一种基于IPMC的可重构电磁超表面结构及其设计方法

一种基于ipmc的可重构电磁超表面结构及其设计方法
技术领域
1.本发明属于智能材料技术领域，具体涉及一种基于ipmc的可重构电磁超表面结构及其设计方法。


背景技术：

2.可重构超表面能够动态调控各种电磁特性，实现电磁功能多元化，在隐身、通信、光电子器件等领域具有重要应用价值。发展至今，电磁超表面的可重构技术主要包含电调控、材料调控和机械调控等方式。电调控方式因有源器件的加入引入了干扰，增加设计的复杂性；材料调控的调控能力较为有限；机械调控的灵活性和实用性较差，而且控制线路一般比较复杂，因此研究较少。随着柔性智能材料的快速发展，有望为这一方向带来新的活力。
3.柔性智能材料能够在外界刺激下产生显著变形，其激励源简单、响应速度快、质量轻、结构紧凑且无噪声，是仿生材料领域的重要方向且发展十分迅速。其中离子型聚合物-金属复合材料(ionic polymer-mental composite，ipmc)以其驱动电压低、变形响应大、寿命长等优点受到广泛的关注。
4.ipmc机械可重构电磁超表面的研究，有望解决传统机械可重构方式存在的灵活性和实用性差、控制线路复杂等缺陷，成为一种新型调控方式。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于ipmc的可重构电磁超表面结构及其设计方法，可重构电磁超表面能够动态地调控入射电磁波的旋光角、椭圆角或透射率等电磁特性，且驱动电压低，控制线路简单，变形响应大，能够解决传统可重构方式的缺陷。
6.本发明采用以下技术方案：
7.本发明一种基于ipmc的可重构电磁超表面结构，可重构电磁超表面结构为ipmc材料，从上至下依次包括上层电极、中间层和下层电极，上层电极上设置有阵列单元，上层电极和下层电极的厚度均为10～20μm，中间层的厚度为20～500μm。
8.具体的，阵列单元的排布方式包括矩形阵列、环形阵列或其它周期和非周期阵列形式。
9.具体的，阵列单元的特征尺寸为1～30mm，阵列单元的结构形式为悬臂梁结构、平面螺旋结构、双螺旋结构或抛物线结构。
10.具体的，中间层为介质薄膜，介质薄膜的介电常数为1.8～2.3，损耗角正切为0～0.015。
11.具体的，其特征在于，基于ipmc的可重构电磁超表面结构在0～5v驱动电压作用下，能够发生0～90
°
的弯曲变形。
12.第二方面，本发明实施例提供了
13.基于ipmc的可重构电磁超表面结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
14.s1、根据电磁超表面结构的工作频率和电磁特性的调控需求，确定超表面结构的阵列单元特征尺寸与变形形式，以及阵列单元的构型与驱动控制；
15.s2、根据步骤s1确定的阵列单元的特征尺寸与变形形式，以及阵列单元的构型与驱动控制；对不同尺寸的阵列单元进行变形-电磁仿真，优化并确定阵列单元的形状加工参数；
16.s3、根据步骤s2确定的阵列单元的形状加工参数在ipmc结构的表面加工阵列单元，得到ipmc阵列；
17.s4、根据步骤s3加工的ipmc阵列的单元尺寸、区域和整体的控制方式，设计夹持和电极引线结构，将ipmc阵列固定在夹持结构中，通过电极引线结构分别为ipmc阵列的上表面和下表面施加驱动电压；
18.s5、根据控制区域的分布和变形量调控需求，在步骤s4组装好的ipmc阵列上设计单路或多路驱动电路及调节方式，完成基于ipmc的可重构电磁超表面结构。
19.具体的，步骤s2具体为：通过变形仿真计算不同电压下阵列最小单元的变形量，联合电磁仿真对不同变形量下的单元结构进行电磁仿真，计算变形前后超表面电磁调控能力，以结构单元的尺寸参数和阵列尺寸为变量优化超表面的调控性能确定形状加工参数。
