射频（RF）元件的快速发展要求智能多功能材料能够根据环境变化调整其物理形状和性能。近年来，研究者们提出了基于机械变形来调谐电磁（EM）元件响应的新方法。特别令研究人员感兴趣的是一类机械超构材料，它们可以利用形变行为来调谐其机械性能和介电性能。具有优异结构灵活性的机械超构材料对毫米波来说其电磁损耗较低，同时其制造成本也相对较低；这些特点使其成为实现可重构电磁元件的有吸引力的竞争者，这对于如下一代无线通信系统、5G及更高级别的移动通信技术、支持多模式和多波段应用等诸多领域来说至关重要。
一般来说，机械重构对于电子元件来说有诸多优势：（1）无需偏压控制电路，可降低系统复杂性和损耗；（2）机械超构材料有源器件的非线性使其没有杂散频率分量、没有电气击穿风险，适合高功率应用；（3）当使用如铁电体、铁氧体和液晶等可调谐材料时，其电学性质可以通过施加外部偏压（如热、电场或磁场、光辐射等）来控制，这些材料通常需要高偏压或高直流功耗，并对热变化表现出非必要的灵敏度。但是，目前大多数可重构系统的灵活性有限，制造成本高。
据麦姆斯咨询报道，近日，英国牛津大学工程科学系的研究人员在Scientific Reports发表了以“A new class of transformable kirigami metamaterials for reconfigurable electromagnetic systems”为主题的论文。该论文受剪纸艺术（Kirigami）启发，提出利用机械超构材料的可变形特性开发了一类新型可重构电磁器件。通过设计可相对于彼此旋转的具有金属涂层的基于运动学的晶胞，以提供可调的谐振电磁特性，从而实现利用机械驱动可变形结构来调谐电磁频率响应或诱导波传播的各向异性。
超构材料结构设计
该论文重点研究了具有以下特征的kirigami图案：（1）超构材料的闭合状态没有空隙，以模拟导电屏幕；（2）超构材料的稳定状态是平面结构，从而表现为平面频率选择表面（FSS）；（3）超构材料具有双稳态特性，可以锁定在各种稳定状态。据此，研究人员从kirigami几何图案和双稳态结构设计中获得灵感，并重点关注两种设计：一种是可以在单一方向上拉长的三角形图案，另一种是可以在原位展开的星形图案。通过旋转晶胞中的三角形，图案可以扩展为多种构型，并在负载释放后保持变形。
图1 超构材料结构设计。（a）和（d）是三角形图案和星形图案胞元的设计参数。（b）和（e）是嵌入三角形超构材料和星形超构材料的闭合和打开状态。（c）和（d）是带有三角形和星形图案以及二者在闭合和打开状态的激光雕刻样本照片（比例尺长度为1cm）。
随后，该论文对超构材料结构进行了非线性有限元（FE）分析，探讨其双稳定性；并且建立了简化弹性能量模型，分析了关键参数对结构多稳态的不同影响。
可调谐半波偶极子
可重构且可调谐的半波偶极子是多稳定kirigami结构的潜在应用，特别是图1（a）所示的三角形kirigami结构。这种应用显然受到了带有可伸缩元件的经典可调谐半波偶极子天线的启发。最近，研究者以p-i-n二极管阵列结构的形式提出了一种可伸缩偶极子概念的先进电子版本，，其元件通过在p型与n型区域之间施加正向电压来“激活”，以实现高导电性。通过改变正向偏置的p-i-n二极管胞元的数量来重新配置天线工作频率，这需要利用扼流电感和去耦电容将偏置线连接到每个天线元件上。二极管中由于高正向偏置和金属元件（如直流偏置线）的辐射干扰而产生热量是这种结构的缺点之一。而在另一项关于实现频率可调谐半波偶极子天线的最新研究中，Sarabia等人提出了使用电驱动的液态金属像素阵列。
在本研究中，偶极子响应的可调谐性是通过改变由形成偶极子臂的薄金属涂层所覆盖的kirigami橡胶条的延伸来实现的。图2（a）显示了由两个完全闭合的kirigami条带所形成的偶极子，以及在kirigami图案的两行中分别拉伸开的六个晶胞的样本构型。形成偶极子臂的kirigami条带共包含9个晶胞，因此原则上可以扩展到更大尺寸。值得注意的是，类似方法也可应用于利用星型kirigami图案实现的频率可重构微带贴片天线。
图2 （a）已实现的偶极子模型示意图。（b）测量装置中的样本原型。（c）图（a）所示的可变扩展样本构型中，模拟和实测的可调谐偶极子的反射系数。（d）模拟和实测的可调谐范围的比较。
可重构频率选择表面（FSS）
该论文介绍的周期性多稳态kirigami图案也适用于实现机械可重构频率选择表面——其可以通过在橡胶的一侧创建导电/金属层来实现，并在其上切割kirigami图案；另一种实现方式是利用高介电常数材料形成kirigami结构。该论文主要关注前一种方法。一旦覆盖了合适的金属涂层，kirigami超构表面将表现为可重构频率选择表面，在其每个稳定状态下都表现出特定的透射和反射波谱。因此，如果金属涂层能够承受变形过程（拉伸和压缩），并且导体连接性得以保持，特别是形成kirigami超构表面的三角形之间的薄韧带，则频率选择表面的电磁响应可以通过kirigami图案的机械变形来重构。研究者测试了三角形和星形两种超构表面，两者都可以在短时间内重复展开。
图3 （a）可重构频率选择表面样本。（b）实验设置。测量并模拟了三角形kirigami可重构频率选择表面在其闭合和完全打开构型下，对（c）水平和（d）垂直偏振入射波的透射率。（e）测量并模拟了星形kirigami频率选择表面在闭合和完全打开构型下的透射率。（f）闭合构型中改进的星形频率选择表面的模拟透射和反射系数。
综上所述，本研究提出利用源自Kirigam的多稳态机械超构表面的可变形特性（机械超构表面可以重复变形并锁定在不同构型），实现了一类具有广阔设计空间的低成本可重构电磁结构。这种超构表面是通过设计具有金属涂层的基于运动学的晶胞而形成，该晶胞可以在相对于彼此旋转时提供可调的谐振电磁特性。根据定制图案的切割长度和几何参数，该研究演示了不同构型的拓扑结构和形状的编程。通过简化能量模型和有限元模拟，说明了关键参数对结构多稳态的影响。作为可实现的可重构电磁器件的示例，该研究还报道了具有各向同性和各向异性响应的可调谐半波偶极子和两种可重构频率选择表面设计的开发情况。虽然kirigami偶极子可以通过机械拉伸其臂来调谐，但频率选择表面在每种kirigami图案稳定状态下都表现出不同的透射和反射波谱。通过全波电磁模拟和实验，该研究验证了这些kirigami器件的功能。该研究提出的可变形结构可以通过机械驱动来调谐电磁频率响应或诱导波传播的各向异性。
利用以上基于运动学的设计工具，研究者可以创建各种具有大变形范围的变形结构，并且还有广阔的设计空间有待探索。相应地，机电超构材料的形状变化为可调谐天线、滤波器和其它组件的电性能和电磁响应提供了广泛的调谐范围，而这正是下一代无线通信系统、遥感和生物医学应用的可穿戴电子设备所需要的。
这项研究工作获得英国工程和物理科学研究委员会（EPSRC，EP/N010493/1）、英国空军科学研究局（FA9550-16-1-0339）和牛津大学克拉伦登奖学金的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41598-022-27291-8
延伸阅读：
《光学和射频应用的超构材料-2022版》
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2022版》
《5G技术及市场-2022版》
