0 引 言
随着无线通信、雷达探测、光学成像及智能天线等技术的快速发展，对电磁波精准调控的需求不断提升。尤其在航天应用领域，受复杂工作环境与严苛系统设计约束的影响，电磁器件对调控精度、结构集成度及功能灵活性提出了更高要求。超表面作为一种二维人工电磁材料，通过设计亚波长尺寸的单元结构，可实现对相位、振幅和偏振态等电磁响应特性的精准调控，因此其在超透镜、偏折器以及隐身材料中显示出巨大的应用潜力[1-3]。然而，传统无源超表面的电磁响应在制备完成后即固定不变，无法适应动态变化的外部环境或多场景应用需求，极大限制了超表面在实际应用中的灵活性与功能拓展[4]。在复杂空间应用场景中，电磁系统往往需要在不同工作状态下调节波前特性，以适应多工况工作的需求。
目前，机械调控超表面的实现方式主要包括微机电系统、柔性基底拉伸以及折纸结构折叠等。微机电系统通过集成微型驱动器件，实现了对超表面结构的精确调控，相关成果涵盖反射率调制器、可变焦超透镜和可调谐吸收器等多种器件，覆盖从可见光到太赫兹等多个波段[20]。柔性基底调控方式通过将超表面结构集成于弹性材料，实现了在拉伸、压缩等形变下的连续可调谐功能，已广泛应用于柔性全息显示、可调焦超透镜等领域，并推动了大面积、可穿戴超表面器件的发展[21-22]。折纸结构通过多级折叠或切割单元的设计，使超表面实现了从二维到三维的结构重构，能够对电磁波的极化、传播方向及相位分布等参数进行多维调控[23-25]。尽管机械调控超表面在器件设计上展示出高度灵活性，但在大变形条件下仍面临电磁响应连续性与高精度调控的挑战[26-27]。因此，设计一种宽范围连续可调、结构稳定且可逆的机械可重构超表面，对于推动其实际应用具有重要意义[28]。
本文提出一种基于三维屈曲组装策略的机械可重构超表面，通过将周期性排列的超原子选择性黏附于双轴预拉伸的柔性基底，并在应力释放驱动下诱导其发生二维到三维的形态转变。相比于传统机械调控方式，本文实现了对电磁波相位、聚焦特性及波前方向的宽范围连续调控。
1 结构设计
如图1 所示，本文提出的可重构超表面由周期性排列的超原子组成，这些超原子可整体实现由二维前驱体向三维结构的转变。具体而言，超原子两端的方形区域黏附于双轴预拉伸的柔性基底上。随着双轴应变的释放，所有超原子均发生较大的z向位移，其中超原子两端的方形黏附区几乎不发生z向变形，而中间的未黏附区则发生明显的屈曲变形，从而实现超表面从二维到三维结构的可重构。在材料选择方面，选择硅酮作为基底的组成材料，其高柔性和超弹性能够确保在大变形条件下结构的可逆重构；超原子则由铜层和聚酰亚胺层复合制备，以防止形变过程中的塑性变形。在未释放基底预应变时（εpre = 100%），超表面的周期常数为P1 = 20 mm；随着应变完全释放，周期常数变为P2 = 10 mm。自由基底和铜层/聚酰亚胺层的厚度分别为2 mm和12 μm/25 μm。超原子的其他设计参数如下：整体长度为l1 = 11 mm，两端黏附区的边长为w1 = 1.0 mm，中间未黏附区的长度和宽度分别为l2 = 9 mm和w2 = 0.4 mm。
2 结果讨论
为了定量研究所设计超表面的力学行为，本文采用ABAQUS有限元分析软件对其整体变形过程进行分析。由于超表面的周期性特征，单个超表面单元的变形模拟可代表整体变形规律。首先，将以杂化六面体单元网格划分的自由基底拉伸至100%应变，以变形后的基底网格与节点应力作为初始状态，构建超表面单元的下一阶段变形模型。随后，将超原子依次选择性黏附于基底，最终通过释放基底预应变来实现超原子从二维到三维的结构转变。本文采用Mooney-Rivlin模型描述基底的超弹性本构关系。铜和聚酰亚胺（Polyimide，PI）的杨氏模量分别为119.0 GPa和2.5 GPa，泊松比均为0.34。图2 为有限元分析模拟的超原子变形过程中的应力分布。模拟结果表明，应力主要集中于未黏附区域上，而黏附区域仅发生微小变形，这是由于铜和硅酮的弹性模量之间相差4个数量级。
为进一步验证形态重构对电磁响应的调制作用，本文通过全波电磁仿真来计算光谱响应，在CST电磁仿真软件中监测空间电场分布。将在ABAQUS软件中模拟得到的超表面单元变形几何导入CST软件，采用圆极化波沿z轴方向照射超表面。其中，铜的电导率设置为5.96×107 S/m，硅酮与PI的复介电常数分别设置为3.1(1 + i0.005 0)和3.5(1 + i0.002 7)。本文对左旋圆偏振透射率分量Tij进行了模拟，其中下标i和j分别表示透射波和入射波的偏振状态，“−”代表左旋圆极化（Left-hand Circular Polarization，LCP），“+”代表右旋圆极化。如图3 所示，二维超表面单元与不同变形状态的三维超表面单元具有相近的同极化透射率（T−−）和交叉极化透射率（T−+），其峰值和谷值对应的频率稳定于9.3~9.6 GHz。