20.具体的，步骤s3中，当在ipmc结构上加工最小线条间距大于1mm的图案结构时，使用刀模冲压方式；当在ipmc结构上加工线条间距小于1mm的图案结构时，使用激光切割方法。
21.进一步的，激光切割方法使用的激光器为皮秒激光器或飞秒激光器，激光的平均功率为1～5w，脉冲能量为0～1mj，扫描速度为30～60mm/s，扫描次数大于20次。
22.具体的，步骤s5中，驱动电路采用整体驱动或独立驱动，用于控制ipmc阵列发生整体变形或区域变形。
23.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
24.本发明一种基于ipmc的可重构电磁超表面结构，从上至下依次包括上层电极、中间层和下层电极，上层电极和下层电极的厚度均为10～20μm，保证均匀的导电效果；中间层的厚度为20～500μm，在保证变形性能的同时保持一定的平整度，从而提高阵列单元变形一致性。
25.进一步的，阵列单元的排布方式包括矩形阵列、环形阵列或其它周期和非周期阵列形式，通过阵列单元的分布安排，满足不同区域不同调控效果的控制需求。
26.进一步的，阵列单元的特征尺寸为1～30mm，结构形式为悬臂梁结构、平面螺旋结构、双螺旋结构或抛物线结构，以使阵列单元产生不同的变形形式及变形幅度，从而改变超表面所调控电磁特性的类型和调控能力。
27.进一步的，电磁仿真中的ipmc芯层介质薄膜的介电常数选用为1.8～2.3，损耗角正切选用为0～0.015，确保仿真结果的准确可靠。
28.进一步的，在0～5v驱动电压作用下，发生0～90
°
的弯曲变形，实现吉赫兹频段电磁波的透射或反射系数改变，从而在ipmc表面结构不发生破坏的情况下对入射电磁波进行电磁参数的调节，且通过阵列单元的变形实现超表面调控能力的重构。
29.本发明一种基于ipmc的可重构电磁超表面结构设计方法，通过设计超表面构型的方案、理论结果的仿真、ipmc的切割加工、器件的组装和阵列的驱动控制，得到一种新型机
械可重构超表面的设计过程，为ipmc在超表面领域的应用提供了设计参考，为可重构超表面的发展提出了新方向。
30.进一步的，通过变形仿真计算得到不同电压下阵列最小单元的变形量，联合电磁仿真对不同变形量下的单元结构进行电磁仿真，计算变形前后超表面电磁调控能力，通过分析驱动电压-单元变形-电磁特性的调控路线，以结构单元的尺寸参数和阵列尺寸为变量，优化超表面的调控性能确定形状加工参数，得到超表面阵列单元的设计方案，为实验工作提供理论支持。
31.进一步的，刀模冲压方式操作方便，对切缝形貌破坏较小，但刀模刀刃有着间距限制，适用于加工最小线条间距大于1mm的ipmc图案结构，提高工作效率；而激光切割方式能够切割微小图案结构的ipmc，且切缝无毛刺、无缺口，形状尺寸精度高，适用于加工最小线条间距小于1mm的ipmc图案结构，保证结构加工精度。
32.进一步的，激光切割方法使用的激光器为皮秒激光器或飞秒激光器，激光的平均功率为1～5w，脉冲能量为0～1mj，扫描速度为30～60mm/s，扫描次数大于20次，减小烧蚀现象，保证不同厚度尺寸的ipmc的切割加工精度。
33.进一步的，驱动电路采用整体驱动或独立驱动，用于控制ipmc阵列发生整体变形或区域变形，调节不同区域的电磁特性，实现不同场景的应用需求。
34.综上所述，本发明解决了ipmc受制于切割工艺而无法设计应用在精密器件中的一大难题，对ipmc的应用和发展有着重大意义，为ipmc在超表面领域的应用提供了设计思路，拓宽了ipmc的应用范围；且所述设计可重构电磁超表面制备简单、驱动控制方便、灵活性和实用性高，克服了传统机械可重构方式的现有缺陷，有望成为一种新的调控方式，使可重构超表面的发展取得新突破。
35.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
36.图1为本发明的设计流程图；
37.图2为采用本发明方法设计的超表面阵列结构形式图；
