CN111910154A - 一种动态频率选择表面结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电磁技术领域，公开了一种动态频率选择表面结构及其制备方法，该结构由被动式频率选择表面基体以及位于该基体上的导电性能调节组件组成，其中导电性能调节组件位于单个被动式频率选择表面单元结构的内部，或者用于连接两个相邻的被动式频率选择表面单元。导电性能调节组件会在改变温度或光照强度等环境条件的作用下发生导体和绝缘体之间的转变，从而使频率选择表面导电阵子的单元结构发生动态变化。本发明通过对动态频率选择表面的单元结构组成及它们的设置方式、连接关系等进行改进，能够有效解决主动式频率选择表面使用集成电路元件带来的性能恶化等问题，从而有效实现选择性透过频率的动态变化。
Description
技术领域
本发明属于电磁技术领域，更具体地，涉及一种动态频率选择表面结构及其制备方法。
背景技术
如何缩减目标的雷达反射截面(Radar Cross Section,RCS)在研制雷达隐身技术、隐身天线罩、多频段天线反射面、无线通信系统、天线方向图调控、建筑物电磁调控或增强光电器件等各种电磁波调控领域方面起着至关重要的作用。近些年来，虽然提出了很多新型结构型吸波材料，但频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)吸波体因其设计灵活性、适应频段广泛、宽带性能、在线可调性能等各方面优势，受到各方关注。频率选择表面FSS的结构是在介质衬底(常见的原料为电木板、玻璃纤维板，以及各式的塑胶板)面上制备周期性排布构成的金属谐振单元，当不同频率的电磁波照射到FSS的周期性单元阵列上时，单元上以及单元之间会产生感应电场与磁场。并根据频率的变化，会表现出不同的传输、反射和吸收特性。利用这种电磁特性，根据需要可对照射的电磁波传输、反射或吸收进行控制，从而获得频率选择性功能。
目前频率选择表面FSS主要分为两种结构：被动式频率选择表面(PassiveFrequency Selective Surface,PFSS)结构和主动式频率选择表面(Active FrequencySelective Surface,AFSS)结构。被动式PFSS结构又称为无源频率选择表面，其频率响应性能不随时间变化，一旦被设计和制造后，其频率、带宽、传输特性等各种技术指标将不再变化。这种结构易于得到一些特定要求的设计和制备，其频率选择特性和结构能够直接用于构成雷达罩罩体，在隐身雷达军事领域得到了广泛应用，如隐形战机、隐形导弹、隐形卫星等。但PFSS的缺点是难以灵活适应复杂多变的电磁环境，一旦工作频率被敌方破译，极易被干扰而丧失雷达功能。更为严重的是如果敌方雷达频率与我方的雷达频率相近或工作于同一频段，无论我方雷达是否处于开机状态，基于PFSS的隐身天线罩在带内频段均处于透波状态，会使我方雷达天线一直暴露于敌方雷达波中，导致雷达罩失去隐身能力，增加被探测到的风险。此外，随着雷达天线由传统的窄带天线向宽频、多频、变频天线的方向发展，基于PFSS的隐身天线罩的设计与制备面临很多技术挑战。对宽频天线而言，由于其具有较宽的工作频带，会使设计具有宽带特性的隐身天线罩的难度增加。即便能够设计满足角度稳定性与极化状态良好的PFSS结构，但雷达天线过多的暴露于敌方雷达侦查频率范围内，必将增加被发现的风险，导致隐身天线罩失去它应有的作用，给目标隐身造成致命影响。
为解决FSS结构固定问题，目前提出了一种主动式(Active Frequency SelectiveSurfaces，AFSS)结构，即在FSS的基础上衍生出的有源频率选择表面技术被相应的发展出来。其主要原理是通过激励源的控制来改变FSS谐振单元的结构尺寸和单元的排布，实现FSS的谐振频点可调谐或者传输特性可变化，由此满足其在不同环境的应用要求。目前的AFSS制备主要是在导电单元结构或阵列中加入集成电路元件(PIN/变容二极管)，来实现在线调节FSS电磁特性的响应频率。然而，在AFSS雷达罩制作和应用方面的缺陷也非常明显，其中最关键的就是大面积植入集成电路元件，通过对上万个谐振单元结构改变或阵列串/并联的转换，来实现响应频率切换和调节功能。这种制备方法首先会破坏导电单元自身结构精度，严重影响AFSS雷达罩的整体电磁性能；其次，电控元件自身的能量损耗较大和电磁性能一致性难以保证，可能会引起性能的恶化，例如谐振频率的偏移、产生寄生频段以及极性的恶化等，导致AFSS的传输性能严重偏离设计要求，性能的稳定和可重复变差；更重要的是由于AFSS雷达罩尺寸大(米级)和形状复杂(自由曲面)以及对单元制造精度要求高(<10微米)，成千上万电控元件的焊接不但会使制作尺寸精度难以保证，而且还会引起衬底过热和谐振单元变形以及重量增加等问题，无法达到实际应用要求。
发明内容
针对以上被动式PFSS结构和主动式AFSS结构存在的问题，本发明的目的在于提供一种动态频率选择表面结构及其制备方法，其中通过对动态频率选择表面的单元结构组成及它们的设置方式、连接关系等进行改进，利用导电性能调节组件，通过改变环境温度、入射光强度、气体成分或者外加磁场的磁感应强度实现等效频率选择表面单元结构的变化或阵列串/并联的转换，与现有技术相比能够解决主动式频率选择表面使用集成电路元件带来的性能恶化的问题，可有效实现选择性透过频率的动态变化，并且，该动态频率选择表面结构制备方法简单，能够避免焊接的使用。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种动态频率选择表面结构，其特征在于，包括被动式频率选择表面基体以及位于该基体上的导电性能调节组件；所述被动式频率选择表面基体包括多个频率选择表面单元；所述导电性能调节组件能够在预先设定的条件下使其导电性能发生变化，利用所述导电性能的变化，能够实现动态频率选择表面导电结构的改变，从而产生频率选择性能的动态调控功能。
