CN113410649A - 光机结构式反射型波束可控微波超表面 - Google Patents

光机结构式反射型波束可控微波超表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开光机结构式反射型波束可控微波超表面，应用于波束扫描反射阵天线、焦距可调平面器件领域，针对现有的非线性超表面在不同强度电磁波激励下，不能独立操控超表面中每个单元的电磁响应特性的问题；本发明的光机结构式反射型微波超表面在不同强度的电磁波激励下，超表面中每个单元的非线性响应特性不同，通过对每个单元悬梁臂以及空气间隙的独立设计，进而实时动态操控超表面中每个单元的电磁响应，实现更加灵活的可重构功能，本发明为可调谐、可重构超表面实时动态调控提供了一种新思路；本发明填补了国内外基于电磁能‑结构势能耦合机理的新型非线性可控超表面技术研究空白。

Description

光机结构式反射型波束可控微波超表面
技术领域
本发明属于波束扫描反射阵天线、焦距可调平面器件领域，特别涉及一种可重构调谐型超表面技术。
背景技术
电磁超材料是具有自然界中所不具有的独特物理特性的人造电磁材料，二维的电磁超表面相比三维的电磁超材料具有体积小、损耗低、成本低的优点，使其得到广泛关注和研究。利用超表面对入射电磁波的幅度、相位、极化状态等特性参数进行操控而构成各种功能器件与系统。相位梯度超表面作为电磁超表面的一种，通过在界面处引入不同的相位突变，可以实现对电磁波的波前操控，目前已经实现了波束聚焦、异常反射、异常折射、表面波耦合等多种功能。然而当超表面被设计制作成型后，其在设计频带内特定的电磁波响应特性即被固化不可改变，不具有工作频率可调谐性、功能可重构性。
近年来，电磁响应特性可重构调谐型智能超材料/超表面的合成机制、设计方法等研究成为学术界、工业界的热点和重点，并相继提出了有源可调谐/可重构/可编程超表面、非线性超表面等概念及设计技术，旨在智能操控电磁波的各种特性参数，具有广泛的应用前景和需求。超表面的电磁响应特性由其结构单元的尺寸、形状、旋向及衬底材料参数等确定，因此，若能通过电、磁、光、机械等方式实时动态调节超表面单元结构特征、衬底材料参数等，就能实时按需动态调控超表面的电磁响应特性，进而实时操控经过超表面的反射/透射电磁波的传输、辐射特性，实现电磁波束的有效智能操控及可调谐、可重构、可编程的多功能光电器件及系统。近年来国内外研究者陆续提出并研制出电控、光控、温控、机械调节式调谐型可重构超表面，以及非线性超表面及其可重构超表面与应用系统。但是，目前提出的可重构调谐型超表面存在体积大、功耗高、成本低、可靠性低、适用性及应用领域有限等问题。目前提出的非线性超表面在不同强度电磁波激励下，不能独立操控超表面中每个单元的电磁响应特性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种光机结构式反射型波束可控微波超表面，该超表面在不同强度的电磁波激励下，超表面中每个单元的非线性响应特性不同，通过对每个单元悬梁臂以及空气间隙的独立设计，进而实时动态操控超表面中每个单元的电磁响应，实现更加灵活的可重构功能。
本发明采用的方案之一为：一种光机结构式反射型波束可控微波超表面，其特征在于，包括若干个周期排列子阵列，所述子阵列中的超表面单元从上往下依次为：金属谐振环、柔性介质、金属背板；金属谐振环制备在柔性介质基底上；所述柔性介质与底部金属背板之间包括空气间隙层；
在入射电磁波作用下激励起电磁谐振并在单元结构中金属谐振环与金属背板上产生感应电流，所述感应电流使得金属谐振环与金属背板之间产生相互排斥的安培力，该安培力使金属谐振环与金属背板相互远离，最终使得柔性介质基底发生形变。
通过改变空气间隙层厚度，改变超表面单元的谐振频率，从而改变反射电磁波的突变相位。
还包括悬梁臂，所述柔性介质基底通过悬梁臂设置于底部金属背板上，使得柔性介质与底部金属背板之间形成空气间隙层。
所述金属谐振环与金属背板之间的安培力计算公式为：
Figure BDA0003121535580000021
Figure BDA0003121535580000022
