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

2585 アクセス

7 オルトメトリック

メトリクスの詳細

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。

一般に、機械的再構成には、電子コンポーネントに関していくつかの利点があります。たとえば、高いバイアス電圧が必要ないため、システムに複雑さや損失を追加する可能性のあるバイアス制御回路が必要ありません。 さらに、機械的メタマテリアルには、能動デバイスの非線形性によるスプリアス周波数成分がなく、電気的破壊のリスクがないため、高出力アプリケーションに適しています。 その一方で、強誘電体、フェライト、液晶などの調整可能な材料を使用する場合、その電気的特性は外部バイアス (熱、電場または磁場、光放射など) の適用によって制御できますが、通常は次のことが必要になります。高いバイアス電圧または高い DC 消費電力があり、熱変動に対して望ましくない感度を示します。 考えられる欠点として、機械的に再構成可能な RF デバイスはチューニング応答が比較的遅い傾向がありますが、適切な材料と製造方法の使用、およびより迅速な展開を実現するために必要な外部機械的アクチュエータの特定の実装を通じて改善できます。 機械的作動、調整可能な材料、統合された電子デバイスを含むさまざまな調整技術のアプリケーションの利点と欠点を含む包括的なレビューは、特にメタサーフェスを参照して、22,23 で見つけることができます。

この研究は、機械メタマテリアルの変形可能な特性を活用して、新しい種類の再構成可能な電磁デバイスを開発することを目的としています。 相互に回転できる運動学に基づいたユニットセルを設計し、調整可能な共振電磁特性を提供する金属化要素をすべてのユニットに装備することにより、変形可能な構造を機械的に作動させて周波数の電磁応答を調整したり、波動の異方性を誘発したりすることができます。伝搬。

折り紙ベースの構造は、展開可能な連続状態の調整可能な FSS を作成するためのソリューションとして以前に提案されており、折り紙パターンにより構造全体の形状を変更して、望ましい再構成可能性を実現できます 24,25,26。 しかし、折り紙構造は面外変形するため、コンパクトに構築された平面コンポーネントに適用することが困難になります。 座屈誘起要素を備えた平面オーゼティック構造も、電磁適合性用途のために提案されています 27,28。 これらの運動学的メカニズムは通常、継続的な小さな変形を伴います。 したがって、目的の可変周波数応答を提供する特定の構成に展開するには、正確な制御が必要です。 いくつかの構成間で堅牢かつ安定した切り替えを実現することは非常に困難であり、通常、構造内で事前に応力が加えられた状態を維持する必要があります29。 この問題に対処するために、私たちは、異なる EM 応答を備えた複数の構成に繰り返しロックできる多重安定構造を開発しました。 多重安定構造には、位置エネルギーが極小値に達する複数の平衡状態があるため、構造は自動的にこれらの構成に留まる傾向があり、切り替え可能な材料の連続運動構造に比べて大きな利点が得られます 30,31。

この作品で開発したマルチスタブル設計は、切り紙アート 32 からインスピレーションを受けています。 パターンのカット長と幾何学パラメータを調整することにより、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。 構造双安定性に対する重要なパラメーターの影響を示すために、簡略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に基づく両方の結果が示されています。 我々は、これらの構造を利用してさまざまな再構成可能な電磁デバイスを実現できることを示します。 特に、調整可能な半波長ダイポールと 2 つの FSS 設計の開発に焦点を当てています。そのうちの 1 つは等方性応答を示し、もう 1 つは異方性を示します。 ダイポールとFSSは両方とも、切り紙パターンがカットされたゴムシートの片面に導電性/金属層を作成することで実現できます。 別のオプションとしては、高誘電率材料で切り紙構造を形成することも考えられますが、本研究では前者のアプローチに焦点を当てます。 適切な金属被覆で覆われると、切り紙の双極子応答はアームを機械的に伸ばすことで調整でき、一方、切り紙のメタ表面は、それぞれの安定状態で特定の透過率と反射率のスペクトルを示す FSS として動作します。

論文は以下のような構成となっている。 「結果」セクションでは、提案された切り紙デバイスの機能を検証するために行われたシミュレーションと実験を示します。 「考察と結論」セクションでは、製造アプローチについて議論し、結論を導き出しますが、構造エネルギー解析の詳細は補足資料セクションに委ねられます。