作为本发明的进一步优选，所述多个频率选择表面单元呈周期性分布；
所述导电性能调节组件位于被动式频率选择表面周期单元结构的内部，作为导电区域的备用附加区域；或者用于连接两个相邻且不导通的被动式频率选择表面单元，作为这两个被动式频率选择表面单元之间的备用导电通路；通过控制所述导电性能调节组件导电性能的变化，实现动态频率选择表面整体导电结构的变化。
作为本发明的进一步优选，所述导电性能调节组件由导电性能可调控材料构成，包括导电性能调节相变组件、导电性能调节光敏组件、导电性能调节气敏组件、导电性能调节微机械组件或者导电性能调节复合组件；
其中，所述导电性能调节相变组件由温控相变材料构成，能够利用相变材料在温度高于相变温度的条件下发生的相变反应，实现导电性能的变化；所述导电性能调节光敏组件由光敏材料构成，能够利用光敏材料在强度超过光强阈值的特定波长光束的照射下发生的结构变化，实现导电性能的变化；所述导电性能调节气敏组件由气敏半导体材料构成，能够利用气敏半导体材料在特定气体成分的环境中发生的结构变化，实现导电性能的变化；所述导电性能调节微机械组件由微机械材料构成，能够利用微机械材料在特定外加磁场或环境温度高于预先设定的温度值的条件下发生的机械结构改变，实现导电性能的变化；所述导电性能调节复合组件同时包括所述导电性能调节相变组件、所述导电性能调节光敏组件、所述导电性能调节气敏组件和所述导电性能调节微机械组件中的至少2种，该导电性能调节复合组件由上述多种具有不同导电性能调控原理的材料构成，能够在满足各材料相应条件的情况下，实现导电性能的变化，从而改变整个频率选择表面中的导电结构，实现频率选择性能调控。
作为本发明的进一步优选，所述导电性能调节相变组件包含多种具有不同相变温度的温控相变材料；在特定环境温度值下，相变温度低于该值的材料会发生相变反应，从而实现导电性能的改变；而相变温度高于该值的材料，则不会发生相变反应和导电性能变化；通过控制环境温度值，能够调控不同相变温度材料的导电性能，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
作为本发明的进一步优选，所述导电性能调节光敏组件包含多种具有不同光强阈值的光敏材料；在特定光强值的入射光照射下，光强阈值低于该值的光敏材料会发生结构变化，从而引起导电性能的改变；而光强阈值高于该值的光敏材料，则不会发生结构变化和导电性能改变；通过控制环境光强值，能够调控不同光敏材料的导电性能，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
作为本发明的进一步优选，所述导电性能调节光敏组件包含多种具有不同敏感波长的光敏材料；在特定波长光束的照射下，对该波长敏感的光敏材料会发生结构变化，从而引起导电性能的改变；而对该波长不敏感的光敏材料，则不会发生结构变化和导电性能改变；通过使用不同波长的光对材料进行照射，能够调控不同光敏材料的导电性能，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
作为本发明的进一步优选，所述导电性能调节气敏半导体组件包含多种具有不同敏感气体的气敏半导体材料；在含有特定气体成分的环境下，对这些气体成分敏感的气敏半导体材料会发生导电性能改变，而其他材料则不发生性能改变；通过控制环境中的气体成分，能够调控不同气敏半导体材料的导电性能，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
作为本发明的进一步优选，所述导电性能调节微机械组件包含多种具有不同磁感应强度阈值的磁控微机械材料，这些材料能够在外加磁场的磁感应强度值达到阈值时，通过磁性结构的机械运动，实现导电性能的变化；在外加特定磁感应强度值的磁场条件下，磁感应强度阈值低于该值的磁控微机械材料会发生导电性能改变；而磁感应强度阈值高于该值的磁控微机械材料，则不会发生结构变化和导电性能改变；通过控制外加磁场的磁感应强度值，能够对不同磁控微机械材料的导电性能进行调控，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
作为本发明的进一步优选，所述导电性能调节微机械组件包含多种具有不同环境温度阈值的温控微机械材料，这些材料能够在环境温度值达到阈值温度时，通过材料的热膨胀效应，实现导电性能的变化；在特定环境温度值下，温度阈值低于该值的温控微机械材料会发生导电性能改变，从而引起导电结构的改变；而温度阈值高于该值的温控微机械材料，则不会发生结构变化和导电性能改变；通过控制环境温度值，能够对不同温控微机械材料的导电性能进行调控，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
按照本发明的另一方面，本发明提供了上述动态频率选择表面结构的制备方法，其特征在于，该方法优选利用激光诱导正向转印技术将导电性能可调节的薄膜材料定向转印在被动式频率选择表面基体的目标区域，以形成导电性能调节组件，从而得到动态频率选择表面。
按照本发明的又一方面，本发明提供了上述动态频率选择表面结构的制备方法，其特征在于，该方法利用激光直写技术、光刻技术或微纳3D打印技术，在被动式频率选择表面基体的目标区域上直接制备导电性能调节组件，以形成导电性能调节组件，从而得到动态频率选择表面。
