Advanced Optical Materials:基于3D打印和柔性印刷板技术的多功能透射共形超表面

物联网的出现使得许多民用和军用的设备必须具备多维信息感知能力,这就需要在平台上安装不同频率和功能的传感器用来支持特定电子设备,新型机载平台一般多达几十个天线,大量外露的天线(阵列),不仅会破坏高速飞行载体的空气动力设计,还会急剧增大载体的雷达散射横截面,极大降低了电磁隐身性能。该背景需求牵引了两大技术发展:一是共形技术,如共形天线,由于能够与载体完美贴合,不会破坏载体的空气动力学特性,一直备受关注;二是多天线集成或多功能集成技术,它是未来智能通讯系统的重要发展趋势。

超表面由于可以超薄以及对电磁波极化、频率和波束的灵活操控能力在在军事、航天和通信领域共形天线设计中拥有重要应用前景。随着超表面电磁波操控机制日趋成熟以及共形集成技术的军、民用迫切需求,必定会加速超表面在复杂共形多功能载体上的大规模应用。目前,共形超表面主要集中于反射领域以及电磁隐身实现,而关于应用更为广泛的透射共形超表面鲜有报道。主要技术瓶颈在于透射超表面往往需要多层结构来实现高透和360度相位调控,这给共形设计和后期加工实现带来诸多困难。另外,在曲面共形平台上集成多个功能具有很大挑战,尤其需要考虑功能互扰等电磁兼容问题。

针对这一问题,空军工程大学许河秀课题组(王光明团队)联合新加坡国立大学仇成伟课题组,基于3D打印和柔性印刷板技术,提出了一种基于多扇区超表面的多功能集成方法。基于三层金属透射结构(上、下层正交光栅结构和中间层极化转换结构)设计的超表面单元在8-14GHz宽频范围内实现了高效交叉极化转换和360度透射相位调控,同时课题组巧妙地将中间曲面介质层采用工程树脂ABS材料打印成形,而对金属结构采用柔性印刷板技术加工并与曲面树脂共形成一体,实现了多层透射体系的共形设计。然后,课题组基于前期共形超表面补偿设计方法(He-Xiu Xu, Photonics Research, vol. 6 no. 7, 782-788, 2018)对各扇区超表面进行相位补偿,实现了特定透射功能。最后在此基础上,课题组将抛物相位、涡旋相位和V型线性相位分别设计在圆柱超表面的四个四分之一扇区上,将各扇区组装成一个完整圆柱面并采用全向单极子天线进行激发,实现了高定向性辐射波束,1阶、2阶涡旋波束以及俯仰面双辐射波束的四功能集成。

此项研究为共形多功能器件设计提供了新的思路,尤其是为透射共形天线和器件设计提供了准则,具有参考意义。工作得到了中国科协军事青托计划、国防科技项目基金、国家自然科学基金、陕西省自然科学基金重点项目以及空军工程大学校长基金重点项目的支持。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.202000129)上,第一作者为空军工程大学李海鹏博士(现为国防科技大学信息通信学院讲师),新加坡国立大学胡光维博士为论文共同第一作者。