Figure BDA0003121535580000023
其中，
Figure BDA0003121535580000024
表示金属谐振环上产生的感应电动势，R表示金属谐振环等效电阻，L表示金属谐振环等效电感，C表示金属谐振环等效电容。毕奥-萨伐尔定律描述电流元在空间任意点处所激发的磁场，电流元Idl在空间某点处产生的磁感应强度dB的大小与电流元Idl的大小成正比，与电流元Idl所在处到空间某点的位置矢量和电流元Idl之间的夹角θ的正弦成正比，而与电流元Idl到空间某点的距离r的平方成反比，其中μ0为真空下的磁导率。综上，金属谐振环一段长为L电流大小为I的载流直导线在金属背板某点产生的磁场为B，进一步得到整个金属谐振环在金属背板某点产生的磁感应强度大小，最终得到金属谐振环与金属背板作用力F1的大小，最终表现为金属谐振环与金属背板之间的安培力为排斥力。
所述柔性介质产生弹力的计算公式为：
F2＝keff×x
Figure BDA0003121535580000031
其中，meff表示振动结构的有效质量，振动结构指柔性介质与金属谐振环这两部分结构，柔性介质有四个悬梁臂结构，四个悬梁臂均一端固定，另一端与方型柔性介质连接，这样的结构设计可以使得柔性介质与金属谐振环作为一个整体形变，Ωeff表示振动结构振动时的有效机械谐振频率，keff表示振动结构的等效弹性系数，x表示振动结构的位移，F2表示振动结构受到的弹力。
所述金属谐振环为ELC谐振环。
所述子阵列包括：M个按列排布的上述超表面单元，这M个超表面单元的相位延迟成连续梯度变化，它们排列构成超表面单元子阵列。
所述阵列中超表面单元个数、超表面相位梯度的计算式为：
Figure BDA0003121535580000032
Figure BDA0003121535580000033
其中，θr是反射角，θi是入射角，dΦ/dx表示超表面单元子阵列相位梯度，k0表示自由空间波数，λ0表示自由空间波长，n为超表面单元子阵列中单元个数，p为超表面单元沿相位梯度方向的周期，L为超表面单元子阵列长度，ξ表示超表面的单元子阵列的相位梯度，这里展示的梯度公式当且仅当入射电磁波垂直入射时。
本发明的有益效果：本发明的光机结构式反射型波束可控微波超表面采用的单元结构，将金属谐振环制备在柔性介质基底FPC上，柔性介质FPC与底部金属背板之间填充为空气；这种光机结构式可控超表面单元结构在入射电磁波作用下激励起电磁谐振并在单元结构中金属谐振环与金属背板上产生感应电流，感应电流的存在使得金属谐振环与金属背板之间产生了相互排斥的安培力，导致金属谐振环与金属背板相互远离，最终光机械超材料柔性介质发生形变，让光机械超材料金属谐振环与柔性介质作为一个统一的整体形变；本发明的单元结构通过调节空气间隙厚度的大小可以改变结构的谐振频率，从而改变反射电磁波的突变相位；
本发明为可调谐、可重构超表面实时动态调控提供了一种新思路，进而实时动态操控超表面中每个单元的电磁响应，实现更加灵活的可重构功能。本发明填补了国内外基于电磁能-结构势能耦合机理的非线性可控超表面技术研究空白。
附图说明
图1是本发明提供的光机结构式反射型波束可控微波超表面单元结构示意图；
图2是本发明提供的光机结构式反射型波束可控微波超表面单元反射波幅度、相位与空气间隙的变化关系；
图3是本发明提供的hfss仿真光机结构式反射型波束可控微波超表面单元结构反射波相位随入射电磁波频率的变化关系；
图4是本发明提供的hfss仿真得到的6个不同光机结构式反射型波束可控微波超表面单元的反射场模式；
图5是本发明提供的hfss中仿真光机结构式反射型波束可控微波超表面电磁特性的单元子阵列排布；
图6是本发明提供的hfss中仿真10周期单元子阵列实现相位梯度超表面的场分布；
图7是本发明提供的安培力和弹力的关系曲线，以此找到对应每个单元结构的稳态点；
图8是本发明提供的comsol中仿真得到光机结构式反射型波束可控微波超表面单元的悬梁臂尺寸随特征频率的变化关系；
图9是本发明提供的comsol仿真得到对应每一个光机结构式反射型波束可控微波超表面的悬梁臂尺寸；