私たちは、次のような特徴を持つ切り紙パターンに焦点を当てます。(1) メタマテリアルの閉じた状態では、導電性スクリーンを模倣するため、メタマテリアル上に空隙がありません。 （２）メタマテリアルの安定状態は平面構造であり、平面周波数選択表面として動作する。 (3) メタマテリアルは双安定動作を行うため、さまざまな安定状態にロックできます。 この道をたどり、私たちは切り紙の幾何学モチーフと双安定構造のデザインからインスピレーションを得ています。 特に注目しているのは、一方向に伸びるトライアングルパターンと、同所的に展開できるスターパターンの2つです。 単位セル内の三角形要素を回転させることにより、パターンを複数の構成に拡張し、荷重が解放された後も変形を保持できます。

図1aに示すように、三角形の切断パターンのユニットは、細い靭帯を介して頂点で接続された8つの三角形で構成されます。 ユニットを水平に伸ばすと、薄い靭帯が屈曲ヒンジとして機能し、三角形は隣接する頂点に対して接続頂点を中心に回転できます。 この展開により、単位セル内に 3 つの四角形の空隙が生成されます。 ユニットセルが特定の構成まで引き伸ばされると、開いた状態でロックすることができます。 ユニットセルを元の構成に戻すには、ユニットセルが閉じた状態にスナップバックできるように、一対の圧縮力をユニットセルに加える必要があります。 単位セルを水平方向と垂直方向の両方にテッセレーションすると、メタサーフェスが作成されます。 図 1b は、2 × 3 単位セルで構成される例を示しています。 水平方向に均一な伸縮または圧縮を受けると、同じ列内の単位セルは同等の動きをします。これは、単位セルの幅が隣接する上部および下部の単位によって制限されるためです。 一方、各行では、ユニットセルが異なる構成に固定され、多重安定機能が実現されます (ムービー M1)。 このようにして、同じ構造の特定の列を展開することで、異なるトポロジを持つメタサーフェスを生成できます (ムービー M2)。 図 1c は、図 1b に対応する開いた状態と閉じた状態のゴムシートをレーザー彫刻することによって作成された同じパターンのメタマテリアルを示しています。

メタマテリアル構造の設計。 (a) 三角パターンと (d) 星型パターンのユニットの設計パラメータ。 テッセレーション化された (b) 三角形メタマテリアルと (e) 星型メタマテリアルの閉じた状態と開いた状態。 (c) 三角形と (d) 星形のパターンがレーザー彫刻されたサンプルの、閉じた状態と開いた状態の写真。 スケールバーの長さは1cmです。

メタマテリアルの変形は、平面機構のアセンブリとしてモデル化できます。 たわみヒンジの厚さがゼロであると仮定すると、つまり、三角形が理想的な頂点間の接続を持っていると仮定すると、構造の変形は、すべての三角形の部分が剛体である機械的運動と見なすことができます（補足資料S2） 。 ただし、実際の材料の変形プロセスでは、構造の頂点に完全なヒンジが存在するわけではありません。 その代わりに、変形中にたわみヒンジが曲がったり曲がらなかったりするため、弾性ひずみエネルギーの変化が生じます。 これにより、閉じた状態から完全に展開された開いた状態まで、複数の安定した状態が得られます。 言い換えれば、メタシートは、荷重が取り除かれた後でも、さまざまな変形形状を維持することができます。

これまでの三角形パターンは一方向に伸長することができましたが、さらに等方的に展開できる星型パターンを開発しました。 図 1d に示すように、単位セルは 4 点の星形で接続された 8 つの小さな三角形で構成されます。 運動学的に、星形と三角形の変形が許可されない場合、構造は展開できません。 ただし、薄い靭帯の寸法が注意深く調整されていれば、単位セルはスナップスループロセスを通じて変形可能です。 単位胞の 4 分の 1 は、三角形パターンの接続配置に似ています。変形中、星形がこれらの三角形のペア間の距離を制限するため、2 つの小さな三角形が中央の靭帯を大幅に圧縮して外側に回転させ、スナップスルー動作。 3 × 3 メタシートをその 4 つの角に沿って均一に引き伸ばすと、図 1e (ムービー M1) に示すように、等方性の開いたパターンにスナップします。 対角線方向のいずれかに沿って力が加えられると、補足資料 S2 に示すように、構造は 2 組の三角形のみが開いた半開いたダイヤモンド形状を形成します。 スターパターンの半開状態は、入射波の偏光に応じて異なる透過率を伴う異方性応答を特徴としますが、閉パターンと開パターンは、単位セルの 4 つの線および 4 回回転対称性により実質的に等方性です。 本研究では、特に後者の等方状態の応答に焦点を当てます。

