재구성 가능한 전자기 시스템을 위한 새로운 종류의 변형 가능한 키리가미 메타물질

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1219(2023) 이 기사 인용

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무선 주파수(RF) 부품의 급속한 발전에는 환경에 따라 물리적 형태와 특성을 조정할 수 있는 스마트 다기능 소재가 필요합니다. 대부분의 현재 재구성 가능 시스템은 높은 제조 비용으로 제한된 유연성을 제공하지만, 이 연구에서는 반복적으로 변형하고 다양한 구성으로 고정할 수 있는 키리가미에서 영감을 받은 다중 안정 기계 메타표면의 변형 가능한 특성을 활용하여 새로운 종류의 저비용 재구성 가능한 전자기 구조를 실현할 것을 제안합니다. 넓은 디자인 공간. 메타표면은 서로에 대해 회전하면서 조정 가능한 공진 전자기(EM) 특성을 제공할 수 있는 금속 코팅으로 운동 기반 단위 셀을 설계하여 형성됩니다. 패턴의 절단 길이와 기하학적 매개변수를 조정하여 다양한 구성의 토폴로지와 모양을 프로그래밍하는 방법을 보여줍니다. 구조적 다중 안정성에 대한 중요 매개변수의 영향은 단순화된 에너지 모델과 유한 요소 시뮬레이션을 통해 설명됩니다. 실현할 수 있는 재구성 가능한 전자기 장치의 예로 조정 가능한 반파장 쌍극자와 등방성 및 이방성 응답을 특징으로 하는 두 개의 주파수 선택 표면(FSS) 설계의 개발을 보고합니다. kirigami 쌍극자는 기계적으로 팔을 늘려 조정할 수 있지만 FSS는 kirigami 패턴 안정 상태 각각에서 뚜렷한 투과율 및 반사 스펙트럼을 나타냅니다. 이러한 kirigami 장치의 기능은 전파 EM 시뮬레이션과 실험을 통해 검증되었습니다. 제안된 변형 가능한 구조는 주파수의 EM 응답을 조정하거나 파동 전파를 위한 이방성을 유도하기 위해 기계적으로 작동될 수 있습니다.

무선 통신의 확장과 고급 무선 서비스의 다양성 증가로 인해 다양한 무선 액세스 기술 전반에 걸쳐 원활한 사용자 이동성을 지원할 수 있는 재구성 가능한 전자기(EM) 시스템에 대한 수요가 증가했습니다. 다중 표준 송신기 및 수신기 아키텍처를 설계하는 주요 구성 요소 중에는 조정 가능한 안테나와 재구성 가능한 FSS(주파수 선택 표면)가 있습니다. 대부분의 조정 가능한 안테나 및 FSS 설계에서는 핀 다이오드 및 MEMS(Micro-Electromechanical Switch)와 같은 스위치를 사용하여 FSS의 단위 셀 또는 안테나의 전류 패턴을 변경하거나 구조에 버랙터 다이오드를 제공함으로써 재구성 가능성이 달성됩니다. 가변 전압 제어 커패시턴스1,2,3,4. 그러나 이러한 능동 구성 요소를 구동하는 데 필요한 바이어싱 및 제어 회로는 시스템의 복잡성을 증가시키고 추가 전도 손실을 발생시키는 것 외에도 간섭 및 반사의 원인이 될 수 있으므로 특히 고주파수에서 전체 성능 저하에 기여합니다. .

최근에는 기계적 변형을 기반으로 전자기 부품의 응답을 조정하는 새로운 접근 방식이 제안되었습니다. 5에서 개발된 전면 및 측면 입사에서 서로 다른 대역 저지 응답을 갖는 세라믹 공진기로 구성된 FSS에서는 세라믹 공진기의 방향을 기계적으로 변경함으로써 두 개의 인접한 저지대 사이에서 응답을 재구성할 수 있습니다. 특히 흥미로운 점은 형상 모핑 동작을 활용하여 기계적 특성과 유전 특성을 조정할 수 있는 기계적 메타물질 계열입니다. 구조적 유연성이 뛰어난 기계적 메타물질은 밀리미터파에 대한 전자기 손실이 낮으면서도 제조 비용이 비교적 저렴합니다. 이는 차세대 무선 통신 시스템, 5G 이상, 다중 모드 및 다중 대역 애플리케이션 지원10,11,12과 같은 많은 분야에 중요한 재구성 가능한 전자기 구성 요소의 실현을 위한 매력적인 후보가 됩니다. 여러 개의 단일 기능 레거시 안테나를 교체하려면 다기능 재구성 가능 안테나가 필요합니다13,14,15,16. 변형률, 유전 물질 및 액체 특성17,18 및 웨어러블 전자 장치19와 같은 다양한 양의 비파괴적 원격 추출 및 모니터링을 위한 재구성 가능한 센서. 재구성 기능은 인체에 대한 전자 플랫폼의 적응성과 적합성을 높일 수 있으므로 중요한 역할을 할 수 있습니다. 생물의학 기술20,21.