图10是本发明提供的光机结构式反射型波束可控微波超表面单元子阵列俯视图和侧视图；
图11是本发明提供的光机结构式反射型波束可控微波超表面整体俯视图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
光机结构式超材料作为一类新型非线性超材料受到广泛关注和重视，基于光机结构式超材料，我们提出构造新型光机结构式超表面的思想，光机结构式反射型微波超表面在不同强度的电磁波激励下，超表面中每个单元的非线性响应特性不同，通过对每个单元悬梁臂以及空气间隙的独立设计，进而实时动态操控超表面中每个单元的电磁响应，实现更加灵活的可重构功能。我们的发现填补了国内外基于电磁能-结构势能耦合机理的新型非线性可控超表面技术研究空白。
一种光机结构式反射型波束可控微波超表面单元结构为ELC金属谐振环制备在柔性介质基底上，柔性介质与底部金属背板之间填充为空气，柔性介质悬梁臂垂直于金属谐振环的电容器横轴，柔性介质有四个悬梁臂结构，四个悬梁臂均一端固定在金属背板上，另一端与方型柔性介质连接，这样的结构设计可以使得柔性介质与金属谐振环作为一个整体形变。金属谐振环和金属背板材料为Cu，柔性介质材料为FPC。单元中金属谐振环周期为4.5mm，进一步电容器横轴长度2mm，电容器间隔0.2mm，谐振环的宽度0.3mm。阵列中的单元子阵列悬梁臂尺寸分别为2.1mm*1.8mm、0.04mm*5.37mm、0.04mm*6.8mm、0.03mm*7.05mm、0.03mm*8.25mm、0.01mm*8.4mm。阵列中的单元子阵列空气间隙尺寸分别为0.05mm，0.05mm，0.68mm，0.68mm，0.82mm，0.82mm，0.92mm，9.92mm，1.04mm，1.44mm，1.44mm。单元结构实现周期阵列的阵列排布方式为方型阵列排布。阵列中单元结构的周期为长为21.8mm，宽为5mm。单元子阵列中单元数量为12。
实施例一：
本实施例包括：(1)阵列中单元结构的形状；(2)阵列中单元结构的材料；(3)阵列中单元金属谐振环的尺寸；(4)阵列中单元悬梁臂尺寸；(5)阵列中单元空气间隙尺寸；(6)单元结构实现周期阵列的排列方式；(7)阵列中单元结构的周期；
参见图1，本发明的光机结构式反射型波束可控微波超表面单元及其几何尺寸，这种单元结构将金属谐振环Cu制备在柔性介质基底FPC上，柔性介质FPC与底部金属背板Cu之间填充为空气。这种光机结构式可控超表面单元结构在入射电磁波作用下激励起电磁谐振并在单元结构中金属谐振环与金属背板上产生感应电流，感应电流的存在使得金属谐振环与金属背板之间产生了相互排斥的安培力，导致金属谐振环与金属背板相互远离，最终光机械超材料柔性介质发生形变，让光机械超材料金属谐振环与柔性介质作为一个统一的整体形变。
参见图2，本发明的光机结构式反射型波束可控微波超表面单元反射波幅度、相位与空气间隙的变化关系，单元结构通过调节空气间隙h_air的大小可以改变结构的谐振频率，从而改变反射电磁波的突变相位，利用hfss电磁仿真软件对单元结构进行仿真，单元结构四周设置主从边界条件，集总端口激励。图2中展示的反射波幅度在空气间隙为0.91mm时达到最小值0.8908，随着空气间隙的增大或减小，反射波幅值增大。图2中展示的反射波相位随着空气间隙的增大而减小，且得到相位覆盖范围接近2Π的仿真结果，这些参数均为实现反射波束异常偏折创造了条件。
参见图3，本发明的单元结构反射波相位随入射电磁波频率的变化而变化，在10GHz处可以得到相邻单元之间的恒定相位差，每两个单元之间的相位差dΦ＝60°，空气间隙h_air分别为0.05mm，0.05mm，0.68mm，0.68mm，0.82mm，0.82mm，0.92mm，9.92mm，1.04mm，1.44mm，1.44mm，其他参数固定为正方形柔性介质边长p＝5mm，金属谐振环边长d＝4.5mm，金属谐振环中电容的电极长度m＝2mm，金属谐振环中电容的两电极间距2a＝0.4mm，谐振环宽度n＝0.3mm。
