再構成可能な電磁システム用の新しいクラスの変形可能な切り紙メタマテリアル

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1219 (2023) この記事を引用

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高周波 (RF) コンポーネントの急速な開発には、環境に応じて物理的形状と特性を適応させることができるスマートな多機能材料が必要です。 現在のほとんどの再構成可能なシステムは製造コストが高く、柔軟性が限られていますが、この研究では、繰り返し変形して異なる構成に固定できる、切り紙からインスピレーションを得た多安定機械メタ表面の変形可能な特性を利用して、新しいクラスの低コストの再構成可能な電磁構造を実現することを提案しています。広いデザイン空間。 メタサーフェスは、相互に回転しながら調整可能な共振電磁 (EM) 特性を提供できるメタライズド コーティングを備えた運動学ベースのユニット セルを設計することによって形成されます。 パターンのカット長と形状パラメータを調整して、さまざまな構成のトポロジーと形状のプログラミングを実証します。 構造多重安定性に対する重要なパラメーターの影響は、単純化されたエネルギー モデルと有限要素シミュレーションの両方を使用して説明されます。 実現可能な再構成可能な電磁デバイスの例として、等方性応答と異方性応答を特徴とする調整可能な半波長ダイポールと 2 つの周波数選択表面 (FSS) 設計の開発について報告します。 切り紙双極子はアームを機械的に伸ばすことで調整できますが、FSS は切り紙パターンのそれぞれの安定状態で異なる透過率と反射率のスペクトルを示します。 これらの切り紙デバイスの機能は、全波 EM シミュレーションと実験の両方によって検証されています。 提案された変形可能な構造は、機械的に作動させて周波数の電磁応答を調整したり、波の伝播の異方性を誘発したりすることができます。

ワイヤレス通信の拡大と高度なワイヤレス サービスの多様性の増加により、さまざまなワイヤレス アクセス テクノロジー間でシームレスなユーザー モビリティをサポートできる再構成可能な電磁 (EM) システムに対する需要が高まっています。 マルチスタンダードの送信機および受信機のアーキテクチャを設計するための重要なコンポーネントには、調整可能なアンテナと再構成可能な周波数選択面 (FSS) があります。 ほとんどの調整可能なアンテナおよび FSS 設計では、PIN ダイオードや微小電気機械スイッチ (MEMS) などのスイッチを使用してアンテナまたは FSS のユニット セルの電流パターンを変更するか、構造にバラクタ ダイオードをロードすることで再構成可能性が実現されます。可変電圧制御静電容量1、2、3、4。 ただし、これらの能動部品を駆動するために必要なバイアス回路と制御回路はシステムの複雑さを増大させ、追加の伝導損失を引き起こすだけでなく、干渉や反射の原因となる可能性があり、その結果、特に高周波での全体的な性能の低下につながります。 。

最近、機械的変換に基づいて電磁コンポーネントの応答を調整する新しいアプローチが提案されています。 5 で開発された、正面入射と側面入射で異なるバンドストップ応答を持つセラミック共振器で構成される FSS では、セラミック共振器の向きを機械的に変更するだけで、隣接する 2 つのストップバンド間で応答を再構成できます。 特に興味深いのは、形状モーフィング動作を利用して機械的および誘電的特性を調整できる機械的メタマテリアルのファミリーです 6、7、8、9。 構造上の柔軟性に優れたメカニカルメタマテリアルは、ミリ波に対する電磁損失が低く、製造コストも比較的低く抑えられます。 このため、再構成可能な電磁コンポーネントを実現するための魅力的な候補となっています。このコンポーネントは、マルチモードおよびマルチバンド アプリケーションをサポートする、次世代無線通信システム、5G 以降などの多くの分野にとって重要です 10、11、12。複数の単機能のレガシー アンテナを置き換えるには、多機能の再構成可能なアンテナが必要です13、14、15、16。 ひずみ、誘電体、液体の特性 17,18 やウェアラブルエレクトロニクス 19 などのさまざまな量を非破壊的に遠隔抽出および監視するための再構成可能なセンサー。再形状機能により電子プラットフォームの人体への適応性とコンプライアンスが向上し、役立つ可能性があります。生物医学技術のための20、21。