西北工业大学黄维院士、空军工程大学许河秀教授团队：基于剪纸方法的可重构隐身超材料新进展

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西北工业大学黄维院士、空军工程大学许河秀教授团队基于剪纸方法提出了一种可重构隐身超材料，通过改变折叠方式、折叠角度就可实现反射频谱的重新调控，相关成果以“Adaptable Invisibility Management Using Kirigami-Inspired Transformable Metamaterials” 为题发表在Research上，论文共同第一作者还包括空军工程大学王明照硕士和新加坡国立大学胡光维博士后，共同通讯作者还有香港大学张霜教授。

随着智能科技的发展，根据环境变化感知能重新配置单元结构从而改变电磁特性的需求越来越迫切，目前绝大多数可调方法均为基于变容二极管、PIN二极管、光电二极管等实现的电可调方式，这些方法操作简单、实用性强、速度快，但仍存在平面序构调控自由度少、电路复杂、成本较高等问题。近年来，剪纸/折纸超材料的出现为电磁调控提供了更多自由度，这种方法通过机械应变折叠，重构空间超表面的结构形状、序构和组合方式，从而实现可以任意调控的多个集成功能，很好地克服了上述问题。然而目前大多数折纸/剪纸超材料均为在某个极化工作下的极化调控，不能实现频谱幅度、频率和带宽的同时调控，且制作时均依赖3D打印技术来实现，这些方法仍然存在一定的局限性。

图1  可重构隐身超材料器件的功能示意图（a）调控频谱幅度、频率和带宽功能示意图；（b）三种可重构超材料器件制作过程示意图

根据偶极子耦合理论，两个空间放置的偶极子会相互作用，同向纵向耦合会使得系统变得更加稳定，谐振在低频；同向横向耦合会增大系统的回复力，从而谐振在高频。受该理论启发，西北工业大学黄维院士、空军工程大学许河秀教授团队，提出了幅度、频率和带宽随折叠角变化的可重构电磁隐身方法（如图1所示），且基于该方法设计的隐身超材料在两种线极化波激发下具有独立调控特性。设计了“井”字型单元结构（图2），记为模式A。以折叠角度β=45度为例，低频处ITO开口环谐振器附近的仿真环形电流结果表明形成了一个磁偶极子，相邻面上磁偶极子之间的作用为同向纵向耦合和反向横向耦合，谐振在低频；高频处ITO开口环谐振器附近的同向电流分布表明形成了一个电偶极子，相邻面上电偶极子可同向横向耦合和反向纵向耦合，谐振在高频。通过改变折叠和组合方式，可重构出另外2种模式，模式B、模式C只需将模式A平移、旋转操作完成，调控机制类似。

图2  可重构隐身超材料单元（模式A）在折叠角度为β=45°时的仿真电磁频谱和仿真电流分布结果

极化可重构电磁特性和工作机制可通过图3所示模型进行解释，“井”字型单元每个面上的ITO开口环谐振器在TE或者TM极化波激发下会形成电/磁偶极子。低频为磁谐振，相邻面上的磁偶极子分量可等效为同向纵向耦合以及反向横向耦合，高频为电谐振，相邻面上电偶极子可等效为反向纵向耦合以及同向横向耦合，符合偶极子耦合理论。当夹角β改变，对立面上的偶极子之间距离不变，耦合作用不发生改变，对可重构特性没有贡献，而相邻面上偶极子则不同。TE极化波下，电场沿y方向激发，磁场沿x方向激发，相邻面上电偶极子距离为msinβ，磁偶极子距离为mcosβ，当β从0°逐渐增加到45°时，相邻面上电、磁偶极子均向低频移动，但由于电偶极子耦合作用变化趋势要比磁偶极子变化快，所以高频的电谐振与低频的磁谐振不断接近，最终达到宽频。同理，TM极化波下，由于磁场和电场激发方向发生了改变，电、磁偶极子变化趋势与TE极化波刚好相反，当β从0°逐渐增加到45°时，相邻面上电、磁偶极子均向高频移动，且磁偶极子耦合作用变化趋势要比电偶极子变化快，低频磁谐振与高频电谐振同样不断接近，最终达到宽频。但TM极化波下，由于起始状态β=0°时相邻磁偶极子距离为零，导致该情形下的磁谐振频率远低于TE极化波情形，低频磁谐振与高频电谐振明显分开，能观察到明显的窄频频率调控，而TE极化波情形下低频磁谐振与高频电谐振一直比较接近，两者的接近程度导致宽频范围内的幅度涨落，能观察到明显的宽频幅度调控。

图3  隐身超材料可重构工作原理图

与预期理论模型分析一致，可重构隐身超材料在3种模式下均可实现TE极化下的幅度调控，以及TM极化下的谐振频率的调控（图4）。其调控原理是由于当折叠角度改变会影响相邻面上电、磁偶极子间的耦合距离和强度，导致TE极化下宽频范围内的幅度涨落和TM极化下的谐振频率改变。如模式A，当β从5°变化到30°时，在TE极化下反射率可从75%调控到10%；在TM极化下，β从10°变化到30°时，其谐振频率可从2调控到3.9 GHz，根据公式

计算可得相对带宽调控范围可达64.4%。

图4  三种模式可重构隐身超材料（A、B和C）在不同折叠角度下的电磁仿真结果

特别是，三种模式在折叠角度β为45度时均可以作为一个宽频吸波体（图5）。其主要原因是当折叠角度逐渐增加到45°，磁谐振和电谐振不断靠近，在β=45°达到极值，所以此状态可以作为一个宽频吸波体。如模式A在TE和TM波垂直入射时，在3.5 到15.6 GHz范围内吸收率可达90%以上，绝对带宽达12.1 GHz，相对带宽可达126.7%。尤其是在θ为60°时，TE极化下在3.5~14 GHz范围内吸收率仍可达90%以上，TM极化下在3.4~14.3 GHz范围内吸收率可达75%以上。

图5 三种模式可重构隐身超材料（A、B和C）在折叠角度为45度时的电磁吸波效果

此外，还分析了三种模式下的泊松比和相对密度（图6），前两种模式的泊松比随着折叠角度的增大而增大，相对密度最小仅为未折叠情形下的1.5%，该特性对实际应用中对重量要求极高的场合极为有利。

图6 三种模式A、B和C在不同折叠角度下的泊松比和相对密度

三种模式在不同折叠角度下的样品制备均可按照图7所示的流程制作。首先，将二维超表面切成条带结果，然后按照折叠线折叠；然后在泡沫板上刻蚀凹槽结构，最后将折叠好的条带结构插入到凹槽中。为保证折叠角的准确性，通过电脑打印出具有不同折叠角的凹槽线，将其贴在泡沫板上，然后刻蚀，最后将泡沫板上的超材料粘贴到金属背板上。

图7 样品制作流程

本研究所设计的剪纸可重构超材料具有密度轻、体积小的特点，同时具有可重复性和多功能性，未来通过设计智能铰链装置并控制铰链的角度便可以实时控制折叠角度，更好地适应实际应用需求，在地面雷达以及外太空卫星可折叠天线通信领域具有重要潜在应用。

原文链接：

He-Xiu Xu, Mingzhao Wang, Guangwei Hu, Shaojie Wang, Yanzhao Wang, Chaohui Wang, Yixuan Zeng, Jiafang Li, Shuang Zhang, Wei Huang, "Adaptable Invisibility Management Using Kirigami-Inspired Transformable Metamaterials", Research, vol. 2021, Article ID 9806789, 11 pages, 2021. 

https://doi.org/10.34133/2021/9806789

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