中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
超材料現已成為熱門(mén)的研究課題，其憑借獨特的電磁（EM）行為，吸引了物理學(xué)和工程學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。超表面是超材料的二維（2D）表現形式，由于其緊湊性、低成本、高集成度、易于制造以及強大的電磁波控制能力，得到了深入研究。
近些年，許多面向各種應用的超表面設計已被報道，包括可重構輻射結構、偏振轉換器、電磁隱身斗篷、渦流光束發(fā)生器、全息圖生成以及光束偏轉器等。
利用可重構和可編程（有源）超表面可以實(shí)現多種電磁功能。由于超表面的部分反射，有源元件與超材料的相互作用會(huì )導致傳輸相位不一致，從而實(shí)現可重構的波束控制。已有研究人員通過(guò)將可重構MEMS和光響應材料空間集成到超材料中，為先進(jìn)的時(shí)空和頻域電磁波操縱引入額外的自由度。
利用PIN二極管、變容二極管、鈦酸鍶鋇（BST）器件和MEMS開(kāi)關(guān)的有源調諧已被引入許多可重構超表面設計。不過(guò)，級聯(lián)有源組件和移相器不僅阻礙了整個(gè)系統的小型化，而且提高了集成難度。2014年，有研究提出了數字編碼的可編程超表面，用于數字操縱和控制電磁波。
相比之下，對于以連續參數為特征的傳統超表面，編碼超表面以可編程方式進(jìn)行數字控制，從而能夠實(shí)現更復雜的設計和更多樣的功能。已有研究提出了一種具有集成透射和反射功能的多功能編碼超表面，用于電磁波的全空間控制。
與半導體和MEMS開(kāi)關(guān)相比，流體調諧因其獨特的優(yōu)勢（如基于機械和高度線(xiàn)性），吸引了廣泛關(guān)注，使其成為高功率微波應用的理想選擇。另外，流體器件可以利用軟材料和標準技術(shù)，制造柔性、可穿戴的可調諧裝置。微流體已經(jīng)被集成到振動(dòng)傳感器、傾斜傳感器和觸覺(jué)傳感器等各種應用。類(lèi)似地，具有動(dòng)態(tài)可修正特性的超材料，也將成為許多超表面/超材料結構的理想選擇。
據文獻報道，共晶鎵銦（EGaIn）、汞、液晶和水等多種材料已被用于實(shí)現頻率、偏振和輻射模式的可重構。也許有些意外，水往往是流體解決方案的良好選擇，因為它是地球上最豐富的流體，并且易獲得、環(huán)境友好、成本低。
韓國首爾中央大學(xué)（Chung-Ang University）的研究人員提出了一種利用流體動(dòng)力學(xué)超表面（HMS）的全新“流體動(dòng)力學(xué)編碼概念”。該超表面的實(shí)際演示需要結構的精細離散，以實(shí)現可變的相位響應。這項研究展示了使用HMS在方位角和仰角平面上進(jìn)行的可編程電磁波束掃描。在本研究中，相變是通過(guò)二進(jìn)制可編程高介電流體（水）流動(dòng)實(shí)現的，使用微控制器在內置于HMS基底的微流體通道內進(jìn)行微流體泵送。
眾所周知，去離子水的介電損耗比自來(lái)水低。不過(guò)，在這項研究中，觀(guān)察到去離子水中的輻射效率沒(méi)有顯著(zhù)降低。與有源超表面相比，研究人員所提出的概念成本低、生物友好且生態(tài)兼容，據悉，在次之前沒(méi)有報道過(guò)在全空間控制電磁波的類(lèi)似概念。
圖a、b展示了使用流體通道內的可編程流體進(jìn)行全空間電磁波控制。入射波通過(guò)HMS后的梯度相位變換實(shí)現波束掃描。所提出的HMS平臺包含四個(gè)微流體泵，它們通過(guò)內置在HMS基底中的四個(gè)微流體通道控制四個(gè)超表面元件。
這項研究成功演示了一種可編程HMS，通過(guò)在不同二進(jìn)制編碼序列的流體通道中注入水流，利用可變傳輸相位，在方位角和仰角平面上實(shí)現電磁波束掃描。其簡(jiǎn)易的HMS制造工藝提供了一個(gè)寬邊電磁波束，通過(guò)控制微流體通道內的可編程注水，可以在±25°仰角的不同方位角方向上編程。
二進(jìn)制編碼HMS示意圖，展示了mode 1-9 編碼序列的波束掃描能力，其中A、B、C和D代表四個(gè)微流體通道。
這項研究提出的HMS提供了一種有效的機制，可以使用低剖面和低成本設計的水流在微波區域編程電磁波。波束控制的精度主要取決于制造過(guò)程的精度和微流體調諧的有效利用。
與之前的文獻報道相比，這項研究成果的優(yōu)點(diǎn)包括：簡(jiǎn)化的結構、避免了大量開(kāi)關(guān)或集總元件、成本低、沒(méi)有偏置電路，以及沒(méi)有偏置電路引起的性能中斷。監控或雷達應用可以接受其較慢的切換時(shí)間，并且，隨著(zhù)流體技術(shù)的成熟，該技術(shù)有望為未來(lái)設備替換笨重的級聯(lián)有源組件。
