黃曉俊， 婁顏超， 楊 東， 郭 亮*， 吳怡芬*

(1.喀什大學(xué) 物理與電氣工程學(xué)院， 新疆 喀什 844007; 2.華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 武漢 4300793)

寬帶高效反射電磁波極化調(diào)控超表面的實(shí)驗(yàn)研究

黃曉俊1，2， 婁顏超1， 楊 東2， 郭 亮1*， 吳怡芬1*

(1.喀什大學(xué) 物理與電氣工程學(xué)院， 新疆 喀什 844007; 2.華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 武漢 4300793)

電磁超表面具有傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的新奇電磁特性. 利用超表面來調(diào)控電磁波極化狀態(tài)成為一個熱門的研究領(lǐng)域. 本文提出了一種由金屬貼片組成的各向異性超表面來實(shí)現(xiàn)對水平極化波和垂直極化波的正交極化調(diào)控. 數(shù)值仿真結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的超表面在8.16～15.32 GHz內(nèi)可以將水平極化或垂直極化入射的電磁波經(jīng)過反射后分別轉(zhuǎn)換成其正交分量，極化轉(zhuǎn)換率和相對帶寬分別達(dá)到了95%和60%. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果吻合較好. 通過理論計(jì)算和表面電流分布詳細(xì)闡述了極化調(diào)控的物理機(jī)理.

寬帶； 高效率； 極化調(diào)控； 各向異性； 超表面

近些年，電磁超表面來引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，它有著天然物質(zhì)不具備的特殊性質(zhì)[1]. 電磁超表面所展現(xiàn)出的新奇的電磁特性主要源自它的亞波長結(jié)構(gòu)，人們可以通過改變其微結(jié)構(gòu)的形狀尺寸和排列方式等來任意設(shè)計(jì)其電磁參數(shù)，從而使電磁超表面具有很多天然材料所不具備的性質(zhì)，諸如負(fù)折射率[2]、完美成像[3]、完美吸收等[4]. 極化是電磁波非常重要的一個特征，應(yīng)用電磁波的極化性能可對探測目標(biāo)進(jìn)行探測、識別、編碼和抽樣，電磁波的極化調(diào)控在通信、宇航等高科技領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用[5]. 傳統(tǒng)的調(diào)控電磁波的方法包括光柵調(diào)控、二色晶體調(diào)控、以及通過雙折射效應(yīng)等調(diào)控[6]，但是，由于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的極化調(diào)控設(shè)備和器件的大尺寸和體積在很大程度上限制了其工程應(yīng)用，尤其是系統(tǒng)集成度的進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)極化調(diào)控器件的劣勢顯得更為突出[7]. 隨著電磁超表面研究的進(jìn)一步深入，利用電磁超表面的亞波長結(jié)構(gòu)很好的解決了傳統(tǒng)極化調(diào)控材料的大尺寸問題[8]. 目前，研究人員利用各向異性超表面和手征超材料實(shí)現(xiàn)了對電磁波的極化調(diào)控[9]，采用雙層各向異性超表面可以實(shí)現(xiàn)對線極化的正交極化調(diào)控[10]，通過設(shè)計(jì)其單元結(jié)構(gòu)可以將透射電磁波轉(zhuǎn)換成圓極化電磁波，寬帶線極化波極化調(diào)控可以利用多層各向異性超表面的電磁磁響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)[11]. 另外，對于圓極化電磁波的極化調(diào)控可以用傳統(tǒng)的螺旋結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[12]. 從目前提出的各種利用超表面來實(shí)現(xiàn)電磁波的極化調(diào)控的研究來看，最大的缺陷就是極化調(diào)控模式單一，工作帶寬相對較窄. 因此，多種入射模式的高效率寬頻帶的電磁波極化調(diào)控材料仍然是當(dāng)前急需解決的問題.