参见图4，本发明的超表面单元结构在波长为30mm的y偏振电磁波照射下，FEM模拟相位梯度超表面Ey电场散射模式，联合单元的反射场模式，进而表示整个超表面的反射场模式，由此获得的场图案虽不是严格但直观的阐明关键想法，由于每个结构单元以不同的相位Φ辐射，因此从不同单元辐射的波之间干扰形成由白色虚线定义的新波前。
参见图5，本发明的超表面的单元子阵列，它是工作在10GHz的相位梯度超表面，通过在界面处引入不同的相位突变，可以实现对电磁波的波前操控。当每个单元的相位延迟Φ具有恒定梯度时，即ξ＝dΦ/dx，表明反射光束是携带并行波矢量
Figure BDA0003121535580000061
的平面波，这就是广义斯涅尔定律。垂直入射y极化的平面波，为了实现异常波束偏折的设计，当超表面相位梯度为ξ＝2π/L＝0.5k0，其中L是超表面的单元子阵列的长度60mm，k0＝2π/λ0，λ0为自由空间波长，依据广义斯涅尔定律，电磁波经超表面反射后将重新定向为θr＝arcsin(0.5)＝30°，本实施例中超表面单元沿相位梯度方向的周期p＝5，此时子阵列单元个数为n＝12。
参见图6，本发明的超表面异常偏折场分布，在hfss里仿真的相位梯度超表面由10个周期子阵列组成，入射激励为y极化的平面波，图6(a)是Ey方向的远场辐射图，图6(a)中显示波束异常偏折为30°，与理论分析结果一致，此时单元结构的相位延迟Φ随着x轴周期递减，空气间隙随着x轴越来越大。通过hfss仿真x-z平面的电场图，结果如图6(b)所示，反射波束被重新定向到30°。图6(c)是Ey方向的远场辐射图，图6(c)中显示反射波束被重新定向为-30°，与理论分析结果一致，此时单元结构的相位延迟Φ随着x轴周期递增，空气间隙随着x轴越来越小。图6(d)展示了x-z平面的电场图，实现波束异常偏折-30°。同时说明，我们设计的阵列反射波束的交叉极化分量很少，入射波束与反射波束的偏振一致。
参见图7，本发明的光机结构式反射型波束可控微波超表面，在y极化垂直入射的电磁波照射下，通过改变电磁波功率大小，使得反射波束从0°异常偏折到30°。单元结构在不同强度电磁波入射下，由于电磁感应力与弹力的相互作用，谐振单元会从基态变到不同的稳态，图7中实心点表示稳态点，现确定所有单元结构的初始基态为0.03mm。垂直入射磁场强度为0.01A/m的电磁波时，此时安培力和弹力没有交点，谐振单元均稳定在基态，由于此时阵列的相位梯度为0，即对应经典斯涅尔定律，入射电磁波被镜面反射。垂直入射磁场强度为100A/m的电磁波时，此时安培力和六条弹力均存在交点，交点对应的横坐标分别为0.05mm、0.68mm、0.82mm、0.92mm、1.04mm、1.44mm，表明在该磁场强度下，谐振单元可以由基态变化到稳态，且新的稳态的值恰好与波束异常偏折30°单元的空气间隙值一一对应，这种映射关系的成立与弹性系数的选取密切相关，只有当弹性系数分别为5N/m、0.006N/m、0.003N/m、0.002N/m、0.00127N/m、0.0004N/m时，才可以一一对应到以上稳态值。
参见图8，本发明的光机结构式反射型波束可控微波超表面单元，图8中所示为悬梁臂的长宽随机械谐振频率的变化趋势，由此可以得出以下结论，悬梁臂的长度越长并且宽度越窄时，机械谐振频率越小，悬梁臂的长度越短并且宽度越宽时，机械谐振频率越大，基于此规律进行悬梁臂尺寸的设计。
参见图9，本发明的光机结构式反射型波束可控微波超表面单元，利用多物理场仿真软件comsol仿真不同悬梁臂尺寸的机械谐振频率，只在固体力学物理场研究光机械超材料，研究柔性介质膜受到的固有弹力，并用悬梁臂固定柔性介质，让光机械超材料金属谐振环与柔性介质作为一个统一的整体形变，进而由公式
Figure BDA0003121535580000071
计算得到弹性系数的值，其中m表示振动结构的质量，Ω表示振动结构机械谐振频率，k表示振动结构等效弹性系数，最终完成对应每一个单元结构悬梁臂的设计，图9中所示为最终设计出的与上述弹性系数一一对应的悬梁臂尺寸，图9(a)-图9(f)中宽*长分别为2.1mm*1.8mm、0.04mm*5.37mm、0.04mm*6.8mm、0.03mm*7.05mm、0.03mm*8.25mm、0.01mm*8.4mm，它们对应的弹性系数分别为5N/m、0.006N/m、0.003N/m、0.002N/m、0.00127N/m、0.0004N/m。
