一种超表面颗粒及其制作方法

1.本技术涉及超表面技术领域，尤其涉及一种超表面颗粒及其制作方法。


背景技术：

2.超表面是一种人工二维周期性电磁材料，具有占用空间小、制作成本低、低电磁损耗率、易于集成和加工制作简单等优点。通过设计组成超表面的基本单元的结构及其空间分布规则，可以对电磁波的幅值、相位和极化等进行调控。
3.如何对超表面进行改进，使其兼具散射增强、透明窗口与导电性，是本领域亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.为解决以上问题，本技术第一方面提供一种超表面颗粒，所述超表面颗粒具有三维立体结构，在所述三维立体结构的表面覆盖二维超表面；
5.所述二维超表面包括柔性介质基底层，以及在所述柔性介质基底层上的金属层；
6.所述金属层由多个相互连接的超表面单元构成，所述超表面单元具有指交结构图案。
7.在本技术的一些实施方式中，所述超表面颗粒的三维立体结构为立方体、长方体、圆柱、三棱柱或钻石型。
8.在本技术的一些实施方式中，所述柔性介质基底层的制作材料为聚酰亚胺pi。
9.在本技术的一些实施方式中，所述金属层的制作材料为金、银或铜。
10.在本技术的一些实施方式中，所述柔性介质基底层的厚度为0.05mm。
11.在本技术的一些实施方式中，所述金属层的厚度为0.035mm。
12.在本技术的一些实施方式中，所述超表面单元的形状为边长小于等于5mm的正方形。
13.本技术第二方面提供一种超表面颗粒的制作方法，包括：
14.提供整张二维超表面，所述二维超表面包括柔性介质基底层，以及在所述柔性介质基底层上的金属层；所述金属层由多个相互连接的超表面单元构成，所述超表面单元具有指交结构图案；
15.利用预设折纸方式将所述二维超表面折成三维立体结构，形成超表面颗粒。
16.本技术的超表面颗粒具有三维立体结构，在所述三维立体结构的表面覆盖二维超表面；所述二维超表面包括柔性介质基底层，以及在所述柔性介质基底层上的金属层；所述金属层由多个相互连接的超表面单元构成，所述超表面单元具有指交结构图案，本技术超表面颗粒表现出比相同形状大小的金属薄膜制成的颗粒更强烈的散射，这种特性有助于在强散射环境中识别目标颗粒。同时，本技术的超表面颗粒在较低频率处表现出透明窗口，允许电磁波像透过空气般透过该超表面颗粒。另外，由于各超表面单元是连接在一起的整体，故在实现以上功能时，还可以兼做电极使用。
附图说明
17.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：
18.图1示出了本技术提供的超表面单元的结构示意图；
19.图1a示出了本技术提供的一种超表面颗粒的结构示意图；
20.图2示出了本技术无限大超表面在电磁波垂直入射时的透反射系数仿真结果图；
21.图3示出了本技术超表面相对铜箔在(a)2.4ghz和(b)8.0ghz时的s21实验结果图；
22.图4中(a)为本技术提供的超表面颗粒和相同的铜箔折纸立方体颗粒的total rcs仿真结果图；(b)为仿真得到的超表面颗粒在total rcs取得最大值和最小值的频点时的散射方向图；(c)为实验得到的超表面颗粒与相同的铜箔折纸立方体在正面和侧面的电场比值结果图；
23.图5示出了本技术提供的超表面颗粒的制作方法的流程图。
具体实施方式
24.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
25.本技术实施例提供一种超表面颗粒及其制作方法，下面结合附图进行说明。
26.本技术提供一种超表面颗粒，所述超表面颗粒具有三维立体结构，在所述三维立体结构的表面覆盖二维超表面。
27.本技术所指的超表面颗粒是指中空的三维立体颗粒，颗粒表面覆盖一层超表面薄膜，超表面薄膜即是上述二维超表面。所述超表面颗粒的三维立体结构可以为立方体、长方体、圆柱、三棱柱或钻石型等，当然也可以是其它立体形状，本技术对此不做限定。