作为本发明的进一步优选，所述导电性能可调节的薄膜材料通过溶胶凝胶法、磁控溅射法、化学气相沉积法或者激光诱导气相沉积法技术制备。
作为本发明的进一步优选，所述被动式频率选择表面基体通过激光选择性刻蚀技术、激光直写技术或者光刻技术在介质衬底面上选择性的沉积金属制得。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明中动态频率选择表面结构，是通过在被动式PFSS结构上设置导电性能调节组件，该导电性能调节组件能够在预先设定的条件要求下(例如组件的外界温度达到预先设定的要求，或有超过预先设定的光强的光照射到组件表面等)使其导电性能发生变化；利用导电性能调节组件在改变温度或光照强度等环境条件的作用下发生的导体和绝缘体之间的转变，从而使频率选择表面导电阵子的单元结构发生动态变化。这些导电性能调节组件可以由现有技术已知的导电性能随温度或光强变化的薄膜材料构成，通过控制温度、光强、气体成分或外加磁场的变化来实现FSS的谐振频点可调谐或者传输特性可变化的性能，从而获得一种动态频率选择功能。当然，导电性能调节组件可设置多类，以实现在多种状态之间可逆调节的动态频率选择表面结构。通过将导电性能随温度、光强、气体成分或外加磁场变化的功能材料(如，相变材料、光敏材料、气敏半导体材料、微机械材料等)嵌入到FSS的单元结构或阵列中(例如，位于被动式频率选择表面周期单元结构的内部，或者用于连接两个相邻的彼此不存在其他导电通路的被动式频率选择表面单元)，通过使用环境光源或热源辐照FSS的单元结构或阵列中的功能材料、向环境中通入特定成分的气体或者外加特定强度的磁场等方式，对功能材料的导电性能进行调控，改变谐振单元结构尺寸或阵列串/并联的转换，实现FSS的谐振频点可调谐或者传输特性可变化特性，从而获得动态频率选择表面功能。
本发明中动态频率选择表面结构相应的制备方法，可以是首先采用激光选择性刻蚀技术、激光直写技术或光刻技术在介质衬底面上制备周期性排布构成的金属或缝隙孔径单元结构，形成一种固定阻带或通带被动式FSS结构，然后再采用激光诱导正向转印技术(Laser Induced Forward Transfer,LIFT)将导电性能随温度或光强变化的功能材料薄膜(相变材料、光敏材料、气敏材料、微机械材料等)嵌入到FSS的单元结构或阵列中，通过使用环境光源或热源辐照FSS的单元结构或阵列中的功能材料、向环境中通入特定成分的气体或者外加特定强度的磁场等方式，对功能材料的导电率进行调控，改变谐振单元结构尺寸或实现阵列串/并联的转换，实现FSS的谐振频点可调谐或者传输特性可变化特性，从而获得动态频率选择表面功能。
以温度可逆相变材料二氧化钒(VO2)为例，由于VO2晶体具有接近室温的相变温度，在341K时会发生一级相变，具有从低温绝缘体转变为高温导体的可逆转变特性，并且VO2的相变温度还可以通过掺杂不同种类和浓度的离子而升高或降低，来获得到所需范围内任意相变温度的掺杂VO2薄膜。利用VO2相变材料，基于本发明中的动态频率选择表面结构，可以采用激光选择性刻蚀技术在镀有金属层介质衬底表面上制备高精度的金属或缝隙单元结构阵列，再利用LIFT技术将相变材料VO2和不同掺杂工艺的VO2薄膜定向转印至单元结构或阵列的目标区域中，利用未掺杂或掺杂不同离子的VO2会在不同的温度条件下发生绝缘体到导体转变性能的特点，对含有未掺杂或不同掺杂VO2薄膜的FSS单元结构或阵列采用温控来进行动态调节，改变FSS单元结构尺寸或阵列的排列分布，可获得一种动态频率选择表面，来实现FSS响应频率的可切换功能。
本发明中动态频率选择表面结构相应的制备方法，对于不易成膜的导电性调节材料，也可以是首先采用激光选择性刻蚀技术、激光直写技术或光刻技术在介质衬底面上制备周期性排布构成的金属或缝隙孔径单元结构，形成一种固定阻带或通带被动式FSS结构，然后在被动式FSS表面利用激光直写技术、光刻技术或微纳3D打印技术等方式直接在FSS的单元结构或阵列中制备导电性能调节组件，通过使用环境光源或热源辐照FSS的单元结构或阵列中的功能材料、向环境中通入特定成分的气体或者外加特定强度的磁场等方式，对功能材料的导电特性进行调控，改变谐振单元结构尺寸或实现阵列串/并联的转换，实现FSS的谐振频点可调谐或者传输特性可变化特性，从而获得动态频率选择表面功能。
以微机械材料为例，微机械材料是一种具有三维结构的力学系统，通过对其进行结构的设计，能够在微米尺度实现各种力学系统具有的功能。例如，在微机械材料中引入磁性材料和导体材料，通过对微机械材料的结构设计，可以实现磁控导电开关的功能，在特定强度的外加磁场下，该材料会使两个相邻的导电区域导通，从而引起导电的结构改变。但一些具有复杂三维结构的微机械材料不适合采用制膜后转印的方式在FSS单元结构或阵列中制备。基于本发明中的动态频率选择表面结构，可以采用激光选择性刻蚀技术在镀有金属层介质衬底表面上制备高精度的金属或缝隙单元结构阵列，再利用微纳3D打印技术将微机械材料直接制备于单元结构或阵列的目标区域，通过对微机械材料的导电性能进行调控，改变FSS单元结构尺寸或阵列的排列分布，可获得一种动态频率选择表面，来实现FSS响应频率的可切换功能。
具体说来，本发明能够取得以下有效效果：
1.本发明中动态频率选择表面的结构，可以采用现有的微加工技术制备。相比于采用了外加激励源的AFSS，由于输入热量较小且分布均匀而不会损伤介质衬底和金属单元图形结构，因而不会偏离设计指标。