平面内でテッセレーションすると、ユニット セルのジオメトリは 2 方向で隣接するユニット セルと結合するため、ユニット セルの数に関係なく、安定状態の数は同じままになります。 ムービー M2 は、スター メタサーフェスの再構成プロセスを示しています。 この構造は、閉じた状態と開いた状態でのみ幾何学的に互換性があります。 図 1f は、3 × 3 ユニットの星形メタシートのレーザー カット プロトタイプを示しています。 かなり薄いゴムシートから構造物を切り出したため、ビデオでは面外変形が発生する傾向があることに注意してください。

構造の双安定性を調査するために、非線形有限要素 (FE) 解析が実行されました。 シミュレーションは、自己接触が存在する場合の収束を改善する適度な散逸を備えた ABAQUS 標準陰的ダイナミクス ソルバーを使用して実行されました。 ゴムシートの超弾性特性にはネオフック法を使用し、幾何学的非線形性を考慮しました。 モデルは CPS8R と CPS6 で離散化されました。 単一単位セル モデルの場合、周期的な境界条件が適用されました。 通常の動作のハードコンタクトを備えたモデルには、簡略化された接触則が割り当てられました。 設計された機械的メタマテリアルの応答に対するさまざまな幾何学的パラメータの役割をさらに調査するために、ABAQUS の Python スクリプト インターフェイスを使用してパラメトリック モデルが作成されました。 三角形パターンの場合、単位セルの長さと幅は両方とも lt = 16 mm、厚さは 2.3 mm、カットの幅は 0.2 mm、α = π/4 です。 前述したように、構造の多重安定性は主にたわみヒンジの弾性によって寄与され、これはこれらのヒンジ t の寸法に大きく依存します。 双安定性に影響を与える要因を検証するために、水平方向の一軸の長さの変化（変位荷重）下での単位セルの応答をシミュレートし、同時にその反力 F と工学的ひずみ e（元の長さにわたる長さの変化として定義）を追跡しました。単位セル。 t/lt = 0.031、0.034、0.038 の 3 つのケースがそれぞれ考慮されました。 図2aに示すように、力-ひずみ曲線は非常に非線形であり、t / lt = 0.031および0.034の場合、反力はゼロ未満に低下し、その後正の値に戻ります。 この現象は、伸縮力がかからなくても構造が取り得る安定した位置が多数存在することを示しています。 t/lt = 0.038 の場合、F は常にゼロより大きく、中間の安定位置が存在しないことを示します。 したがって、t を調整することで、構造の安定した位置をプログラムできます。 さらに、t が大きいほど、シートを展開するために必要な伸長力が大きくなります。 図 2b の t/lt = 0.034 の単位セルのミーゼス応力の分布は、高い応力が主にヒンジに局在し、構造の残りの部分の変形がほとんど無視できることを示しています。これは次の仮定と一致しています。三角形の部分は運動学的に剛体として扱うことができます。 ゴム彫刻可能なゴム プロトタイプの場合、t は t = 0.55 mm (t/lt = 0.034) として選択されました。

双安定性解析。 (a、b) 三角形パターンの有限要素シミュレーション。 (c,d) スター パターンの有限要素シミュレーション。

両方のカット パターンの双安定挙動を詳細にさらに最適化するために、両方の構造の単純化された弾性エネルギー モデルを構築しました。このパラメトリック解析は補足資料 S2 で提供されています。 エネルギー モデルは、ヒンジの寸法が異なるとメタマテリアルの双安定性に異なる影響を与えることを示しています。