28.具体的，所述二维超表面包括柔性介质基底层，以及在所述柔性介质基底层上的金属层。所述金属层由多个相互连接的超表面单元构成，所述超表面单元具有指交结构图案，如图1所示。多个相互连接的超表面单元可以是相互紧密排列的，也可以是通过金属连接在一起的，本技术对此不做限定。
29.一般情况下，金属层的等离子体谐振频率较高，指交结构是通过在金属层单元内挖槽，形成大量的电容结构。在有限小的周期p(如边长为5mm)内，大大增加电容值，从而降低等离子体谐振频率，在较低频率处实现等离子体效应(该频率处实现比金属薄膜颗粒更强的散射)。并且由于周期比较小，避免了高阶衍射的存在，实现很好的性能。同时由于大部分结构是连接在一起的，故具有导电性。
30.以上为本技术的超表面颗粒能够实现散射增强的原因：指交结构图案增加电容能够实现低频等离子体效应。
31.本技术的超表面颗粒能够实现高频透明效应的原因：指交结构图案在高频处(如9.3ghz)的阻抗与空气阻抗匹配良好，故能够以较高透射系数透过电磁波。
32.本技术的超表面颗粒能够实现低频反射的原因：由于超表面上各指交结构图案是
连接在一起的金属网状结构，对于低频电磁波，该结构像是一个金属平面，产生电磁屏蔽效果，入射波几乎全反射回去。
33.本技术的指交结构图案可以同时实现以上三点：即同时做到散射增强，高频透明，以及低频以较高反射系数反射电磁波。
34.优选的，所述超表面单元的形状(即指交结构图案)为边长小于等于5mm的正方形。例如，当超表面颗粒为立方体时，立方体的每一个面可以是一个如图1所示的指交结构图案，立方体的每一个面也可以是四个如图1所示的指交结构图案。如图1a所示为每一面包含四个如图1所示指交结构图案的立方体超表面颗粒。
35.当然也可以是满足要求的其它图案：尽量实现金属部分全连接的；小周期内的指交结构(以增加电容)。值得一提的是，满足这两个条件的结构不一定能够实现高频透明窗口，因为透明窗口要求此频率处的阻抗与空气阻抗匹配。
36.具体的，所述柔性介质基底层的制作材料可以为聚酰亚胺pi，所述金属层的制作材料可以为金、银或铜等，其它符合制作要求的材料也可以，本技术对此不做限定。优选的，所述柔性介质基底层的厚度为0.05mm，所述金属层的厚度为0.035mm。
37.基于上述二维超表面，可以通过折纸工艺并辅以粘结技术，可将该二维超表面折叠成立方体等三维立体颗粒，即超表面颗粒。
38.图2所示为本技术中无限大二维超表面在电磁波垂直入射时的透反射系数仿真结果图。从图中可以看出在9.3ghz处该超表面具有几乎为1的透射系数和几乎为0的反射系数。
39.图3所示为实验测得的30cm*30cm大的铜箔和本技术超表面分别在低频区域(2.4ghz附近)和高频区域(8ghz附近)的s参数图。由图可知，本技术超表面在低频区域可像铜箔一样屏蔽电磁波，而在高频区域允许电磁波以极高水平透过。在高频区域，本技术超表面对于电磁波具有一个透明窗口。
40.s参数，也就是散射参数，是微波传输中的一个重要参数。s12为反向传输系数，也就是隔离。s21为正向传输系数，也就是增益。s11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，s22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。
41.图4(a)所示为本技术超表面颗粒和铜箔折纸立方体颗粒(边长均为1cm)的total rcs仿真结果图。由图可知，本技术超表面颗粒在7.5ghz附近具有比铜箔折纸颗粒更强的散射，在9ghz附近具有比铜箔折纸颗粒更弱的散射。
42.图4(b)所示为仿真得到的本技术超表面颗粒在total rcs(雷达截面)取得最大值和最小值的频点时的散射方向图。由结果可知，本技术超表面颗粒的散射特性在不同频率处具有较大的变化范围。在散射最强的频率处，其散射方向图接近一个圆形，表明其在水平面内具有各个方向较为均匀的散射特性。