参见图10，本发明的光机结构式反射型波束可控微波超表面单元子阵列如图10(a)所示，初始超表面每个单元空气间隙如图10(c)所示，所有单元空气间隙均为0.03mm，此时相位梯度为0，在y极化电磁强度为0.01A/m的垂直入射电磁波照射下，安培力小于结构弹力，达不到起振条件，所有单元结构的谐振单元都会稳定在基态。通过改变电磁波功率大小，在y极化电磁强度为100A/m的垂直入射电磁波照射下，安培力大于结构弹力，所有单元结构均达到起振条件，每个单元的谐振单元都达到了新的稳态，子阵列每个单元的稳态空气间隙如图10(b)所示，此时相位梯度为ξ＝2π/L＝0.5k0，最终使得反射波束从0°异常偏折到30°。
参见图11，本发明的光机结构式反射型波束可控微波超表面阵列完整俯视图，它是由单元子阵列周期排列组成。该超表面的功能为仅通过改变入射电磁波功率大小，就能改变反射波束的偏折方向。即在特定输入功率改变量j-i的情况下，特定长宽的悬梁臂尺寸对应一个特定的稳态空气间隙改变量。
综上，本发明的光机结构式反射型波束可控微波超表面，是一种体积小、可实时动态调控、结构简单的基于电磁能-结构势能耦合机理的非线性可控超表面技术。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种光机结构式反射型波束可控微波超表面，其特征在于，包括若干个周期排列子阵列，所述子阵列中的超表面单元从上往下依次为：金属谐振环、柔性介质、金属背板；金属谐振环制备在柔性介质基底上；所述柔性介质与底部金属背板之间包括空气间隙层；
在入射电磁波作用下激励起电磁谐振并在单元结构中金属谐振环与金属背板上产生感应电流，所述感应电流使得金属谐振环与金属背板之间产生相互排斥的安培力，该安培力使金属谐振环与金属背板相互远离，最终使得柔性介质基底发生形变。
2.根据权利要求1所述的一种光机结构式反射型波束可控微波超表面，其特征在于，通过改变空气间隙层厚度，改变超表面单元的谐振频率，从而改变反射电磁波的突变相位。
3.根据权利要求1所述的一种光机结构式反射型波束可控微波超表面，其特征在于，还包括悬梁臂，所述柔性介质基底通过悬梁臂固定于底部金属背板上，使得柔性介质与底部金属背板之间形成空气间隙层。
4.根据权利要求1所述的一种光机结构式反射型波束可控微波超表面，其特征在于，所述金属谐振环与金属背板之间的安培力计算公式为：
Figure FDA0003121535570000011
Figure FDA0003121535570000012
Figure FDA0003121535570000013
其中，F1表示金属谐振环与金属背板之间的安培力，B为金属谐振环一段长为L1电流大小为I的载流直导线在金属背板上某点产生的磁场，
Figure FDA0003121535570000015
表示金属谐振环上产生的感应电动势，R表示金属谐振环等效电阻，L表示金属谐振环等效电感，C表示金属谐振环等效电容，μ0为真空下的磁导率，r表示电流元Idl到金属背板上某点的距离，θ为电流元Idl所在处到金属背板上某点的位置矢量和电流元Idl之间的夹角，l表示金属谐振环的边长。
5.根据权利要求1所述的一种光机结构式反射型波束可控微波超表面，其特征在于，柔性介质与金属谐振环构成振动结构，所述振动结构受到的弹力的计算公式为：
F2＝keff×x
Figure FDA0003121535570000014
其中，F2表示振动结构受到的弹力，meff表示振动结构的有效质量，Ωeff表示振动结构振动时的有效机械谐振频率，keff表示振动结构的等效弹性系数，x表示振动结构的位移。
6.根据权利要求1所述的一种光机结构式反射型波束可控微波超表面，其特征在于，所述金属谐振环为ELC谐振环。
7.根据权利要求1所述的一种光机结构式反射型波束可控微波超表面，其特征在于，所述子阵列包括M个按列排布的超表面单元，这M个超表面单元的相位延迟成连续梯度变化，它们排列构成超表面单元子阵列。