2.本发明优选采用在室温条件下属于绝缘介质的材料构建导电性能调节组件，例如，本发明尤其可以采用现有技术中已知的基于VO2的相变材料(包括纯VO2材料、离子掺杂的VO2材料等)作为功能材料构建导电性能调节组件，由于这些嵌入的功能材料在室温条件下属于绝缘介质，因此大面积嵌入功能材料到FSS的单元结构或阵列中不会影响原有的FSS谐振频率和传输特性能。
3.引入导电性能调节组件可避免成千上万电控元件的焊接所引起的介质衬底过热和单元结构变形以及重量增加等问题。
4.通过对FSS的单元结构或阵列中的功能材料进行光照、加热、充入特定气体或者外加磁场的方式，对功能材料的导电性能进行调控，来实现FSS的谐振频点可调谐或者传输特性变化，可避免集成电路元件(PIN/变容二极管)通电所引起的能量损耗、电磁性能一致性和重复性差以及谐振频率的偏移、产生寄生频段和极性的恶化等的问题。
5.本发明通过导电性能调节组件的导电性变化，来改变频率选择表面导电阵子的单元结构，从而改变选择性透过频率，基于这一原理实现动态频率选择表面。当隐形雷达使用宽频天线时，通过动态频率选择表面可以使不同频率的电磁波选择性透过(例如雷达需要高频工作时就将雷达罩切换到高频透过低频反射工作模式；反之切换到低频透过模式。根据雷达实际的带宽也可以增加调节挡位)这样就可以使雷达同时只有较窄带宽的电磁波透过，可以大大减小被探测到的几率。
附图说明
图1为激光选择性刻蚀制备周期性排布构成的缝隙圆环形单元结构的带通型FSS示意图。
图2为激光选择性刻蚀制备周期性排布构成的金属圆环形单元结构的带阻型FSS示意图。
图3中的(a)、(b)和(c)均为激光诱导正向转印技术(LIFT)将溅射或沉积在玻璃基板下表面的VO2薄膜局部高精度转印至单元结构中的示意图。
图4中的(a)、(b)和(c)均为VO2薄膜局部高精度转印至单元结构中形成复合单元之一示意图。
图5中的(a)、(b)、(c)和(d)均为VO2薄膜局部高精度转印至单元结构中形成复合单元之二示意图。
图6中的(a)和(b)均为制备一种导电尺寸随温度阶梯变化的缝隙圆环形复合单元之一示意图。
图7中的(a)和(b)均为制备一种导电尺寸随温度阶梯变化的缝隙圆环形复合单元之二示意图。
图8为导电尺寸随温度变化复合单元制备的动态选频的工作原理示意图。
图中附图标记的含义如下：1为激光束(针对激光选择性刻蚀工艺)，2为金属膜，3为介质衬底面，4为缝隙圆环形单元结构，5为金属圆环形单元结构，6为激光束(针对LIFT工艺)，7为玻璃基板，8为VO2薄膜(纯VO2材料)，9为转印的VO2薄膜局部，10为缝隙圆环形复合单元结构，11为金属圆环形复合单元结构，12为复合金属圆环形单元阵列，13为缝隙圆环形复合单元，14为金属圆环形复合单元，15为缝隙圆环形复合单元，16为金属圆环形复合单元，20为掺杂一种离子的VO2的薄膜，21为掺杂另一种离子的VO2的薄膜，30为缝隙圆环形复合单元，31为缝隙圆环形复合单元，32为金属圆环形复合单元，33为金属圆环形复合单元，40为热辐射源，41为带通型FSS周期阵列，42为带阻型FSS周期阵列，43为热辐射示意。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体来说，本发明动态频率选择表面结构，包括被动式频率选择表面基体以及位于该基体上的导电性能调节组件，所述被动式频率选择表面基体包括多个被动式频率选择表面单元；在满足预先设定要求的条件下，所述导电性能调节组件的导电性能会发生变化，所述导电性能调节组件位于被动式频率选择表面周期单元结构的内部、且与其中的导电区域相连、作为其中导电区域的备用附加区域，或者用于连接两个相邻的、彼此不存在其他导电通路的被动式频率选择表面单元、且作为这两个被动式频率选择表面单元之间的备用导电通路；利用所述导电性能调节组件导电性能的变化，能够实现动态频率选择表面频选特性的动态变化。
所述导电性能调节组件可以为导电性能调节相变组件、导电性能调节光敏组件、导电性能调节气敏组件、导电性能调节微机械组件或者导电性能调节复合组件；其中，所述导电性能调节相变组件由温控相变材料构成，能够利用相变材料在温度高于相变温度的条件下发生的相变反应，实现导电性能的变化；所述导电性能调节光敏组件由光敏材料构成，能够利用光敏材料在强度超过光强阈值的特定波长的光束照射下发生的结构变化，实现导电性能的变化；所述导电性能调节气敏组件由气敏半导体材料构成，能够利用气敏半导体材料在特定气体成分的环境中发生的结构变化，实现导电性能的变化；所述导电性能调节微机械组件由微机械材料构成，能够利用微机械材料在特定外加磁场或环境温度高于预先设定的温度值的条件下发生的机械结构改变，实现导电性能的变化；所述导电性能调节复合组件同时包括所述导电性能调节相变组件、所述导电性能调节光敏组件、所述导电性能调节气敏组件和所述导电性能调节微机械组件中的至少2种，该导电性能调节复合组件由上述多种具有不同导电性能调控原理的材料构成，能够在满足各材料相应条件的情况下，实现导电性能的变化，从而改变整个频率选择表面中的导电结构，实现频率选择性能调控。
被动式频率选择表面基体中的单元结构主要有四种形式：(1)中心连接型单元(“Y”型、十字、耶路撒冷、锚型、直线、三极子、方形螺旋等)；(2)环形单元(方环、圆环、十字环、Y环、三腿或四腿加载型单元、六边形环)；(3)实心型单元(方形贴片、正六边形贴片、圆形贴片)；(4)组合型单元(分形、拓扑类)。本发明将采用圆环形单元为例来说明本发明提出的动态频率选择表面结构制造的具体实施方法和工作原理。圆环形FSS具有谐振频率稳定性最好、抑制交叉极化能力强、带宽最大和隔离传输和反射所需频带最小以及易于激光制备等优点。