星型モデルも同じ方法で解析されます。 単位セルの長さと幅はどちらも ls = 14 mm、β = 24°です。 ヒンジの寸法を s として設定し、s/ls = 0.028、0.039、0.050 とします。 単位セルの四隅に均一な水平および垂直変位荷重がかかった状態での星形単位セルの応答をシミュレーションし、その反力 F と工学的ひずみ e を追跡しました。 図 2c に示すように、反力はゼロ以下に低下し、s/ls = 0.028 および 0.039 では正の値に戻ります。 三角形の各ペアの展開は、三角形パターンの展開と同様です。 s は構造の多重安定性に大きな影響を与えます。 s が小さいほど、双安定動作となる可能性が高くなります。 ただし、展開を数回繰り返すとピース間の接続が脆弱になるため、 を小さくしすぎることはできません。 中間の安定位置を得るために必要な最小 s は 0.5 mm (s/ls = 0.036) であるため、レーザー彫刻可能なゴム プロトタイプでは s = 0.55 mm (s/ls = 0.039) を選択しました。 図 2d は星型単位胞内のミーゼス応力の分布を示しており、応力はやはり主にヒンジに局在しています。

星型ヒンジの寸法とアーム角度 β の影響も、補足資料 S2 で構造安定性について調査されています。 幾何学的に β が小さいと、構造がより広範囲に展開できるようになり、大きなスナップスルー力が必要となる幾何学的不一致が増加します。

補足資料 S2 では、レーザーカットモデルの引張試験も実証されており、数値結果と一致しています。

再構成可能で調整可能な半波長ダイポールは、多安定切り紙構造、特に図1aに示す三角形切り紙の潜在的な応用として提示されています。 このアプリケーションは明らかに、伸縮要素を備えた古典的な調整可能な半波長ダイポール アンテナからインスピレーションを得ています33。 伸縮ダイポール概念の高度な電子バージョンが、最近、p 型領域と n 型領域の間に順方向電圧を印加することによって素子が「活性化」され、高い導電率を達成する pin ダイオードアレイ構造の形で提案されています 34。 アンテナの動作周波数は、順バイアスされる pin ダイオード セルの数を変更することによって再構成されます。これには、チョーク インダクタとデカップリング キャパシタンスを備えたバイアス ラインを各アンテナ要素に接続する必要があります。 この構造の欠点の 1 つは、高い順方向バイアスによるダイオード内の発熱と、DC バイアス線などの金属要素との放射干渉です。 周波数調整可能な半波長ダイポール アンテナの実現に関する別の最近の研究では、電気的に作動する液体金属ピクセルのアレイの使用が提案されています 35。

この研究では、ダイポールアームを形成する薄い金属化層で覆われた切り紙ゴムストリップの延長を変えることによって、ダイポール応答の調整が実現されています。 完全に閉じた2枚の切り紙ストリップによって作られたダイポールを、切り紙パターンの2列のそれぞれに開いた6つの単位セルを特徴とするサンプル構成とともに図3aに示します。 分析された他のサンプル双極子構成では、双極子は、切り紙パターンで開いた 2 つおよび 4 つの単位セルに対応する中間の拡張部を特徴としています。 ダイポールアームを形成する切り紙ストリップには合計 9 つの単位セルが含まれているため、原理的にはより長い長さに拡張することができます。 注目に値するのは、星型切り紙パターンを使用することで、同様のアプローチを適用して周波数再構成可能なマイクロストリップ パッチ アンテナを実現できることです。

(a) 実現された双極子モデルのスケッチ。 (b) 測定セットアップのサンプル プロトタイプ。 (c) サブ図 (a) に示す可変拡張のサンプル構成における調整可能なダイポールのシミュレーションおよび測定された反射係数。 (d) シミュレーションされた調整範囲と測定された調整範囲の比較。

概念実証用の双極子は、ゴムシートにアルミ箔を貼り付け、ゴムシートにレーザーで刻印された切り紙パターンに従ってアルミ箔を切断するだけで実現されました。 例を図 3b に示します。ここでは、ダイポールが 50 オームのインピーダンスを持つ硬質同軸ケーブルによって直接給電されていることもわかります。