本文提出了一種由金屬貼片組成的各向異性超表面來實(shí)現(xiàn)高效寬頻帶的線極化波的反射調(diào)控. 數(shù)值仿真結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的超表面能夠在8.16～15.32 GHz內(nèi)將入射的水平極化或垂直極化波反射后轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的正交分量，極化轉(zhuǎn)換效率和相對帶寬分別達(dá)到了95%和60%，同時，對斜入射情況下的極化調(diào)控特性進(jìn)行了分析. 通過理論計(jì)算和表面電流分布詳細(xì)解釋闡述了極化轉(zhuǎn)換的物理機(jī)理. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果吻合較好. 所設(shè)計(jì)的極化調(diào)控超表面在電磁隱身、天線、傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的反射極化調(diào)控超表面的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)為超表面基本結(jié)構(gòu)單元，第一層為傾斜45度放置的金屬線條，中間層為介質(zhì)層；底層為金屬背板；中間介質(zhì)板為聚四氟乙烯FR4，其介電常數(shù)為4.0， 損耗正切為0.025，結(jié)構(gòu)表面和背襯的覆酮厚度為0.03 mm，其電導(dǎo)率σ=5.8×107S/m. 利用遺傳優(yōu)化算法對模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定反射極化調(diào)控超表面基本單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為：w=2.6 mm，L=8 mm，p=10.8 mm，t=3.0 mm.

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure

利用微波仿真軟件CST Microwave Studio 2015的頻域求解器對所設(shè)計(jì)的超表面進(jìn)行仿真，X-Z和Y-Z平面邊界設(shè)為周期性邊界條件(unit cell)，X-Y平面邊界設(shè)為兩端口:-Z方向設(shè)為端口1為開放邊界，+Z方向設(shè)為端口2為理想電邊界. 在實(shí)驗(yàn)測量中，采用自由空間法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試. 首先，利用傳統(tǒng)的光刻加工技術(shù)制備測試樣品，制備的樣品的單元尺寸與仿真參數(shù)保持一致，即在262.5×262.5×3 mm3的覆銅板上上刻蝕圖l(a)所示的結(jié)構(gòu)模型，覆銅板的介質(zhì)基板為FR4， 介電常數(shù)和損耗正切分別為4.3 和0.025. 在微波暗室中測量樣品的反射特性，兩個工作頻率為1～18 GHz的喇叭天線作為發(fā)射和接收天線，通過同軸電纜將喇叭天線連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent E8362B)，實(shí)驗(yàn)樣品放置在平行于地面且距離天線1.2 m的載臺上，發(fā)射天線和接收天線中垂線的交點(diǎn)在樣品的中心處，兩個天線之間的夾角大約為5°. 利用同樣尺寸大小的標(biāo)準(zhǔn)鋁板作為參考面進(jìn)行校準(zhǔn)后測試樣品在不同極化方向的反射系數(shù).

2 結(jié)果與討論

當(dāng)兩個互相正交的電磁波分別垂直入射到超表面時，反射波的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2(a)所示，從圖2(a)中的仿真結(jié)果可以看出，反射電磁波的共極化反射率rxx和ryy在8.16～15.32 GHz范圍內(nèi)小于0.2，而在此頻率范圍內(nèi)的交叉極化反射率ryx和rxy幾乎接近于1，由此說明，入射的線極化電磁波經(jīng)過超表面反射后轉(zhuǎn)化成了其交叉極化電磁波. 為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，在微波暗室中采用自由空間法對樣品進(jìn)行測試，由于所設(shè)計(jì)超表面結(jié)構(gòu)的對稱性，x極化和y極化的反射特性一致，所以在實(shí)驗(yàn)中只測試了x極化的反射特性， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2(b)所示. 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出， 反射電磁波的交叉極化反射率ryx在8.16～15.32 GHz范圍內(nèi)接近于0. 9，而共極化反射率小于0.2. 為了說明極化轉(zhuǎn)換特性，圖3給出了極化轉(zhuǎn)化率(PCR)和偏振消光比(PER)的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 從圖3可以看出，在8.16～15.32 GHz范圍內(nèi)，極化轉(zhuǎn)換率大于95%，同時偏振消光比分別大于20 dB(仿真)和15 dB(實(shí)驗(yàn)). 由此說明，所設(shè)計(jì)的超表面可以在很寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的極化轉(zhuǎn)換.