本发明提出的一种制备动态频率选择表面结构制造的具体实施方法是：首先采用激光选择性刻蚀技术，利用激光束1在镀有金属膜2的介质衬底面3上进行选择性去除金属薄膜，制备周期性排布构成的缝隙圆环形单元结构4，形成一种固定频率的带通型PFSS周期阵列，如图1所示。或采用激光选择性刻蚀技术，利用激光束1在镀有金属膜2的介质衬底面3上进行选择性去除金属薄膜，制备周期性排布的金属圆环形单元结构5，形成一种固定频率的带阻型PFSS周期阵列，如图2所示。然后再采用激光诱导正向转印技术(LIFT)，利用激光束6将溅射或沉积在玻璃基板7下表面的VO2薄膜8局部9高精度转印至缝隙圆环形单元结构4的外环内壁处，如图3中的(a)和图4中的(a)所示，或金属圆环形单元结构5的外环外壁处，如图3中的(b)和图4中的(b)所示，或两个金属单元之间处，如图3中的(c)和图4中的(c)所示，并与金属薄膜紧密连接，制备一种导电尺寸随温度变化的缝隙圆环形复合单元结构10，或金属圆环形复合单元结构11，或复合金属圆环形单元阵列12，形成一种动态频率选择的复合单元。LIFT技术也可以将VO2薄膜8局部9高精度转印至缝隙圆环形单元结构4的内环外壁处，制备一种导电尺寸随温度变化的缝隙圆环形复合单元13，如图5中的(a)所示，或金属圆环形单元结构5的内环外壁处，制备一种导电尺寸随温度变化的金属圆环形复合单元14，如图5中的(b)所示，或缝隙圆环形单元结构4的外环内壁和内环外壁处，制备一种导电尺寸随温度变化的缝隙圆环形复合单元15，如图5中的(c)所示，或金属圆环形单元结构5的内、外环的外壁处，制备一种导电尺寸随温度变化的金属圆环形复合单元16，如图5中的(d)所示，形成一种动态频率选择的复合单元。LIFT技术还可以将掺杂不同离子的VO2的薄膜20和21与VO2薄膜9一起转印至缝隙圆环形单元结构4的内环外壁处，制备一种导电尺寸随温度阶梯变化的缝隙圆环形复合单元30，形成一种动态多频率选择的复合单元，如图6中的(a)所示，或将掺杂不同离子的VO2的薄膜20和21与VO2薄膜9一起转印至缝隙圆环形单元结构4外环内壁处，制备一种导电尺寸随温度阶梯变化的复合单元31，形成一种动态多频率选择的复合单元，如图6中的(b)所示。同理，LIFT技术也可以将掺杂不同离子的VO2的薄膜20和21与VO2薄膜9一起转印至金属圆环形单元结构5的内环外壁处，制备一种导电尺寸随温度阶梯变化的复合单元32，形成一种动态多频率选择的复合单元，如图7中的(a)所示，或将掺杂不同离子的VO2的薄膜20和21与VO2薄膜9一起转印至金属圆环形单元结构5外环外壁上，制备一种导电尺寸随温度阶梯变化的复合单元33，形成一种动态多频率选择的复合单元，如图7中的(b)所示。
图8给出了由导电尺寸随温度变化的缝隙圆环形复合单元的动态选频工作原理。当热辐射源40关闭，由导电尺寸随温度变化的缝隙圆环形复合单元10或13或15形成的带通型FSS周期阵列41(如图8左侧所示)和导电尺寸随温度变化的金属环形复合单元11或14或16形成的带阻型FSS周期阵列42(如图8右侧所示)处于室温温度，复合单元的温度低于341K。复合单元中的VO2的薄膜9处于绝缘状态，缝隙圆环形复合单元的透射谐振频率和金属圆环形复合单元的反射谐振频率均为原FSS设计的频率。当热辐射源40启动，向带通型FSS周期阵列41和带阻型FSS周期阵列42进行热辐射43，使复合单元的温度上升到大于341K时，复合单元中的VO2的薄膜9将发生相变，从低温绝缘体转变为高温导体，缝隙圆环形复合单元10、13、15的缝隙将会变窄，引起复合单元的透射谐振频率将向低处移动；同时，金属圆环形复合单元的导电面增加，也会引起复合单元的反射谐振频率向低处移动。因此，通过热辐射源的启动，控制复合单元的温度变化，可改变FSS复合单元结构尺寸大小，从而改变FSS响应谐振频率的变化和切换，实现动态频率选择表面的功能。
当需要更多的FSS响应频率的变化时，可采用导电尺寸随温度阶梯变化的复合单元30或31制备的带通型FSS周期阵列和导电尺寸随温度阶梯变化的复合单元32或33制备的带阻型FSS周期阵列。利用掺杂不同离子VO2薄膜20和21可获得相变温度不同的特点，选择掺杂离子VO2薄膜21的相变温度<掺杂离子VO2薄膜20的相变温度<未掺杂离子VO2薄膜9的相变温度。当热辐射源40关闭，由导电尺寸随温度变化的缝隙圆环形复合单元30或31制备的带通型FSS周期阵列和导电尺寸随温度变化的金属圆环形复合单元32或33制备的带阻型FSS周期阵列，处于室温温度，复合单元的温度低于341K，复合单元中的掺杂离子的VO2的薄膜20、21和未掺杂离子的VO2的薄膜9均处于绝缘状态，缝隙圆环形复合单元的透射谐振频率和金属圆环形复合单元的反射谐振频率均为原FSS设计的谐振频率。
当热辐射源40启动，向带通型FSS周期阵列的复合单元30或31和带阻型FSS周期阵列的复合单元32或33辐射热能，使复合单元的温度增高到大于掺杂离子的VO2的薄膜21的相变温度，但小于掺杂离子VO2薄膜20和未掺杂离子的VO2薄膜9的相变温度。此时，复合单元30或31或32或33中只有掺杂离子的VO2薄膜21发生相变，从绝缘体转变为导体，而掺杂离子VO2薄膜20和未掺杂离子VO2薄膜9仍处于绝缘状态，使缝隙环形复合单元30或31的缝隙变窄，复合单元的透射谐振频率将下降。金属环形复合单元32或33的导电面增加，也引起复合单元的反射谐振频率向低处移动。