8.根据权利要求1所述的一种光机结构式反射型波束可控微波超表面，其特征在于，当入射电磁波垂直入射时，所述阵列中超表面单元个数、超表面相位梯度的计算式为：
Figure FDA0003121535570000021
Figure FDA0003121535570000022
其中，θr是反射角，θi是入射角，dΦ/dx表示超表面单元子阵列相位梯度，k0表示自由空间波数，λ0表示自由空间波长，n为超表面单元子阵列中单元个数，p为超表面单元沿相位梯度方向的周期，L为相位梯度超表面长度，ξ表示超表面的单元子阵列的相位梯度。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114583463A (zh) * 2022-04-02 2022-06-03 电子科技大学 基于光机结构式超表面的可重构Airy波束赋形装置
CN114744408A (zh) * 2022-04-06 2022-07-12 电子科技大学 一种光机结构式毫米波反射波束可控超表面
CN116596079A (zh) * 2023-07-19 2023-08-15 中诚华隆计算机技术有限公司 一种用于削弱电磁共振的量子计算装置
WO2024016258A1 (zh) * 2022-07-21 2024-01-25 京东方科技集团股份有限公司 一种超表面装置及其制作方法、天线、通信设备

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2859542A1 (fr) * 2003-09-08 2005-03-11 Commissariat Energie Atomique Micro-miroir oscillant a actionnement bimorphe
US20120327502A1 (en) * 2011-06-24 2012-12-27 Nikolay Ivanovich Zheludev Tunable metamaterials and related devices
CN105324841A (zh) * 2013-02-06 2016-02-10 伊利诺伊大学评议会 用于可拉伸的电子器件的自相似和分形设计
JP2017175201A (ja) * 2016-03-18 2017-09-28 三井化学株式会社 メタマテリアルフィルム及びその製造方法
CN108232461A (zh) * 2017-12-28 2018-06-29 电子科技大学 一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料及制备方法
CN110218451A (zh) * 2019-06-18 2019-09-10 同济大学 具有可调负介电常数的石墨稀泡沫/聚二甲基硅氧烷复合材料的制备方法
CN110416736A (zh) * 2019-07-23 2019-11-05 电子科技大学 一种基于温敏液态金属的可编码电磁超材料
CN110609009A (zh) * 2019-09-29 2019-12-24 张阳 一种适用于生物样品太赫兹特异性检测的样品前处理系统及应用
CN110808473A (zh) * 2019-11-11 2020-02-18 上海电力大学 一种机械可重构编码基本单元及超表面
CN112340691A (zh) * 2020-11-11 2021-02-09 西湖大学 一种适用于流体界面上微小物体组装和重构的方法及其应用
US20210088392A1 (en) * 2019-09-24 2021-03-25 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Ultra-Sensitive, Mechanically-Responsive Optical Metasurfaces Via Strain Amplification