为了研究三维可重构性在电磁超表面中的适用性，本文提出了一种基于超原子几何相位分布的可重构超透镜模型与动态波束偏折模型。在组装这两种模型之前，首先通过调节超原子的转角α，研究交叉极化透射相位随转角α的变化规律。本文以10.0 GHz为参考频率，以5°为旋转间隔，将转角α从0°扫描至180°，并在图3 （c）中展示了不同变形状态的超表面单元的相位响应。结果显示，超表面单元的几何相位随转角α的增大呈线性增大，斜率接近2，符合理论几何相位变化规律Φ = ±2α，揭示了结构可重构性对电磁特性的有效调控能力。
基于超表面的几何相位分析，超透镜模型通过排列单元结构以实现所需的几何相位。在本文中，首先设计了基底预应变为100%的二维超透镜模型，其理论焦距设定为300 mm。根据图4 （a）中计算得到的理论几何相位分布，对40×40个超原子进行周期性排布，从而构建出具有预期聚焦功能的超透镜模型。图4 （b）展示了预应变完全释放的三维超透镜模型中各超原子的转角分布情况。
为了验证二维至三维屈曲变形对超透镜模型聚焦性能的可控调节作用，采用全波电磁仿真来模拟在左旋圆极化激发下的空间电场分布。在预应变未释放状态下，超透镜模型的聚焦位置为z1 = 295 mm，与理论设计值高度吻合。同时随着应变ε的减小，焦点沿z轴负方向移动。根据理论推导，释放基底的应变可将焦距由f0调整为f0 / [(1 + ε)/(1 + ε0)]2，从而实现超透镜焦点位置的动态可调。
进一步地，本文以10%应变为间隔，选取应变ε从100%~0%的11种变形状态下的超透镜模型的聚焦结果，系统研究了超透镜模型的动态聚焦特性。对比图4 （c）中理论计算与仿真模拟的焦距结果可见，实际焦距的变化规律基本符合理论分析，二者的微小偏差主要源于三维屈曲过程中结构形变引入的非理想相位扰动。如图5 （a）所示，通过三个代表性应变状态（ε = 100%, 50%, 0%）下的电场分布，可以清晰地观察到超透镜焦点的移动过程。为定量分析可重构超透镜模型在大范围拉伸条件下优异且可控的聚焦能力，将z = zk方向的电场强度进行归一化处理，结果如图5 （b）所示。不同变形状态的超透镜模型在焦点处均表现出显著的电场增强效应，焦点处的电场强度远高于周围区域。上述结果证明了三维屈曲变形能够对超透镜模型的聚焦性能进行可控调节。
基于广义斯涅尔定理，当超原子沿某一方向周期性排列并赋予恒定的相位梯度时，界面处会产生额外的相位突变，从而打破传统反射/折射定律的限制，使出射波束偏离入射方向。这一原理为设计高效、可控的波束偏折器件提供了坚实的理论基础，通过合理设计超原子的相位分布，可实现对电磁波传播方向的精准调控。在本文中，构建了由24×24个超原子顺序排列组成的波束偏折模型，各超原子沿x方向依次旋转120°，从而形成恒定相位梯度，对波束传播方向进行可控调谐。
本文同样对11个不同应变状态的波束偏折模型进行系统分析，结果如图6 （a）所示：当基底预应变未释放时，波束偏折角度约为30.0°；随着应变ε的逐步减小，超原子发生由二维向三维的屈曲转变，其空间几何形态及相对位置关系随之改变，引入的附加相位也随之改变，整体相位梯度发生连续变化，使得波束偏折角度持续增大。当应变完全释放时，偏折角可达到88.7°，表明该结构具备宽范围动态调控能力。
为进一步研究电磁波的偏折行为，选取应变ε = 60%, 50%, 40%三个连续变形阶段进行分析。图6 （b）展示了不同应变状态下的电场偏转曲线，清晰地反映了波束主瓣方向随应变变化的连续偏移过程；同时，各应变状态下主瓣能量集中，表明该结构在动态调控过程中具备较好的波束指向性。图6 （c）为对应的电场空间分布，可以清楚地观察到，随着应变ε减小，电磁波的传播方向发生明显偏折，且偏折角度逐渐增大（其中P代表不同应变状态下的超表面周期常数）。上述结果表明，基于三维屈曲组装的波束偏折模型能够实现对电磁波出射方向的宽范围动态调控，验证了所设计结构在可调波束偏折等应用中的有效性。
3 结 语
本文围绕三维屈曲组装策略，通过在柔性基底上周期性排布C2对称的超原子，设计并实现了一种机械可重构超表面。在力学分析方面，有限元仿真揭示了超原子在应变释放过程中的稳定屈曲行为与应力分布特征，验证了结构重构的可控性与可靠性。在电磁性能方面，全波电磁仿真分析了超原子在不同应变状态下的几何相位响应与透射特性，证实该结构在10.0 GHz频点能够实现相位的连续可调与较高的透射率。进一步地，基于几何相位原理，设计并构建了可重构超透镜模型与动态波束偏折模型。结果表明，随着基底应变的释放，超透镜模型的焦点位置可在70~295 mm内实现连续动态调节，波束偏折模型则实现了电磁波偏折角度在30.0°~88.7°内的动态调控。
上述仿真结果与理论分析高度一致，表明本文提出的三维屈曲组装策略在实现超表面波前控制与聚焦特性连续可调方面的有效性，显示出良好的响应一致性和实际应用潜力。在无需复杂外场驱动的条件下，通过三维形态重构实现了电磁波前的连续调节。在面向空间应用的相关场景中，这类基于结构重构的调控策略可为电磁波动态调控问题提供一定参考。