增加热辐射源40的辐射能量，使复合单元的温度增高到大于掺杂离子VO2薄膜20的相变温度，但小于未掺杂离子的VO2薄膜9的相变温度。此时，复合单元30或31或32或33中的未掺杂离子VO2薄膜9仍保持绝缘状态，但掺杂离子VO2薄膜20发生相变，从绝缘体转变为导体，使缝隙环形复合单元30或31的缝隙进一步变窄，复合单元的透射谐振频率也将进一步降低；金属环形复合单元32或33的导电面进一步增加，也引起复合单元的反射谐振频率进一步向低处移动。
进一步提高热辐射源40的辐射能量，使复合单元的温度增高到大于未掺杂离子VO2薄膜9的相变温度。此时，复合单元30或31或32或33中未掺杂离子VO2薄膜9发生相变，从绝缘体转变为导体，从而使掺杂离子的VO2薄膜20、21和VO2薄膜9均处于导体状态，使缝隙环形复合单元30或31的缝隙变的更窄，复合单元的透射谐振频率下降更低；金属环形复合单元32或33的导电面变得更大，引起复合单元的反射谐振频率更进一步向低处移动。
因此，通过对热辐射源的辐射能量的调控，可以使动态频率选择表面的温度实现阶梯变化，从而使复合单元的在不同的温度梯度下具有不同的导电区域，进而实现FSS响应频率的切换，得到温控动态多频率FSS的功能。
导电性能可调控的光敏材料会在光的照射下发生导电性能的改变，因此也可使用光敏材料制作导电性能调节组件，以实现光控的动态频率选择表面功能。对于不同类型的光敏材料，在特定波长光束的照射下，若入射光的光强超过某一特定的值，则该材料的电阻率会大幅度降低。将能够引起光敏材料导电性能变化的光波波长称为光敏材料的敏感波长，并将敏感波长下的这一光照强度称为光敏材料的光照强度阈值。常见的导电性能可调控的光敏材料主要有硫化镉、硒化镉等无机光敏材料以及有机光电导材料(OrganicPhotoconductive Material,OPC)等。以光敏材料硫化镉为例，其敏感波长主要分布在紫外波段，可以使用10lx光强的紫外光对CdS表面进行照射，其电阻率能产生降低三个数量级的变化。
根据相同的原理，选用具有不同光照强度阈值的光敏材料代替温控相变材料VO2，使用LIFT技术将光敏材料薄膜转印在PFSS周期阵列上预先选定的特定区域，构成导电性能调节光敏组件，并使用工作波长与光敏材料的敏感波长对应且光照强度可变的光源代替热辐射源，通过对光辐射源的辐射光强的调控，可以使动态频率选择表面的光照强度实现阶梯变化，从而使复合单元的在不同的光强梯度下具有不同的导电区域，进而实现FSS响应频率的切换，得到光强控制的动态多频率FSS的功能。用于构成导电性能调节光敏组件的光敏材料也可以具有不同的敏感波长，选用工作波长可改变的光源作为辐射源，根据相同的方式，可以实现波长控制的动态多频率FSS的功能。
导电性能可调的气敏半导体材料可以在特定气体成分的环境下发生导体和半导体之间的转变，将该气体称为气敏材料的敏感气体，常用的气敏半导体材料有二氧化锡气敏材料、氧化锌气敏材料等。根据相同的原理，选用具有不同敏感气体的气敏材料代替温控相变材料VO2，使用LIFT技术将气敏半导体材料薄膜转印在PFSS周期阵列上预先选定的特定区域，并将频率选择表面置于可以通入不同种类气体的密闭系统中，通过对通入气体种类和分压的调控，可以使复合单元的在不同气体成分的环境下具有不同的导电区域，进而实现FSS响应频率的切换，得到气体成分控制的动态多频率FSS的功能。
微机械材料可以在在特定外加磁场或环境温度高于预先设定的温度值的条件下发生的机械结构改变，实现导电开关的功能，将这一条件称为微机械材料的导通条件。选用具有不同导通条件的微机械材料，使用微纳3D打印技术将其制备在PFSS周期阵列上，用于连接频率选择表面中两个不导通的区域，通过对导通条件进行调控，可以使复合单元的在不的条件下具有不同的导电区域，进而实现FSS响应频率的切换，得到温控或磁控的动态多频率FSS的功能。
根据上述原理，还可以选用多种不同类型的导电性能可调的材料，使用LIFT技术、利用激光直写技术、光刻技术或微纳3D打印技术等方式，将其制备在PFSS周期阵列上，可通过对相应控制参量的调节，使复合单元的导电区域发生变化，进而实现FSS响应频率的切换，得到多种参量共同调控的动态多频率FSS的功能。
实例：
实例1：
选取尺寸500mm×500mm、厚度为0.5mm和相对介电常数ε＝2.65以及表面上镀有0.03mm厚铜膜的介质衬底F4B-2样件，采用激光选择性刻蚀技术在该样件上选择性去除铜膜材料，制备外环半径为2.3mm、内环半径为1.9mm、周期(即，相邻单元中心距中心的距离)为5mm排布构成的缝隙圆环形单元结构，形成一种固定谐振频率的带通型FSS周期阵列。然后采用激光诱导正向转印技术(LIFT)，将沉积在玻璃基板下表面的未掺杂离子VO2薄膜高精度转印至缝隙圆环形单元结构内环外壁处，与内环铜膜紧密接触，VO2薄膜宽度为0.2mm，厚度为0.03mm，制备成复合单元结构。在环境温度低于341K时，采用开放空间测试，测得FSS谐振频率为17.2GHz；采用红外灯辐射制备的样件表面，使温度达到341K以上，VO2薄膜发生相变，由绝缘体转变为导体，此时，测得的FSS谐振频率下降到15GHz，实现了动态频率选择的功能。
实例2：
选取尺寸500mm×500mm、厚度为0.5mm和相对介电常数ε＝2.65以及表面上镀有0.03mm厚铜膜的介质衬底F4B-2样件，采用激光选择性刻蚀技术在该样件上选择性去除铜膜材料，制备外环半径为2.3mm、内环半径为1.9mm、周期为5mm排布构成的铜片圆环形单元结构，形成一种固定谐振频率的带阻型FSS周期阵列。然后采用激光诱导正向转印技术(LIFT)，将沉积在玻璃基板下表面的未掺杂离子VO2薄膜高精度转印至铜片圆环形单元结构内环外壁处，与内环铜膜紧密接触，VO2薄膜宽度为0.3mm，厚度为0.03mm，制备成复合单元结构。在环境温度低于341K时，采用开放空间测试，测得FSS反射谐振频率为15.4GHz；采用红外灯辐射制备的样件表面，使温度达到341K以上，VO2薄膜发生相变，有绝缘体转变为导体，此时，测得的FSS反射谐振频率下降到14.9GHz，实现了动态频率选择的功能。