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2859542A1 (fr) * 2003-09-08 2005-03-11 Commissariat Energie Atomique Micro-miroir oscillant a actionnement bimorphe
US20120327502A1 (en) * 2011-06-24 2012-12-27 Nikolay Ivanovich Zheludev Tunable metamaterials and related devices
CN105324841A (zh) * 2013-02-06 2016-02-10 伊利诺伊大学评议会 用于可拉伸的电子器件的自相似和分形设计
JP2017175201A (ja) * 2016-03-18 2017-09-28 三井化学株式会社 メタマテリアルフィルム及びその製造方法
CN108232461A (zh) * 2017-12-28 2018-06-29 电子科技大学 一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料及制备方法
CN110218451A (zh) * 2019-06-18 2019-09-10 同济大学 具有可调负介电常数的石墨稀泡沫/聚二甲基硅氧烷复合材料的制备方法
CN110416736A (zh) * 2019-07-23 2019-11-05 电子科技大学 一种基于温敏液态金属的可编码电磁超材料
US20210088392A1 (en) * 2019-09-24 2021-03-25 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Ultra-Sensitive, Mechanically-Responsive Optical Metasurfaces Via Strain Amplification
CN110609009A (zh) * 2019-09-29 2019-12-24 张阳 一种适用于生物样品太赫兹特异性检测的样品前处理系统及应用
CN110808473A (zh) * 2019-11-11 2020-02-18 上海电力大学 一种机械可重构编码基本单元及超表面
CN112340691A (zh) * 2020-11-11 2021-02-09 西湖大学 一种适用于流体界面上微小物体组装和重构的方法及其应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PRAKASH PITCHAPPA: "Microelectromechanically reconfigurable", 《OPTICA》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114583463A (zh) * 2022-04-02 2022-06-03 电子科技大学 基于光机结构式超表面的可重构Airy波束赋形装置
CN114583463B (zh) * 2022-04-02 2023-09-26 电子科技大学 基于光机结构式超表面的可重构Airy波束赋形装置
CN114744408A (zh) * 2022-04-06 2022-07-12 电子科技大学 一种光机结构式毫米波反射波束可控超表面
CN114744408B (zh) * 2022-04-06 2023-08-29 电子科技大学 一种光机结构式毫米波反射波束可控超表面
WO2024016258A1 (zh) * 2022-07-21 2024-01-25 京东方科技集团股份有限公司 一种超表面装置及其制作方法、天线、通信设备
CN116596079A (zh) * 2023-07-19 2023-08-15 中诚华隆计算机技术有限公司 一种用于削弱电磁共振的量子计算装置
CN116596079B (zh) * 2023-07-19 2023-09-26 中诚华隆计算机技术有限公司 一种用于削弱电磁共振的量子计算装置

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