[发明专利]基于液态金属的可控极化转换表面

说明书

本发明属于天线技术领域，提出了一种基于液态金属的可控极化转换表面，用于解决人工电磁表面其电磁性能在加工完成之后将无法改变的问题，从而实现人工电磁表面电磁特性的可重构性能；该极化转换表面包括周期性排列的M*N个可控极化转换单元，其中，M≥3,N≥3，M，N为正整数，所述极化转化单元包括金属地板、介质衬底、液态金属微流道和液态金属合金；所述介质衬底由带有液态金属微流道的PDMS材料构成，分别是第一介质衬底、第二介质衬底和覆层介质，所述第一衬底、第二介质衬底和覆层介质之间采用热键和方式连接，所述液态金属微流道包括折线型微流道和锯齿型微流道；通过改变液态金属位置状态，实现了可调控极化转换表面的工作性能。

技术领域

本发明属于电磁介质特性研究技术领域，涉及一种基于液态金属可重构极化转换表面及其重构方法，利用液态金属的流动性以及可与固体金属相比拟的导电率来设计能切换多种模式的人工电磁表面，适用于应变多种环境下的不同需求。

背景技术

随着现代无线通信技术的不断发展，人们在研究影响电磁波传播过程中会遇到许多复杂气候多样环境，因为通信的保密性要求电磁波在传播过程中要实时可控，极化是电磁波的重要特性，在增加通信容量、提高保密性等方面具有重要作用。控制电磁波的极化主要有两种实现方法,一是直接调控天线的极化、二是通过设计极化旋转表面并置于天线辐射路径上或直接作为天线的辐射面。其中前者具有天线结构尺寸小、频带宽、损耗低等优点,但由于直接调控天线辐射,射频偏置电路设计复杂；相对而言,后者则只需设计可重构极化旋转表面(reconfigurable polarization rotation surfaces,RPRS)便可以间接控制天线辐射性能，基于表面的极化转换器具有高效率、宽频带或多波段、超薄厚度等特点，公认是控制电磁波极化状态的一种非常好的方法。

现有的可重构极化旋转表面按实现方式大致可以分为:改变介质材料、改变有效金属结构这两种方法。前者通常利用石墨烯、液晶、金属微流体等材料来代替传统的金属和介质材料,具有工作频段高,设计加工难度大的特点；相比而言,后者具有易仿真加工、电可控性能好、结构灵活多样等特点。而目前，常用的可重构电磁材料金属结构是通过射频开关设计的，如变容二极管、pin二极管和微机电系统(MEMS)开关进行控制的，

2018年，yangwanli、gaoxi等人在2018Cross Strait Quad-Regional RadioScience and Wireless Technology Conference(CSQRWC)发表的文章A ReconfigurablePolarization Converter Based on Active Metasurface中设计了一款基于有缘馈电人工电磁表面嵌入变容二极管通过偏置电压实现切换人工电磁材料的工作形式实现对线极化与圆极化变换器之前切换。在偏执电压为0V情况下，该器件作为线极化偏振变换器，而对于-19V的偏执电压情况下，则切换为线极化转换圆极化转换表面。而这些器件通常需要直流偏置电路进行激励，通常会限制材料状态数量和范围导致其结构复杂、非线性、处理能力低等问题。

2017年，Meng Wang等人在IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS发表的A Liquid-Metal Polarization-Pattern-Reconfigurable Dipole Antenna通过电驱动毛细管内液态金属使得LMA在不同的极化和零方向上进入5个离散的状态，局部表面能量井内建在聚酰亚胺夹具包裹流体，使亚稳态锁定的LMA，消除了需要连续的直流偏置电压来维持每个状态。用正的直流偏置电压施加到包围液态金属的电解质溶液Na(OH)上，产生表面张力梯度产生Marangoni力，将液态金属推向正方向。这种方法用液态金属与电溶解液的表面张力驱动LMA很受外界干扰，一点点的重力势能会严重影响结果，设备需要在完全平衡且无离心力作用时可以正常工作，完全被工作条件严格得限制了。