实例3：
选取尺寸500mm×500mm、厚度为0.5mm和相对介电常数ε＝2.65以及表面上镀有0.03mm厚铜膜的介质衬底F4B-2样件，采用激光选择性刻蚀技术在该样件上选择性去除铜膜材料，制备外环半径为2.3mm、内环半径为1.9mm、周期为5mm排布构成的缝隙圆环形单元结构，形成一种固定谐振频率的带通型FSS周期阵列。然后采用激光诱导正向转印技术(LIFT)，将沉积在玻璃基板下表面的掺杂10％Mo离子VO2薄膜(相转变温度为308K)高精度转印至缝隙圆环形单元结构内环外壁处，与内环铜膜紧密接触，掺杂Mo离子VO2薄膜宽度为0.1mm，厚度为0.03mm；再采用激光诱导正向转印技术(LIFT)，将沉积在玻璃基板下表面的未掺杂离子VO2薄膜高精度转印至缝隙圆环形单元结构内环外壁处，与掺杂Mo离子VO2薄膜精密相连，未掺杂离子VO2薄膜宽度为0.2mm，厚度为0.03mm，制备成多频率选择复合单元结构。在环境温度低于308K时，采用开放空间测试，测得FSS谐振频率为17.2GHz；采用红外灯辐射制备的样件表面，使温度达到308K以上，但低于341K时，掺杂Mo离子VO2薄膜发生相变，由绝缘体转变为导体，此时，测得的FSS谐振频率下降到16GHz；进一步升高温度到341K以上时，未掺杂离子VO2薄膜发生相变，由绝缘体转变为导体，此时，测得的FSS谐振频率下降到14GHz，从而实现了动态多频率选择的功能。
实例4：
选取尺寸500mm×500mm、厚度为0.5mm和相对介电常数ε＝2.65以及表面上镀有0.03mm厚铜膜的介质衬底F4B-2样件，采用激光选择性刻蚀技术在该样件上选择性去除铜膜材料，制备外环半径为2.3mm、内环半径为1.9mm、周期为5mm排布构成的铜片圆环形单元结构，形成一种固定谐振频率的带阻型FSS周期阵列。然后采用激光诱导正向转印技术(LIFT)，将沉积在玻璃基板下表面的CdS薄膜高精度转印至铜片圆环形单元结构内环外壁处，与内环铜膜紧密接触，CdS薄膜宽度为0.3mm，厚度为0.03mm，制备成复合单元结构。将样件放置于黑暗环境中，测得FSS反射谐振频率为15.4GHz；采用CdS敏感的波长为343nm紫外固体激光器作为光源辐射制备的样件表面，使表面的光照强度达到10lx，CdS薄膜的电阻率降低，此时，测得的FSS反射谐振频率下降到14.8GHz，实现了动态频率选择的功能。
实例5：
选取尺寸500mm×500mm、厚度为0.5mm和相对介电常数ε＝2.65以及表面上镀有0.03mm厚铜膜的介质衬底F4B-2样件，采用激光选择性刻蚀技术在该样件上选择性去除铜膜材料，制备外环半径为2.3mm、内环半径为1.9mm、周期为5mm排布构成的铜片圆环形单元结构，形成一种固定谐振频率的带阻型FSS周期阵列。然后采用激光诱导正向转印技术(LIFT)，将沉积在玻璃基板下表面的PbS薄膜高精度转印至铜片圆环形单元结构内环外壁处，与内环铜膜紧密接触，PbS薄膜宽度为0.3mm，厚度为0.03mm，制备成复合单元结构。将样件放置于黑暗环境中，测得FSS反射谐振频率为15.5GHz；采用PbS敏感的波长为1064nm的红外固体激光器作为光源辐射制备的样件表面，使表面的光照强度达到10lx，PbS薄膜的电阻率降低，此时，测得的FSS反射谐振频率下降到14.9GHz，实现了动态频率选择的功能。
上述实施例仅以基于圆环(或圆环缝隙)的FSS单元为例，还可以采用其他形状的FSS单元，如中心连接型单元、环形单元、实心型单元、组合型单元等；周期值、单元尺寸值等，均可根据实际需要而灵活变化。另外，相变材料除了上述实施例中所示例的VO2、CdS和PbS外，还可以采用其他现有技术中已知的光敏材料、气敏材料、微机械材料等构建导电性能调节组件。
本发明所采用的LIFT工艺可直接参考现有技术，例如，Pique,Alberto&Kim,Heungsoo.(2014).Laser-Induced Forward Transfer of Functional Materials:Advances and Future Directions.Journal of Laser Micro Nanoengineering.9.192-197.10.2961/jlmn.2014.03.0002。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种动态频率选择表面结构，其特征在于，包括被动式频率选择表面基体以及位于该基体上的导电性能调节组件；所述被动式频率选择表面基体包括多个频率选择表面单元；所述导电性能调节组件能够在预先设定的条件下使其导电性能发生变化，利用所述导电性能的变化，能够实现动态频率选择表面导电结构的改变，从而产生频率选择性能的动态调控功能。
2.如权利要求1所述动态频率选择表面结构，其特征在于，所述多个频率选择表面单元呈周期性分布；
所述导电性能调节组件位于被动式频率选择表面周期单元结构的内部，作为导电区域的备用附加区域；或者用于连接两个相邻且不导通的被动式频率选择表面单元，作为这两个被动式频率选择表面单元之间的备用导电通路；通过控制所述导电性能调节组件导电性能的变化，实现动态频率选择表面整体导电结构的变化。