サンプル双極子の応答は、ベクトル ネットワーク アナライザー (VNA) で測定された反射係数 Γ を観察することによって特徴付けられています。 測定値と比較するために、双極子の反射係数も CST Microwave Studio (MWS) でシミュレーションされました。ここでは、実際の構造が伸ばされたときに示す可能性がある切り紙パターンの変形のない理想的な幾何学的構成が想定されており、短いセクションが示されています。ダイポールに給電するための 50 オームの同軸ケーブルがモデルに含まれています。 4 つのサンプル構成におけるダイポールのシミュレートおよび測定された反射係数が図 3c に表示されます。 観察された周波数範囲は、双極子の基本 (最低周波数) 共振を示します。 測定値から推定された共振周波数は、対応するシミュレーション データと非常によく一致しています。 シミュレートされた曲線には存在しない、測定された反射係数の一部の振動は、ノイズまたは VNA の校正における残留不正確さが原因である可能性があります。 開いた単位セルの数を増やすことにより、ダイポールアームを形成する切り紙ストリップが伸びるにつれて、共振周波数が下方にシフトしていることがわかります。 その結果、ダイポールの基本共振は、調整可能な範囲の中心周波数に対して約 30% の調整可能な帯域幅に相当する約 0.52 ～ 0.38 GHz に調整できます。 一方、ダイポールの部分帯域幅はわずかに縮小するだけです。 シミュレーションに基づくと、共振時の放射パターン (ダイポール アンテナの標準パターンであるため報告されていません) は、考慮されたすべてのダイポールで実質的に同じままです。 代替双極子構成のシミュレーションにより、双極子アームを形成する切り紙ストリップに沿った開放単位セルの位置は双極子応答に実質的に影響を及ぼさず、開放セルの数と双極子の全体的な広がりによってのみ影響されることが示されました。腕。

可変数の開放単位セルの基本共振におけるダイポール アンテナを特徴付ける主な幾何学的および電気的パラメーターを表 1 にまとめます。切紙ストリップの各列の開放単位セルの数に対するダイポール共振周波数の傾向、結果として得られる表 1 に示したさまざまなダイポールの物理的拡張の例を図 3d に示します。ここには、いくつかの追加のダイポール構成のシミュレーション結果も含まれています。 これらの追加データを考慮すると、ダイポールの調整可能な帯域幅は、調整可能な範囲の中心周波数に対して約 35% に達します。

この研究で導入された周期的多重安定切り紙パターンは、機械的に再構成可能な周波数選択面 (FSS) の実現にも適しています。 FSSは、切り紙パターンがカットされたゴムシートの片面に導電性/金属層を作成することで実現できます。 別の選択肢は、高誘電率材料で切り紙構造を形成することである。 この作業では、前者のアプローチに焦点を当てます。 適切なメタライゼーションで覆われると、切り紙メタサーフェスは、それぞれの安定状態で特定の透過率および反射率スペクトルを示す FSS として動作します。 したがって、FSS の EM 応答は、メタライズ層が変形プロセス (伸張と圧縮) に耐えることができ、特に導体の接続が、特に三角形を形成する三角形の間の薄い靭帯を通じて維持されるという条件で、切り紙パターンの機械的変形を通じて再構成できます。切り紙メタサーフェス。 両方のメタサーフェスを短期間で繰り返し展開できることをテストしました (補足資料 S2)。

切り紙パターンを作成するカットの幅が有限であるため、FSS が閉じているとき、通常、FSS は均一な導電性スクリーンとして機能せず、その向こう側の半空間への放射線の透過を阻止します。カットの特定の長さ、幅、方向に関連する独特の共鳴反応。 ただし、以下に示すように、元の切り紙パターンを簡単に変更することで、オン/オフの切り替え可能なバイステート FSS 応答を実現することができます。

提案された再構成可能な切り紙 FSS の概念を説明するために、水平方向 (lt = 12 mm) にのみ伸縮できる小さな三角形で形成された単位セルを持つメタサーフェスを検討することから始めます。 前述したように、この切り紙周期パターンは、機械的に変形可能なパターンを実現するために使用されるゴムシートの上に導電層を適用することによって、再構成可能な異方性 FSS に容易に変えることができます。 この構造は、調整可能なダイポール アンテナに見られるように、展開される列の数に応じてさまざまな構成を想定できますが、FSS アプリケーションでは、完全に閉じた状態と完全に開いた状態に焦点を当てます。

