基于剪纸旋转超表面的三自由度同步调控可重构电磁波束操控技术

本研究针对传统机械可重构超表面调控自由度有限的问题，通过剪纸旋转变换同步调控相位φ和晶格常数Px、Py三个自由度，实现了微波波段可编程波前操控。研究人员设计出可翻转波束的"beam flipper"和可分束的"beam splitter"，实验显示反射角在(-33.5°,33.5°)范围内连续可调，效率最高达97.5%。该策略突破了现有机械超表面调控范围限制，为动态电磁调控提供了普适性方案。

　　

在动态电磁调控领域，传统机械可重构超表面面临根本性挑战——仅通过基底变形调节晶格常数P_x、P_y（如图1a所示）会导致波束偏转角度受限（通常仅几度）。更复杂的电机阵列方案虽能实现独立元原子旋转，却存在系统笨重、控制复杂等问题。如何实现兼具宽频带适用性和大范围调控能力的机械超表面，成为该领域亟待突破的瓶颈。

针对这一难题，国内研究机构提出创新解决方案：基于旋转正方形（RS）剪纸结构，首次实现相位延迟φ与晶格常数的三自由度同步调控。如图1b所示，该设计通过全局机械变形同步改变元原子取向角α和空间排列，使反射相位φ=σ2α（σ表示圆偏振旋向）与晶格常数P_x^β=P_y^β=√2P_x⁰sin(β+π/4)形成耦合调控。图1c展示了RS剪纸的变形机制，蓝色面板元原子逆时针旋转产生+2σβ相位变化，红色面板则产生相反相位调制，这种独特设计为波前工程提供了全新维度。

关键技术方法包括：1）采用PCB工艺加工A形元原子（图2a），实现16GHz处92%的交叉极化转换效率；2）基于3D打印制备可变形剪纸树脂基底；3）通过远场角分辨测量系统表征12-17GHz频段散射场分布；4）结合FDTD全波仿真验证设计原理。

研究结果

1. 波束翻转器功能验证

   如图3所示，初始态（β=0°）的线性相位梯度使波束偏转+33.5°；中间态（β=22.5°）形成二进制相位分布，产生±25°双波束；完全展开态（β=45°）实现相位梯度反转，波束偏转-23°。实验测量（图3g-i）与理论预测高度吻合，在12.5-16.5GHz宽带范围内保持稳定性能，未展开态效率达97.5%。

2. 波束分束器动态切换

   图4展示另一种设计：初始态（β=0°）的棋盘格相位分布产生四波束（θ_r⁰=33.5°），而完全展开态（β=45°）因相位均匀化仅保留镜面反射。中间态（β=22.5°）呈现正常反射与异常反射共存，验证了相位分布的可编程重构能力。

这项研究通过剪纸力学与几何相位（PB相位）的巧妙结合，突破了传统机械超表面的性能边界。其核心创新在于：1）建立元原子旋转角β与相位/晶格常数的定量关系（公式2）；2）实现单动作调控多自由度耦合变化；3）展示从连续相位调制到二进制相位重构的多种功能切换。该设计策略可推广至太赫兹甚至光学频段，为可穿戴电子、智能隐身等应用提供新思路。论文中提出的级联超表面补偿方案（补充说明1），以及旋转矩形/三角形等衍生剪纸构型，进一步拓展了该技术的应用前景。