，编码超表面单元的微流控通道内的液体金属通过微型电机驱动。

4、优选的，所述编码超表面单元中的两个金属贴片的长和宽相同，长和宽分别为1.95-2.05mm和2.7-2.8mm；两个金属贴片中间镂空设置；且左侧金属贴片镂空的部分长和宽分别为1.2-1.3mm和1.9-2mm，右侧金属贴片镂空的部分长和宽分别为1.2-1.3mm和2.2-2.3mm。

5、优选的，所述微流控通道的两端分别通过一个方形的用于存储液体金属的微腔室和微型电机连接，液体金属通过微型电机的驱动从微腔室内注入软管，软管和微流控通道连接形成通路，每个软管上设置有电磁阀控制微流控通道的打开与关闭。

6、优选的，所述微流控通道的材质为pc，微流控通道的宽度为0.75-0.85mm，深度为0.25-0.35mm，微流控通道之间的间隙为0.6-0.7mm。

7、优选的，所述微型电机和微腔室设置在微流控通道的侧方，软管和电磁阀置于微腔室和微流控通道的中间。

8、优选的，所述微型电机的驱动电压为0-3v，电磁阀的驱动电压为3-3.7v。

9、优选的，所述液体金属采用无毒、无特殊气味、低熔点的共晶镓铟合金egain。

10、优选的，在工作频段内，控制液体金属进入不同微流控通道，编码超表面单元可呈现相位差为0°、90°、180°和270°的四种不同状态，分别用数码“00”、“01”、“10”和“11”表示；

11、所述的二比特微流控可编程超表面对编码超表面单元进行整列控制，不同的微流控通道填充液体金属时可实现不同的功能，当二比特微流控可编程超表面编码序列以“00，00，00，00”重复时，反射波为一个90°出射的主波束；当二比特微流控可编程超表面编码序列以“00，00，10，10”重复时，反射波为两个斜方向出射的主波束；当二比特微流控可编程超表面编码序列以“00，01，10，11”重复时，反射波为一个斜方向出射的主波束。

12、有益效果：

13、1)现有的电调控数字式超表面需要通过在金属贴片之间连接二极管或者变容管，然而，开关器件特别容易受到材料疲劳和损坏的影响，这使得保持其峰值性能和可靠性具有挑战性。其次，将电路集成到超表面系统中可能会引入复杂性，导致非线性和复杂的结构设计。本发明构建了一种微流控的数字式超表面，与现有电调控的数字式超表面相比，微流控可编程超表面可以通过驱动液体金属进入微流控通道中进行调控，无需在超表面内部引入开关器件，大大降低了系统的设计和实现复杂度，并且避免了相关器件带来的非线性和复杂的结构设计。其次，对液体金属进行多次重构也不会影响其性能。本发明的二比特微流控可编程超表面单元内集成了微流控通道，单元的电容值可以随着液体金属的注入实现动态可调，可在较宽的频带范围内实现大约0°，90°，180°和270°的相位差。

14、2)本发明的二比特微流控可编程超表面设计简便、加工成本低，编码超表面单元的尺寸小，有良好的通用性，通过改变编码超表面单元结构的尺寸便可设计在不同工作频点，易于推广应用。

15、3)本发明解决了现有数字式超表面控制方式单一的不足，且与现有电控的方法相比，微流控的方法降低了系统的复杂度和串扰、设计简便、加工成本低、克服传统器件的金属疲劳性和易损坏的缺陷，具有重要的应用前景。

技术特征：

1.一种二比特微流控可编程超表面，其特征在于，该超表面包括可编程反射型人工电磁表面、与所述可编程反射型人工电磁表面集成的微流控芯片，所述二比特微流控可编程超表面包括若干阵列排布的编码超表面单元，每个所述编码超表面单元均包括介质基板、位于所述介质基板下侧的金属地、设置在介质基板上侧的两个金属贴片和设置在所述两个金属贴片上方的微流控通道以及用于存储液体金属的微腔室，编码超表面单元的微流控通道内的液体金属通过微型电机驱动。

2.根据权利要求1所述的一种二比特微流控可编程超表面，其特征在于，所述编码超表面单元中的两个金属贴片的长和宽相同，长和宽分别为1.95-2.05mm和2.7-2.8mm；两个金属贴片中间镂空设置；且左侧金属贴片镂空的部分长和宽分别为1.2-1.3mm和1.9-2mm，右侧金属贴片镂空的部分长和宽分别为1.2-1.3mm和2.2-2.3mm。

3.根据权利要求1所述的一种二比特微流控可编程超表面，其特征在于，所述微流控通道的两端分别通过一个方形的用于存储液体金属的微腔室和微型电机连接，液体金属通过微型电机的驱动从微腔室内注入软管，软管和微流控通道连接形成通路，每个软管上设置有电磁阀控制微流控通道的打开与关闭。

4.根据权利要求1所述的一种二比特微流控可编程超表面，其特征在于，所述微流控通道的材质为pc，微流控通道的宽度为0.75-0.85mm，深度为0.25-0.35mm，微流控通道之间的间隙为0.6-0.7mm。

5.根据权利要求1所述的一种二比特微流控可编程超表面，其特征在于，所述微型电机和微腔室设置在微流控通道的侧方，软管和电磁阀置于微腔室和微流控通道的中间。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种二比特微流控可编程超表面，其特征在于，所述微型电机的驱动电压为0-3v，电磁阀的驱动电压为3-3.7v。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种二比特微流控可编程超表面，其特征在于，所述液体金属采用无毒、无特殊气味、低熔点的共晶镓铟合金egain。

8.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种二比特微流控可编程超表面，其特征在于，在工作频段内，控制液体金属进入不同微流控通道，编码超表面单元可呈现相位差为0°、90°、180°和270°的四种不同状态，分别用数码“00”、“01”、“10”和“11”表示；所述的二比特微流控可编程超表面对编码超表面单元进行整列控制，不同的微流控通道填充液体金属时可实现不同的功能，当二比特微流控可编程超表面编码序列以“00，00，00，00”重复时，反射波为一个90°出射的主波束；当二比特微流控可编程超表面编码序列以“00，00，10，10”重复时，反射波为两个斜方向出射的主波束；当二比特微流控可编程超表面编码序列以“00，01，10，11”重复时，反射波为一个斜方向出射的主波束。

技术总结本发明旨在提供一种二比特微流控可编程超表面。该反射型人工电磁表面由一系列的编码超表面单元构成，每个单元都包含一个介质基板，基板下侧设有金属地，上侧设有两个金属贴片，金属贴片上方集成了微流控通道。通过向不同的微流控通道中注入液体金属，可以控制每个编码超表面单元的相位状态。用数码“00”、“01”、“10”和“11”来代表编码超表面单元的四种不同的相位状态，从而构建出一个二比特可编程超表面。这种二比特微流控可编程超表面不仅制作简便、省去复杂的馈电电路，具有显著的节能优势，并能有效克服传统金属的疲劳性和集总元件的寿命问题。因此，它在可调谐天线设计、雷达背向散射缩减等方面均展现出潜在的应用前景。技术研发人员：傅晓建,蔡庆东,崔铁军受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27