3.如权利要求1所述动态频率选择表面结构，其特征在于，所述导电性能调节组件由导电性能可调控材料构成，包括导电性能调节相变组件、导电性能调节光敏组件、导电性能调节气敏组件、导电性能调节微机械组件或者导电性能调节复合组件；
其中，所述导电性能调节相变组件由温控相变材料构成，能够利用相变材料在温度高于相变温度的条件下发生的相变反应，实现导电性能的变化；所述导电性能调节光敏组件由光敏材料构成，能够利用光敏材料在强度超过光强阈值的特定波长光束的照射下发生的结构变化，实现导电性能的变化；所述导电性能调节气敏组件由气敏半导体材料构成，能够利用气敏半导体材料在特定气体成分的环境中发生的结构变化，实现导电性能的变化；所述导电性能调节微机械组件由微机械材料构成，能够利用微机械材料在特定外加磁场或环境温度高于预先设定的温度值的条件下发生的机械结构改变，实现导电性能的变化；所述导电性能调节复合组件同时包括所述导电性能调节相变组件、所述导电性能调节光敏组件、所述导电性能调节气敏组件和所述导电性能调节微机械组件中的至少2种，该导电性能调节复合组件由上述多种具有不同导电性能调控原理的材料构成，能够在满足各材料相应条件的情况下，实现导电性能的变化，从而改变整个频率选择表面中的导电结构，实现频率选择性能调控。
4.如权利要求3所述动态频率选择表面结构，其特征在于，所述导电性能调节相变组件包含多种具有不同相变温度的温控相变材料；在特定环境温度值下，相变温度低于该值的材料会发生相变反应，从而实现导电性能的改变；而相变温度高于该值的材料，则不会发生相变反应和导电性能变化；通过控制环境温度值，能够调控不同相变温度材料的导电性能，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
5.如权利要求3所述动态频率选择表面结构，其特征在于，所述导电性能调节光敏组件包含多种具有不同光强阈值的光敏材料；在特定光强值的入射光照射下，光强阈值低于该值的光敏材料会发生结构变化，从而引起导电性能的改变；而光强阈值高于该值的光敏材料，则不会发生结构变化和导电性能改变；通过控制环境光强值，能够调控不同光敏材料的导电性能，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
6.如权利要求3所述动态频率选择表面结构，其特征在于，所述导电性能调节光敏组件包含多种具有不同敏感波长的光敏材料；在特定波长光束的照射下，对该波长敏感的光敏材料会发生结构变化，从而引起导电性能的改变；而对该波长不敏感的光敏材料，则不会发生结构变化和导电性能改变；通过使用不同波长的光对材料进行照射，能够调控不同光敏材料的导电性能，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
7.如权利要求3所述动态频率选择表面结构，其特征在于，所述导电性能调节气敏半导体组件包含多种具有不同敏感气体的气敏半导体材料；在含有特定气体成分的环境下，对这些气体成分敏感的气敏半导体材料会发生导电性能改变，而其他材料则不发生性能改变；通过控制环境中的气体成分，能够调控不同气敏半导体材料的导电性能，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
8.如权利要求3所述动态频率选择表面结构，其特征在于，所述导电性能调节微机械组件包含多种具有不同磁感应强度阈值的磁控微机械材料，这些材料能够在外加磁场的磁感应强度值达到阈值时，通过磁性结构的机械运动，实现导电性能的变化；在外加特定磁感应强度值的磁场条件下，磁感应强度阈值低于该值的磁控微机械材料会发生导电性能改变；而磁感应强度阈值高于该值的磁控微机械材料，则不会发生结构变化和导电性能改变；通过控制外加磁场的磁感应强度值，能够对不同磁控微机械材料的导电性能进行调控，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
9.如权利要求3所述动态频率选择表面结构，其特征在于，所述导电性能调节微机械组件包含多种具有不同环境温度阈值的温控微机械材料，这些材料能够在环境温度值达到阈值温度时，通过材料的热膨胀效应，实现导电性能的变化；在特定环境温度值下，温度阈值低于该值的温控微机械材料会发生导电性能改变，从而引起导电结构的改变；而温度阈值高于该值的温控微机械材料，则不会发生结构变化和导电性能改变；通过控制环境温度值，能够对不同温控微机械材料的导电性能进行调控，实现整个频率选择表面中导电结构的改变，从而实现频率选择性能调控。
10.如权利要求1-9任意一项所述动态频率选择表面结构的制备方法，其特征在于，该方法利用激光诱导正向转印技术将导电性能可调节的薄膜材料定向转印在被动式频率选择表面基体的目标区域，以形成导电性能调节组件，从而得到动态频率选择表面。
11.如权利要求1-9任意一项所述动态频率选择表面结构的制备方法，其特征在于，该方法利用激光直写技术、光刻技术或微纳3D打印技术，在被动式频率选择表面基体的目标区域上直接制备导电性能调节组件，以形成导电性能调节组件，从而得到动态频率选择表面。
12.如权利要求10所述制备方法，其特征在于，所述导电性能可调节的薄膜材料通过溶胶凝胶法、磁控溅射法、化学气相沉积法或者激光诱导气相沉积法技术制备。
13.如权利要求10或11所述制备方法，其特征在于，所述被动式频率选择表面基体通过激光选择性刻蚀技术、激光直写技术或者光刻技术在介质衬底面上选择性的沉积金属制得。
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