金属化された閉じた三角形の切り紙メタ表面と開いた三角形の切り紙メタ表面によって形成された FSS の EM 応答は、二重周期境界条件を持つ切り紙パターンの単一単位セルを使用して CST MWS でシミュレートされました。 標準的な低コストのプリント回路技術を使用してシミュレーションを検証することを目的としているため、導電層は厚さ 0.035 mm の純銅シートで形成されていると仮定します \((\sigma_{Cu} = 5.96 \times 10^{7 } {\text{ S/m}})\) を \(\varepsilon_{r} = 4.3\) および \(\tan \delta = 0.025\) を備えた RF ラミネートの上に配置 (ガラス強化エポキシ、FR4) ）。

概念実証として、変形可能な FSS の閉じた状態と完全に開いた状態のリジッド PCB バージョンを開発しました。これを図 4a に示します。 製造された FSS は、その透過特性を測定することによって特性評価されました。 測定セットアップの実際の写真を図 4b に示します。 標本はすべて 20 cm × 20 cm の寸法で、2 つの広帯域ホーンの間に配置された金属フレームに取り付けられ、ベクトル ネットワーク アナライザー (VNA) に接続されました。 フレーム窓による回折は、サンプルを使用せずにフィクスチャの特性を評価することによって最初に校正されました。 これらのテストでは寄生反射は検出されませんでした。 水平偏光と垂直偏光の両方について測定された透過率は、それぞれ図4c、dの対応するシミュレーション結果と重ねられています。 特に FSS の基本共振付近で、測定とシミュレーションの間の一致が良好であることがわかります。 興味深いのは、このタイプの切り紙 FSS が閉じた状態にあるとき、開いた構成が同じ偏波に対して基本通過帯域共振を示す周波数では垂直偏波の入射場に対して実質的に不透明であるのに対し、同じ偏波に対してはその逆が起こることです。垂直偏波。 特に、図4cのグラフから、閉じた状態のFSSは、水平入射偏波に対しては約6 GHzで完全透過の基本共振を示しますが、垂直偏波に対しては実質的に共振として動作することがわかります。同じ周波数の完全な反射体。 一方、FSS が完全に開いた状態に展開されると、両方の偏波が反射されます。これは、この構成の垂直偏波の入射波に対する最初の共振が高周波数で発生し、低周波数領域では透過が無視できるためです。 言い換えれば、この三角 FSS の低周波数での応答は、完全反射型から透過偏光子の応答に機械的に切り替えることができます。

(a) FSS 標本。 (b) 実験のセットアップ。 (c) 水平偏光入射波および (d) 垂直偏光入射波に対する、閉じた構成および完全に開いた構成における三角形の切り紙 FSS の透過率の測定およびシミュレーション。 (e) 星型切り紙 FSS の閉じた構成と完全に開いた構成での測定およびシミュレートされた透過率。 (f) ユニットセルの挿入図に示すように、小さな金属ノッチまたは小さなバネを導入してスターパターンを変更することで得られる、オンオフ切り替え可能なFSSのシミュレーション。これらは、ユニットセルを定義するカットに対応するスロットの短絡として機能します。閉じた構成では切り紙パターンが存在しますが、FSS が引き伸ばされて開いた状態では、その存在は実質的に影響を及ぼしません。

提案された再構成可能な切り紙 FSS の概念は、8 つの小さな三角形に接続された四芒星によって形成された単位セルを持つ切り紙メタサーフェスの上に導電層を追加することによって作成された FSS の例によってさらに説明されます。 「スター パターン」セクションで示したように、このパターンが平面内でテッセレーションされる場合、特に等方性の開いた状態と閉じた状態の応答に焦点を当てます。 三角形切り紙 FSS に関しては、星形 FSS の再構成可能性を検証するために、これら 2 つの安定した星形切り紙構成の静的 PCB バージョンを作成しました。 図 4a に示すプリント回路 FSS プロトタイプは、厚さ 0.035 mm の銅クラッドを備えた標準的な厚さ 1 ～ 6 mm の FR4 ラミネートを使用して製造されました。

これらの FSS のシミュレーションは、解析領域を切り紙パターンの単一の単位セルに縮小するために、CST MWS の二重周期境界条件に頼ることによって再度実行されました。