43.图4(c)所示为实验中测得的本技术超表面颗粒散射电场与铜箔折纸颗粒散射电场在正面(侧面)的比值结果图，e
metasurface
/e
metallic
表示超表面颗粒散射电场与铜箔折纸颗粒散射电场的比值。由图可知，在6.5ghz-7ghz，本技术超表面颗粒具有比相同大小和形状的铜箔折纸颗粒更强的散射；在7.5ghz-8ghz，本技术超表面颗粒具有比相同大小和形状的铜箔折纸颗粒更弱的散射。
44.本技术的超表面颗粒具有三维立体结构，在所述三维立体结构的表面覆盖二维超
表面；所述二维超表面包括柔性介质基底层，以及在所述柔性介质基底层上的金属层；所述金属层由多个相互连接的超表面单元构成，所述超表面单元具有指交结构图案，本技术超表面颗粒表现出比相同形状大小的金属薄膜制成的颗粒更强烈的散射，这种特性有助于在强散射环境中识别目标颗粒。同时，本技术的超表面颗粒在较低频率处表现出透明窗口，允许电磁波像透过空气般透过该超表面颗粒。另外，由于各超表面单元是连接在一起的整体，故在实现以上功能时，还可以兼做电极使用。
45.本技术还提供一种超表面颗粒的制作方法，用于制作上述实施例中所述的超表面颗粒。该方法可以通过相关设备完成。
46.本技术提供的超表面颗粒的制作方法，如图5所示，包括以下步骤：
47.s101、提供整张二维超表面，所述二维超表面包括柔性介质基底层，以及在所述柔性介质基底层上的金属层；所述金属层由多个相互连接的超表面单元构成，所述超表面单元具有指交结构图案；
48.s102、利用预设折纸方式将所述二维超表面折成三维立体结构，形成超表面颗粒。
49.折纸是一种将纸张折成各种不同形状的艺术活动。当折纸与自然科学结合在一起时，折纸不仅限于使用纸张，也可以是印刷有二维单元结构的超表面柔性薄膜。当其被折叠成超表面折纸颗粒时，表现出比相同形状大小的金属薄膜制成的颗粒更强烈的散射，这种特性有助于在强散射环境中识别目标颗粒。同时，该超表面在较低频率处表现出透明窗口，允许电磁波像透过空气般透过该超表面。另外，由于超表面各单元是连接在一起的整体，故在实现以上功能时，还可以兼做电极使用。
50.通过折纸技术加工超表面，制成一个具有比金属颗粒还要强散射的超表面颗粒。更强的散射意味着其比金属颗粒更易识别。同时，该超表面存在一个透射透明窗口，在该窗口内，电磁波可以用于接近于1的透射系数。另外由于超表面单元整体是连接在一起的，故其具有良好的导电性。
51.使用具有特定图案的超表面，经过折纸技术处理成为超表面折纸颗粒，颗粒的形状可以是立方体、圆柱体、三棱柱等，这些颗粒即具有上述特性。
52.本技术还提供的超表面颗粒的制作方法具有如下有益效果：该方法通过对超表面进行折纸加工，制成轻质超表面颗粒，与相同形状大小的金属薄膜制成颗粒相比，其具有更强的散射。同时具有一个透明窗口，结构具备导电性。
53.至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
54.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
55.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
56.除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
±
10％的变化、在一些实施例中
±
5％的变化、在一些实施例中
±
1％的变化、在一些实施例中
±
0.5％的变化。
57.此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
58.类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
59.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。