38.图3为本发明可重构电磁超表面示意图，其中，(a)为单元构型，(b)为阵列构型；
39.图4为夹持结构和电极引线结构设计图；
40.图5为本发明可重构电磁超表面的装夹效果图；
41.图6为本发明一种区域性驱动控制形式示意图；
42.图7为图2所示结构超表面的电磁测试结算结果图。
43.其中：1.上层电极；2.中间层；3.下层电极；4.第一合页；5.第二合页；6.导电贴片；7.阵列单元。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
46.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
47.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
48.应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
49.取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
50.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
51.本发明提供了一种基于ipmc的可重构电磁超表面结构设计方法，根据电磁超表面结构的工作频率和电磁特性的调控需求，确定电磁超表面结构上阵列单元的特征尺寸与变形形式，以及阵列单元的构型方案与驱动控制方案；对不同尺寸的超表面结构阵列单元进行变形-电磁仿真，优化和确定超表面结构阵列单元的形状加工参数；制备ipmc材料，采用刀模冲压、激光切割等精密切割工艺方法加工电磁超表面阵列结构；根据阵列结构的单元尺寸、区域和整体的控制方式不同，设计和加工超表面结构的夹持和电极引线结构；根据控制区域的分布和变形量调控需求，设计单路或多路驱动电路及调节方式，并进行变形与电磁功能测试。
52.请参阅图1，本发明一种基于ipmc的可重构电磁超表面结构设计方法，包括以下步骤：
53.s1、设计构型方案
54.根据电磁超表面结构的工作频率和电磁特性的调控需求，确定超表面结构阵列单元的特征尺寸与变形形式，以及阵列单元的构型方案与驱动控制方案。
55.阵列单元的特征尺寸为1～30mm，排布方式包括矩形阵列、环形阵列或其它周期和非周期阵列形式，阵列单元的结构形式为悬臂梁结构、平面螺旋结构、双螺旋结构或抛物线结构。
56.s2、参数仿真优化
57.根据步骤s1确定的超表面结构阵列单元的特征尺寸与变形形式，以及阵列单元的构型方案与驱动控制方案；对不同尺寸的阵列单元进行变形-电磁仿真，优化和确定阵列单元的形状加工参数。
58.通过变形仿真计算不同电压下阵列最小单元的变形量，联合电磁仿真对不同变形量下的单元结构进行电磁仿真，计算变形前后超表面电磁调控能力，以结构单元的尺寸参数和阵列尺寸为变量优化超表面的调控性能确定形状加工参数。
59.s3、结构加工
60.根据步骤s2确定的阵列单元形状加工参数制备一定膜厚的ipmc材料，采用刀模冲压、激光切割等精密切割工艺方法加工电磁超表面阵列结构。
61.ipmc阵列在电磁仿真中以三明治结构呈现，从上至下依次包括上层电极、中间层和下层电极，上层电极和下层电极的厚度均为10～20μm，上层电极和下层电极选用材料为金、银和钯等金属；中间介质薄膜为离子聚合物，厚度为20～200μm，其介电常数为1.8～2.3，损耗角正切为0～0.015。
62.本发明所提供的激光切割ipmc工艺，能够在ipmc表面加工微小图案结构，切缝小、无毛刺、无缺口，形状尺寸精度高，且对ipmc的变形性能影响较小，解决了ipmc受制于切割工艺而无法设计应用在精密器件中的一大难题，对ipmc的应用和发展有着重大意义。
63.刀模冲压方式只适用于最小线条间距大于1mm的图案结构；激光切割方式可加工线条间距小于1mm的图案结构，选用激光器为皮秒或飞秒激光器，激光平均功率为1～5w，脉冲能量为0～1mj，重复频率为100khz，扫描速度为30～60mm/s，扫描次数为20次以上。