閉じたスター パターンと完全に開いたスター パターンは等方性であるため、1 つの入射偏光での透過率のみを調べる必要があります。 同様に、単一の入射偏光に対する透過係数を測定することによって PCB 試験片の特性を評価しました。 測定は、三角切紙FSSに使用された図4bと同じセットアップを備えた無響室で行われました。

測定された透過係数は、対応するシミュレーション結果と重ねて図4eに示されています。 明らかなように、基本共振付近とより高い周波数の両方で、測定とシミュレーションの間には良好な一致があります。 切り紙ユニットセルが閉じている場合、FSS は約 6.7 GHz で基本通過帯域共振を示しますが、開いたパターンでは共振が 7.8 GHz で発生します。 言い換えれば、原理的には、状態の変化は各 FSS 通過帯域の周波数での送信の実質的な減衰をもたらさないにもかかわらず、切り紙構造を機械的に変形することによって FSS 基本通過帯域応答の周波数の 15% シフトを得ることができます。 。

全体として、実際の有限サイズの FSS サンプルのこれらの測定は、対応する理想的な無限周期構造のシミュレーションに基づく予測を裏付け、変形可能な切り紙パターンが電子部品に依存しないまったく新しいクラスの再構成可能な FSS を可能にする可能性を秘めていることを証明しています。手術。 しかし、このコンセプトを実際に実現するには、レーザーカッターを使用して切り紙を作製するレーザー加工可能なゴムシートの上にメタライゼーションを直接適用し、その過程で構造の変形可能性を維持する必要があります。

図4eに示すように、星型切り紙FSSが閉じているとき、それは放射線がその向こうの半空間に透過するのを阻止する均一な導電性スクリーンとしては機能しませんが、スロットの構成に関連する共振応答を示します。切り紙の模様を作る切り込みに対応する金属層。

元の開始切り紙パターンを簡単に変更することで、バイステートのオン/オフ切り替え可能な FSS 応答を実現できます。 そのアイデアは、図4fの挿入図に表示されている修正された星型単位セルに示されているように、切り紙パターンのエッジに沿って小さな金属ノッチの規則的な分布を導入することです。 閉じた状態では、これらのノッチは切り紙パターンのカットに対応する金属スクリーンのスロットを短絡しますが、開いたパターンはノッチの存在によってほとんど変更されません。 閉じた構成における修正スター型FSSのシミュレートされた透過係数と反射係数を図4fに示します。 明らかなように、さまざまなスロットの実際の長さは元の対応する長さの半分未満であるため、短絡の効果は、閉じた状態の周期的なスロット パターンに関連する基本共振の周波数を上方にシフトすることです。パターン。 このようにして、対象の周波数範囲における透過率のレベルが大幅に減少します。 このアプローチは実際に、バイステートの機械的に切り替え可能な FSS を実現するために使用できます。FSS は、開いたパターンが通過帯域共振を示す周波数で、閉じた状態では入射場に対して実質的に不透明になります。

変形可能な切り紙パターンからインスピレーションを得た新しい種類の電気機械メタマテリアルが、複数の電磁用途向けに開発されました。 構造のトポロジーは、その多重安定性により動的に調整し、いくつかの異なる構成にロックすることができます。 安定した構成ごとに、メタマテリアルの単位セルは異なる共振特性を示し、これを調整可能なダイポールや FSS などのアプリケーションに利用できることが示されました。 これらのタイプの構造はどちらも、切り紙パターンがカットされたゴムシートの片面に電気的に連続した導電層を適用すること、および構造がその EM 応答を再構成するために機械的変形を受ける間、セル間の電気的連続性が維持されることを必要とします。 。 これは、切り紙パターンを形成する要素間の屈曲ヒンジとして機能する薄い靭帯が変形中に曲げられ、圧縮されるため、非常に困難です。

