基于 dispensing 打印技术的双频自旋选择性多功能编码超表面

《Applied Materials Today》：Dual-frequency spin-selective multifunctional coded metasurface based on dispensing printing technology

　　刘振|郑明琪|戴泽莉|曾锋|白家庚|韩伟佳|魏国超|张博涵|朱伟|王胜祥
武汉纺织大学微电子学院，中国武汉430200

**摘要**
针对当前超表面在大规模制造过程中面临的挑战，如高成本、复杂工艺以及多功能复用的分离难度，本文提出了一种基于 Dispensing 打印技术的双频自旋选择性多功能编码超表面。在制造工艺方面，构建了一种创新的三层复合结构：“银浆功能层-聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）中间介质层-石墨烯薄膜基底层”。采用高精度 Dispensing 打印技术替代传统的微纳光刻技术，实现了低成本和快速制造。在编码设计方面，提出了一种基于单元结构几何角度调节的新编码策略。通过独立调节各向异性单元的左右臂伸展角度，构建了一个 2×2 位的自旋选择性编码单元库。该策略打破了左旋圆极化（LCP）波和右旋圆极化（RCP）波之间的共轭相位锁定，使得在同一超表面上可以独立调节 16 GHz 的 LCP 波和 26 GHz 的 RCP 波。实验结果表明，所制备的超表面在双频和双极化通道中实现了异常波束偏转和涡旋波激发，测量结果与仿真结果吻合良好。这项工作为大规模超表面的实际制造提供了一条可行路径，并为多维电磁波操控提供了一种有用的设计策略。

**引言**
超表面作为一种由人工微纳结构组成的二维平面材料，通过精确设计单元结构，能够灵活调节电磁波的幅度、相位、偏振和传播方向，突破了传统电磁材料的调节限制。它们在微波通信、雷达探测和成像技术等领域展现出革命性的应用潜力[1][2][3][4][5][6][7]。与三维超材料相比，超表面具有结构紧凑、制造工艺相对简单、与传统设备兼容性强的优点，已成为电磁调控领域的研究热点[8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]。然而，传统超表面仍面临两个核心挑战：首先，传统制造工艺（如印刷电路板（PCB）技术和机械雕刻技术）存在工艺复杂、成本高、处理周期长以及难以实现大面积制造等问题，这些限制了超表面的高效发展和迭代[18]。这也凸显了 Dispensing 打印作为一种简单且可扩展的超表面制造途径的优势。其次，多通道独立调节的难度较大。在现有多功能超表面的复用功能设计中，不同频率和不同自旋状态之间常常存在强串扰[19][20]。传统的编码策略（如简单改变尺寸或厚度）难以在同一超表面上实现不同自旋状态（左旋/右旋）和不同频段的电磁波的独立解耦控制，这大大限制了超表面在复杂电磁环境中的多波束复用和多任务处理能力[21][22][23][24][25]。

为了解决上述问题，我们提出了以下解决方案。在制造工艺方面，Dispensing 打印技术作为增材制造的重要分支，具有操作简单、材料利用率高和加工精度高等显著优势[26]。它可以直接在目标表面沉积功能材料形成预设图案，无需复杂的掩模制作和蚀刻工艺[27]。银浆作为一种高导电性功能材料，兼具优异的导电性和良好的打印兼容性，是制备电磁超表面单元结构的理想选择[28]。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）板具有稳定的介电性能、较高的机械强度、良好的结构刚性以及出色的尺寸稳定性，且成本低廉。这些特性使其能够有效隔离功能层和基底，为超表面单元提供稳定的支撑和均匀的介电环境。因此，PET 是电磁超表面结构中间介质层的理想材料[29]。石墨烯薄膜由于其超高的热导率、优异的机械强度以及卓越的热稳定性和化学稳定性，成为超表面的稳定可靠支撑基底[30]。将 Dispensing 打印技术与“银浆-PET-石墨烯”三明治结构结合，有望突破传统制造工艺的瓶颈，实现高效低成本的超表面制造[31]。

在编码设计方面，编码超表面将单元的电磁响应量化为不同的编码值（如 0/1 位），并通过编码序列的组合实现电磁波的可编程调节[32]。本研究通过精确调节左右臂的伸展角度，打破了 LCP 和 RCP 之间的共轭相位锁定[33][34][35]。这种“独立调节左右臂”的设计不仅丰富了编码维度[36]，更重要的是实现了双频和双极化的解耦——即利用左臂结构独立调节低频 LCP 波，利用右臂结构独立调节高频 RCP 波[21]，从而构建了一个具有 2×2 位容量的自旋选择性编码单元库[37]。与传统 PB 相超表面不同，传统超表面的相位由几何旋转决定，LCP/RCP 响应本质上是自旋共轭的，而本设计利用不对称双臂的共振调谐作为两个部分独立的相位控制自由度，更适合双频自旋选择性编码。

