[发明专利]基于形状记忆材料的可重构超构光栅

说明书

本发明公开了一种基于形状记忆材料的可重构超构光栅，包括：电容型金属结构蚀刻于FR4介质基板的上表面；形状记忆可形变材料层设置在FR4介质基板的下表面；形状记忆可形变材料层设置在金属反射板上。本发明通过引入形状记忆可形变材料层进行超构光栅设计，降低了制造难度，减少了成本，不需要外加电源，不需要复杂的馈电。本发明通过改变单元阻抗密度的原理设计可重构超构光栅，实现精准出射角度控制及能量分配。

技术领域

本发明属于微波射频技术领域，涉及一种基于形状记忆材料的可重构超构光栅。

背景技术

近年来，电磁超表面以及超构光栅因其对电磁波参数特有的调控优势受到了极大的关注。超表面作为超材料的对应二维结构，能够通过印刷电路板进行加工。超表面具有低损耗、成本小型化的优点，其能够打破传统电磁煤质参数的限制，对电磁波的相位、幅度极化方式以及传播模式具有新颖的调控优势。基于广义Snell定律和费马定理实现的梯度相位超表面在对电磁波前调控及波束赋形天线研究中具有广泛的应用。但由于一旦确定表面的相位分布后，对入射电磁波的极化、辐射方向增益等属性欠缺灵活的动态调控。当电磁波大角度入射时，超表面单元的离散化相位难以以很小的间隔满足相位梯度要求，由此会使加工难度增大且实际超表面辐射效率降低。

超构光栅来自于周期常数小于工作波长的亚光栅，由亚波长光栅的周期性结构的耦合行为延伸并结合超表面中构原子单元的散射调制特性，通过周期性布拉格散射加强调控波束的辐射效率，避免了超表面需要相位离散取样而带来的调控波束效率降低和辐射能量损失，为高效、高集成度的电磁波辐射波前调控提供了更多的可能。一系列研究结果表明，由一维极化线电流组成的超构光栅可以用来控制非传播衍射级和传播衍射级。通过对近场的精确设计，可以满足功率守恒条件，从微波到光学等不同频率范围的超构光栅都具有潜力其可实现电磁波异常衍射、任意衍射阶赋能、波束大角度高效率出射等。可重构超构光栅是指通过修改外部激励动态改变超构光栅的散射特性。在保持超构光栅结构不变的情况下，可以使用单个设备实现不同的波前操纵功能。目前实现可重构超构光栅的方式主要包括：加载集总元器件及石墨烯的方式，加载集总元器件是指在结构中串联或并联可变电容/开关二极管等电子元器件，通过外加电压调控波束的方向、个数及能量；石墨烯可重构超构光栅是指通过独立调节石墨烯的化学势能，实现对一级衍射方向的动态操纵。

现有技术的缺陷和不足：

1、现有波束可重构超表面缺乏衍射模式与相位计算之间的理论联系，无法精确灵活的控制主瓣和旁瓣的波束方向及能量。

2、现有波束可重构超表面存在大角度辐射效率低的缺点，从阻抗匹配角度：主要是由于对于梯度相位超表面，随着出射角度不断增大，电场极化不变的情况下，磁场分量会逐渐减小，导致阻抗适配呈正弦曲线变化，阻抗失配越来越严重，导致大角度辐射效率降低。

3、对于目前可实现的可重构超构光栅，采用集总元器件的方式存在损耗高、馈电难、制造复杂以及集总元器件易损坏的问题。基于石墨烯的可重构超构光栅则存在制备和加工困难的问题。这些方法都需要外加电源，不满足可调吸波器件在实际应用中对于有效、便捷和成本低的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中集总元器件的方式存在损耗高、馈电难、制造复杂以及集总元器件易损坏、现有波束可重构超表面存在大角度辐射效率低的问题，提供一种基于形状记忆材料的可重构超构光栅。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

基于形状记忆材料的可重构超构光栅，包括：若干个单元结构；若干个单元结构依次进行连接；

单元结构包括金属反射板、形状记忆可形变材料层、FR4介质基板和电容型金属结构；

电容型金属结构蚀刻于FR4介质基板的上表面；形状记忆可形变材料层设置在FR4介质基板的下表面；形状记忆可形变材料层设置在金属反射板上。

本发明的进一步改进在于：