概念実証のために、さまざまな構成の変形可能 FSS の静的 PCB バージョンを開発しました。一方、調整可能なダイポール サンプルにはゴム シートに取り付けられた柔軟なアルミニウム フォイルを使用しましたが、これは数回変形すると亀裂が発生する傾向がありました。 実際には、提案されている切り紙にヒントを得た EM 構造を動作させるには、繰り返しの機械的伸長と圧縮に耐えることができる伸縮性の導電面が必要です 36。 近年、ヘルスケア、ウェアラブル、ロボット工学向けの大面積伸縮センサーおよびアクチュエーター ネットワークに不可欠なコンポーネントである弾性導体の開発が大幅に進歩しました。 フレキシブル導体を実現するための一般的なアプローチの 1 つは、エラストマーと金属ナノ粒子を混合することです。 柔軟性と良好な電気的性能を実現するために、多くの新規ナノ材料が研究されてきました。 銀ナノ粒子、ナノワイヤ、ナノフレークなどの銀ベースのナノ材料は、伸縮性導体に使用するための有望な候補であることがわかっています 37、38、39。 同様に、金ナノ構造で作られた伸縮性の高い導体も報告されています 40,41。 伸縮性導体の開発における重要な進歩のより詳細な概要は、42 に記載されています。

伸縮性エレクトロニクスを実現するもう 1 つのアプローチは、剛性のアクティブ デバイス アイランドと伸縮性のある相互接続 (in43、44 など) を使用することです。 同様に、私たちの切り紙構造では、ゴム基板の上部に切り離された硬い金属パッチの周期的なパターンを導入し、フレクシャヒンジの周囲のゴム表面の小さな部分を裸の状態、つまり金属被覆なしのままにしてから、孤立した金属を接続することができます。単純にワイヤ間にワイヤをはんだ付けするか、他のタイプのフレキシブルな相互接続を適用することで、パッチを作成できます。 提案されている EM 再構成可能な切り紙デバイスの実現に関する技術的側面については、この研究の範囲を超えており、今後の出版物で取り上げられる予定です。

この論文の焦点は、パラメトリック解析とエネルギーモデル構築の両方によって、開発された切り紙パターンの安定した構成をプログラムできることを示すことにありました。 パターンパラメータと電磁性能との関係が調査され、テストされています。 運動学ベースの設計ツールを利用することで、大きな変形範囲を持つさまざまなモーフィング構造を作成できますが、検討すべき大きな設計空間がまだ残っています。 同様に、電気機械メタマテリアルの形状バリエーションは、次世代の無線通信システム、リモートセンシング、生物医学用のウェアラブルエレクトロニクスで必要とされる、調整可能なアンテナ、フィルタ、その他のコンポーネントの電気的特性と電磁応答の幅広い調整範囲を提供します。アプリケーション。

すべてのデータは本文または補足資料で入手できます。

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著者らは、PCB プロトタイプの製作に協力してくれた Paul Pattinson に感謝したいと思います。

この研究は、助成金 EP/N010493/1 (「RF、マイクロ波、および THz アプリケーションのための 3-D メタマテリアルの合成」) の下で英国工学および物理科学研究評議会によって部分的に支援されました。 ZY は空軍科学研究局 (FA9550-16-1-0339) のご支援に感謝いたします。 YY は、オックスフォード大学のクラレンドン奨学金に感謝しています。

これらの著者、Yunfang Yang と Andrea Vallecchi も同様に貢献しました。

オックスフォード大学工学部、パークス ロード、オックスフォード、OX1 3PJ、英国

ヤン・ユンファン、アンドレア・ヴァレッキ、エカテリーナ・シャモニーナ、クリストファー・J・スティーブンス、ゾン・ユー

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YYは、切り紙文様の設計、試作、機械的性能の解析・実験、原稿の起草・修正を行いました。 AV は、調整可能なダイポールと周波数選択面のアプリケーションを提案および開発し、電磁解析と実験を実施し、プロトタイプを製造し、原稿を起草および改訂しました。 ES は研究を監督し、原稿をレビューしました。 CJS と ZY が研究を開始および監督し、原稿をレビューしました。

Ekaterina Shamonina、Christopher J. Stevens、または Zhong You との通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足ビデオ1.

補足ビデオ2.

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転載と許可

Yang、Y.、Vallecchi、A.、Shamonina、E. 他。 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。 Sci Rep 13、1219 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-27291-8

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受信日: 2022 年 8 月 9 日

受理日: 2022 年 12 月 29 日

公開日: 2023 年 1 月 21 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27291-8

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