一种可连续重新配置的液态金属超表面，用于实现宽带且不受极化影响的电磁波前操控

《Applied Materials Today》：Continuously reconfigurable liquid metal metasurface for wideband and polarization-insensitive electromagnetic wavefront manipulation

液态金属微流体交叉单元结构实现宽频带（5.8-11 GHz）连续幅度（-0.88 dB至-18.75 dB）和频率重构，具备极化无关特性及非易失性状态保持能力。

　　

李萍|杨天添|李一帆|高旭|张大丽|严梦|臧金亮|龚淑希|王伟|徐诺

北京机械设备研究所，中国北京100854

摘要

本文提出了一种基于液态金属微流控技术的偏振无关、宽带可重构电磁超表面，能够同时实现波前散射幅度和频率的控制。该超表面采用十字形单元格设计，通过压力驱动液态金属在对称微通道中的流动，可以在单个单元格和编码子阵列层面实现动态重构，从而在6-11 GHz频段内实现超过200°的连续相位调制。该超表面制造在高度弹性的聚合物基底上，模块化的子阵列设计便于大规模应用的同时保持结构完整性。实验结果表明，每个子阵列通过单端口控制实现连续重构，并具有非易失性状态保持能力；对称的微流控网络确保了液态金属流动的精确同步、优异的可逆性、空间均匀性和操作过程中的对称性。全波模拟和电磁反射测量展示了该超表面的卓越动态控制能力，包括在5.8-11 GHz频段内实现-0.88 dB至-18.75 dB的连续幅度调制（占带宽的88%），近乎实时的编码序列重构，以及操作带宽和共振频率的动态调节。该设计在正交偏振下保持偏振无关性，并能够实现金属反射状态与漫反射状态之间的连续转换。这些进展为开发低成本、高敏捷性的宽带多功能电磁系统开辟了新的途径。

引言

电磁超表面通过亚波长级人工单元的设计，实现了对电磁波属性（如相位、幅度和偏振）的前所未有的操控[[1], [2], [3]]，超越了天然材料的限制。然而，传统超表面在制造后具有静态的操作特性，无法适应动态需求。这一限制促使了可重构超表面的发展，这类超表面结合了响应性材料和外部刺激来动态操控电磁波[[4], [5], [6]]。由于其动态可重构性，这类超表面在智能通信[7,8]、自适应散射控制[9]和神经形态计算[10,11]等领域展现出巨大的潜力。

目前最先进的重构机制主要采用半导体器件（如PIN二极管[12,13]或变容二极管[14,15]）、功能材料（如液晶[16]、相变材料[17,18]和石墨烯[19,20]）以及微机电系统[21]。每种方法在调谐速度、功率效率和操作带宽方面都存在不同的性能权衡。传统可重构超表面通过有效调节介质参数（即ε或μ的变化）来调制电磁响应，而不需要进行物理重构。然而，基于镓的液态金属合金和微流控技术的最新突破使得可编程流体架构成为可能，从而物理上重构了金属几何结构，克服了传统设计的刚性限制。

液态金属超表面通过基于微流控的电长度调节引入了一种新的波前控制机制，具有制造简单、非易失性状态保持和适用于米级应用的可扩展性等优点。这种方法解决了固态可重构超表面的长期局限性，特别是在实现宽操作带宽、连续电磁特性调节和结构适应性方面[23,24]。例如，严等人[25]展示了一种可重构的超表面，该超表面由周期性排列的液态金属环谐振器组成，通过重构单个谐振器的几何形状（形状和方向）可以动态控制其光学特性。利用液态金属微流控技术调整散射电磁波的相位分布，实现了动态异常反射[26]。类似地，一种采用亚波长厚度的可重构C形谐振器的逆反射超表面能够在不同入射角度（10°、12°、15°和20°）下实现自适应逆反射。吴等人[27]提出了一种基于Galinstan超表面的宽带、宽角度、多功能偏振转换器，通过主动调节单元格实现了反射波的线性、圆形或椭圆形偏振转换。梁等人[28]展示了一种通过注射实现频率重构的3D打印液态金属吸收器，而林等人[29]报道了一种具有离散状态切换的宽带偏振无关吸收器。在初步研究中，我们[30], [31], [32]提出了几种实现动态电磁波衰减和雷达截面积（RCS）减小的液态金属超表面。然而，现有的液态金属超表面研究主要集中在频率调制、离散状态波吸收和反射幅度调节上。因此，需要进一步研究以实现精确的偏振无关波前散射控制以及有效的操作带宽调节。

在这项工作中，我们提出了一种基于动态控制十字形液态金属单元的连续可重构液态金属超表面（CRLMM）。图1展示了所提出的CRLMM，它由多个微流控子阵列组成。每个子阵列在微流控芯片内集成3 × 3的十字形液态金属单元。通过独立的压力控制，每个子阵列可以实现对称、可逆且一致的几何重构。该系统通过N位编码子阵列配置，实现宽带散射场模式、幅度和频率的调制。实验测量和仿真结果表明，在5.8-11 GHz的宽频段内（占带宽的88%），散射幅度可以连续动态调节至-0.88 dB至-18.75 dB。值得注意的是，该超表面在HH和VV偏振状态下都能保持一致的性能。

部分摘录

超表面单元格设计

图2a展示了所提出的偏振无关的连续可重构超表面单元格，采用对称的19 mm × 19 mm十字形结构。这种创新设计用基于镓的液态金属合金替换了传统的固态金属元件，通过压力控制的微流控驱动实现几何和电磁的动态重构。本研究中使用的液态金属是Galinstan（68.5 wt.% Ga、21.5 wt.% In和10.5 wt.% Sn）。

结论

本文提出了一种通过微流控技术实现的连续可重构液态金属超表面，该超表面通过热压和粘合高度弹性聚合物材料制成。通过仿真和实验验证，CRLMM展示了宽带、偏振无关的性能，并能够连续调节波前电磁散射幅度和频率。CRLMM单元包含可变截面的微通道，

CRediT作者贡献声明

李萍：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，方法论，研究，资金获取，概念化。杨天添：验证，方法论，研究，正式分析，数据管理。李一帆：撰写 – 原稿，可视化，软件开发，研究，正式分析，数据管理。高旭：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，研究，数据管理。张大丽：