64.s4、器件组装
65.根据步骤s3加工的电磁超表面阵列结构的单元尺寸、区域和整体的控制方式不同，设计和加工超表面结构的夹持和电极引线结构，。
66.s5、驱动控制
67.根据控制区域的分布和变形量调控需求，在步骤s4组装好的上设计单路或多路驱动电路及调节方式，并进行变形与电磁功能测试。
68.驱动电路的电驱动控制方式为整体驱动或独立驱动，控制ipmc阵列发生整体变形或区域变形。
69.请参阅图2，一种基于ipmc的可重构电磁超表面结构，包括若干阵列单元7，若干阵列单元7采用矩形阵列形式排布在ipmc结构上，ipmc机械可重构电磁超表面在0～5v驱动电压作用下，阵列单元发生0～90
°
的弯曲变形，实现吉赫兹频段电磁波的透射或反射系数改变，从而在0～90
°
范围内调控入射电磁波的旋光角和椭圆角或其它电磁特性。
70.其中，ipmc结构呈三明治结构，从上至下依次包括上层电极1、中间层2和下层电极3，上层电极1和下层电极3采用常用材料如金、银、钯等金属材料制备而成，用于外接激励源为中间层施加电场；中间层2为介质薄膜，通常为离子聚合物。
71.请参阅图3，ipmc机械可重构电磁超表面的阵列单元7的结构形式为悬臂梁结构、平面螺旋结构、双螺旋结构或抛物线结构等；阵列单元7的构型方案为矩形矩阵、环形阵列或其它周期和非周期阵列形式。
72.请参阅图4和图5，夹持结构包括但不限于镂空合页结构、拨片按压结构，镂空合页
结构包括第一合页4和第二合页5，电极引线采用导电贴片6或异形pcb；将ipmc阵列夹在第一合页4和第二合页5之间，通过导电贴片6施加驱动电压，进行电磁测试分析。
73.请参阅图6，可根据控制区域的分布和变形量调控需求，设计单路或多路驱动电路及调节方式，控制ipmc阵列单元发生整体变形或区域变形。
74.请参阅图7，本发明所设计的基于ipmc的可重构电磁超表面结构能够在18～26.5ghz频段内动态地调控入射电磁波的极化旋转角和椭圆角。
75.采用本发明方法设计的超表面能够动态地调控入射电磁波的旋光角、椭圆角或透射率等电磁特性，且驱动电压低，控制线路简单，变形响应大，有望解决传统可重构方式的缺陷。
76.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
77.实施例
78.本实施例描述了一个动态调控电磁波极化特性的ipmc机械可重构电磁超表面的设计方法。
79.根据电磁超表面工作在20ghz附近频段和对极化特性的调控需求，选择悬臂梁单元结构，采用平面矩形周期阵列的分布方式，整体控制各单元变形。
80.请参阅图2，建立不同尺寸参数下的最小阵列单元三维模型，基于等效热变形模型，在ansys中仿真不同驱动电压下的单元变形，并在hfss中建立不同变形情况下的单元模型，仿真计算调控能力的变化，优化和确定周期单元的尺寸参数。
81.请参阅图4，设计所示镂空合页结构，将导电贴片贴在中间方孔四周，用于引出电极，将采用蚀刻刀模冲压的方式加工的ipmc阵列夹持在两合页之间，装夹效果如图5所示。
82.通过信号发生器，配合功放模块给ipmc阵列整体施加阶跃信号，使ipmc阵列各单元发生一致变形，分别对变形前后的ipmc阵列进行电磁测试。
83.请参阅图7，ipmc机械可重构电磁超表面对18～26.5ghz频段入射电磁波的极化特性有着调控能力，且这种调控能力在变形前后发生改变。
84.综上所述，本发明一种基于ipmc的可重构电磁超表面结构及其设计方法，制备简单、驱动控制方便、灵活性和实用性高，克服了传统机械可重构方式的现有缺陷，有望成为一种新的调控方式，使可重构超表面的发展取得新突破。
85.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。