Une nouvelle classe de métamatériaux kirigami transformables pour systèmes électromagnétiques reconfigurables

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1219 (2023) Citer cet article

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Le développement rapide des composants radiofréquences (RF) nécessite des matériaux multifonctionnels intelligents capables d’adapter leurs formes physiques et leurs propriétés en fonction de l’environnement. Alors que la plupart des systèmes reconfigurables actuels offrent une flexibilité limitée avec un coût de fabrication élevé, cette recherche propose d'exploiter les propriétés transformables des métasurfaces mécaniques multistables inspirées du kirigami qui peuvent se déformer et se verrouiller à plusieurs reprises dans différentes configurations pour réaliser une nouvelle classe de structures électromagnétiques reconfigurables à faible coût avec un vaste espace de conception. Les métasurfaces sont formées en concevant des cellules unitaires basées sur la cinématique avec un revêtement métallisé qui peuvent fournir des propriétés électromagnétiques résonantes (EM) réglables tout en tournant les unes par rapport aux autres. En adaptant la longueur de coupe et les paramètres géométriques des motifs, nous démontrons la programmation des topologies et des formes de différentes configurations. L'influence des paramètres critiques sur la multistabilité structurelle est illustrée au moyen d'un modèle énergétique simplifié et de simulations par éléments finis. À titre d'exemples de dispositifs électromagnétiques reconfigurables pouvant être réalisés, nous rapportons le développement d'un dipôle demi-onde accordable et de deux conceptions de surfaces sélectives en fréquence (FSS) présentant des réponses isotropes et anisotropes. Alors que le dipôle kirigami peut être réglé en étirant mécaniquement ses bras, les FSS présentent des spectres de transmission et de réflectance distincts dans chacun des états stables des modèles kirigami. La fonctionnalité de ces dispositifs kirigami est validée à la fois par des simulations et des expériences EM pleine onde. Les structures transformables proposées peuvent être actionnées mécaniquement pour ajuster la réponse EM en fréquence ou induire des anisotropies pour la propagation des ondes.

L'expansion des communications sans fil et la diversité croissante des services sans fil avancés ont entraîné une demande croissante de systèmes électromagnétiques (EM) reconfigurables capables de prendre en charge une mobilité transparente des utilisateurs à travers différentes technologies d'accès sans fil. Parmi les composants clés pour concevoir des architectures d'émetteurs et de récepteurs multistandards figurent les antennes accordables et les surfaces sélectives en fréquence (FSS) reconfigurables. Dans la plupart des conceptions d'antennes et de FSS accordables, la reconfigurabilité est obtenue en modifiant les modèles de courant dans l'antenne ou la cellule unitaire des FSS à l'aide de commutateurs, tels que des diodes à broches et des commutateurs microélectromécaniques (MEMS), ou en chargeant les structures avec des diodes varactor, qui fournissent une capacité variable contrôlée en tension1,2,3,4. Cependant, les circuits de polarisation et de contrôle nécessaires pour piloter ces composants actifs augmentent la complexité du système et peuvent être la source d'interférences et de réflexions, en plus d'introduire des pertes de conduction supplémentaires, contribuant ainsi à la réduction des performances globales, en particulier aux hautes fréquences. .

Récemment, de nouvelles approches pour ajuster la réponse des composants électromagnétiques basées sur la transformation mécanique ont été proposées. Dans le FSS composé de résonateurs en céramique avec différentes réponses d'arrêt de bande sous incidences frontales et latérales développées en 5, la réponse peut être reconfigurée entre deux bandes d'arrêt adjacentes en changeant simplement mécaniquement l'orientation des résonateurs en céramique. Une famille de métamatériaux mécaniques est particulièrement intéressante et peut exploiter le comportement de transformation de forme pour ajuster leurs propriétés mécaniques et diélectriques6,7,8,9. Les métamatériaux mécaniques dotés d'une flexibilité structurelle supérieure peuvent avoir une faible perte électromagnétique pour les ondes millimétriques, tout en nécessitant un coût de fabrication relativement faible ; cela en fait des candidats attractifs pour la réalisation de composants électromagnétiques reconfigurables, qui sont cruciaux pour de nombreux secteurs, tels que les prochaines générations de systèmes de communications sans fil, 5G et au-delà, prenant en charge les applications multimodes et multibandes10,11,12, et donc exigeant des antennes reconfigurables multifonctions pour remplacer plusieurs antennes existantes à fonction unique13,14,15,16. Capteurs reconfigurables pour l'extraction à distance non destructive et la surveillance de diverses quantités telles que la contrainte, les matériaux diélectriques et les propriétés des liquides17,18, et de l'électronique portable19, où les capacités de remodelage peuvent augmenter l'adaptabilité et la conformité de la plate-forme électronique au corps humain et peuvent donc jouer un rôle déterminant pour les technologies biomédicales20,21.