此外，为了满足在单一超表面下实现多波束成形和多功能集成的需求，本文引入了一种基于相位卷积的阵列合成方法[38][39][40][41][42][43]。与传统将阵列划分为不同区域以执行不同功能的策略不同（这会导致超表面利用率和增益损失），卷积设计策略通过叠加两个独立的目标相位分布（如用于控制波束方向的线性梯度相位和用于控制轨道角动量（OAM）的涡旋相位）来生成新的混合编码序列[44][45][46][47]。该方法可以在同一超表面上无缝集成波束偏转和涡旋激发的两种物理特性，使超表面在保持高增益辐射的同时实现涡旋波方向的倾斜角控制，从而构建出具有偏转和涡旋双重特性的多功能复用阵列[1][28][48]。

基于上述背景，本文提出并验证了一种结合 Dispensing 打印工艺和双频自旋选择性编码策略的新型超表面。该方案使用 Dispensing 打印的银浆/PET/石墨烯三明治结构作为载体，成功制备了多功能复用超表面样品。本文将详细阐述其解耦设计原理、相位卷积叠加原理和制造工艺，并通过实验系统分析了其在 12–28 GHz 频段内的电磁特性。实验结果表明，该超表面在 16 GHz 的 LCP 和 26 GHz 的 RCP 两种不同入射条件下实现了独立的波束偏转和涡旋激发，且无相互干扰。这项研究不仅为低成本制造超表面提供了新工艺，还为解决多功能超表面的自旋解耦和多功能复用问题提供了新的设计思路。与以往的双臂或双频超表面设计不同，本工作的根本创新在于将独立角度调节的双臂编码、自旋频率解耦、基于相位卷积的多功能合成以及 Dispensing 打印实现集成在统一的超表面框架内。

**单元结构设计与分析**
在本节中，我们提出了一种基于混合相位调制的超表面单元设计，旨在实现 LCP 和 RCP 波的独立相位调制，如图 1(a) 的功能示意图所示。本研究设计的超表面单元采用图 1(b) 所示的双臂结构。与传统的旋转几何相位不同，该设计通过调节左右金属臂的开口角度（或臂长）参数引入了共振相位。

**涡旋波复用超表面**
我们提出了一种基于混合相位调制的涡旋波复用超表面，该超表面在 LCP 和 RCP 入射下可以生成具有不同拓扑电荷的涡旋波，实现涡旋波的多功能复用。涡旋波的生成依赖于螺旋相位分布。当圆极化波垂直入射时，超表面的相位分布可以表示为：
Φvortex(x,y) = l × arctan(y/x)

**样品制备与验证**
为了验证所提出设计策略在实际应用中的可行性以及 Dispensing 打印技术的加工精度，我们制备了两个样品：一个涡旋波复用超表面和一个波束偏转复用超表面。首先选择一块面积足够大、厚度为 2 mm 的 PET 板作为柔性基底（如图 11(b) 所示），并用无水乙醇清洁其表面。随后，在基底上绘制预设的图案。

**结论与讨论**
本研究成功展示了使用 Dispensing 打印技术制造的双频自旋选择性多功能编码超表面。在制造方面，我们开发了一种创新的三层复合结构——银浆功能层、PET 介质层和石墨烯薄膜基底，并结合了高精度 Dispensing 打印技术。这种方法绕过了复杂的光刻工艺，减少了材料浪费，简化了生产流程，提供了一种低成本、高效的制造途径。

**作者贡献声明**
朱伟：撰写——原始稿件、项目管理、资金获取。
王胜祥：撰写——审稿与编辑、监督。
刘振：研究、概念化。
韩伟佳：软件、方法论。
魏国超：资金获取、形式分析。
张博涵：撰写——原始稿件、资源准备。
郑明琪：验证、数据管理。
戴泽莉：撰写——原始稿件、形式分析。
曾锋：可视化、验证。
白家庚：形式分析、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（编号 12304430、12504510）、陕西省博士后科学基金（编号 2024BSHSDZZ160）、湖北省新型纺织材料与应用重点实验室（编号 FZXCL202312）以及中国协同极端条件用户设施（SECUF）的支持。