圖2 反射率的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Simulated and experimental results of reflection

圖3 極化轉(zhuǎn)換率和偏振消光比仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Fig.3 Simulated and experimental results of PCR and PER

圖4給出了TE波和TM波在不同入射角度下極化轉(zhuǎn)換率的仿真結(jié)果，可以看出所設(shè)計(jì)的超表面在很大程度上并不具備大角度斜入射的特性，因此，這一問題在實(shí)際工程應(yīng)用中需要考慮. 從圖4(a)和圖4(b)可以看出，無論是TE波還是TM波，在入射角度小于30°的范圍內(nèi)都能夠在一定的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的極化偏轉(zhuǎn)，并且極化轉(zhuǎn)換效率保持在90%以上，隨著入射角度的增大，極化轉(zhuǎn)換的帶寬在逐漸變小. 當(dāng)入射角度繼續(xù)增大時，除了極化轉(zhuǎn)換的頻帶寬度變窄外，極化轉(zhuǎn)換效率也明顯降低，這主要是由前后金屬層之間的磁耦合響應(yīng)隨著入射角度的增大逐漸變?nèi)鯇?dǎo)致的. 當(dāng)入射角度增大時，分解在垂直入射面上的磁場分量逐漸減小，隨著磁場分量的減小，前后層金屬之間的諧振也逐漸變?nèi)酰瑢?dǎo)致了極化轉(zhuǎn)換的帶寬和效率的下降.

圖4 不同入射角度下的極化轉(zhuǎn)換率Fig.4 Polarization conversion ratio under different incident angles

(1)

(2)

圖6給出了提取的u和v方向的反射率和相位，從圖6(b)可以看出，計(jì)算得到的極化轉(zhuǎn)換率仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致. 為了研究極化偏轉(zhuǎn)的物理機(jī)理，圖7給出了線極化波在三個諧振點(diǎn)f1=8.90 GHz，f2=11.67 GHz和f3=14.46 GHz 處的表面電流分布.從圖7(a)可以看出，當(dāng)入射為x極化的電磁波時，在f1=8.90 GHz處金屬貼片的電流分布主要沿著貼片的長軸和背板上的電流形成閉合回路，構(gòu)成磁偶極子m，表面電流產(chǎn)生的磁場沿著左下方向，將產(chǎn)生的感應(yīng)磁場分解在x和y方向后可以看出，x方向的磁場分量Hx平行于入射電場，將會產(chǎn)生90°的極化偏轉(zhuǎn)，而磁場的y分量Hy垂直于入射電場，與入射磁場方向一致，不會產(chǎn)生極化偏轉(zhuǎn). 同樣，在f2=11. 67 GHz處，前后層金屬在貼片的短軸形成了磁偶極子，如圖7(b)所示，表面電流產(chǎn)生的磁場沿著左上方向，磁場的x分量依然會導(dǎo)致正交極化. 在f3=14.46 GHz處，在入射波的激勵下，表面產(chǎn)生了三階諧振，即表面電流形成三個磁偶極子，如圖7(c)所示. 三個磁偶極子所形成的合成磁場的方向沿著右下方向，合成磁場的x分量依舊存在，因此依舊可以產(chǎn)生極化轉(zhuǎn)換. 另外，從表面電流的分布可以看出，所形成的電流的閉合回路的路徑逐漸變小，說明與之對應(yīng)的諧振單元在逐漸減小，因而對應(yīng)的諧振頻率在逐漸升高.

圖5 電場矢量分解示意圖Fig.5 Schematic diagram of electric field vector decomposition

圖6 反射和極化轉(zhuǎn)換率Fig.6 Results of reflections and PCR

圖7 表面電流分布Fig.7 Surface current distributions

3 結(jié)論

本文提出了一種由金屬貼片組成的各向異性超表面可以實(shí)現(xiàn)高效寬頻帶的線極化波的反射調(diào)控超表面. 數(shù)值仿真結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的超表面能夠在8.16～15.32 GHz內(nèi)將水平極化或垂直極化入射的電磁波經(jīng)過反射后轉(zhuǎn)換成對應(yīng)正交分量，極化轉(zhuǎn)換率效率和相對帶寬分別達(dá)到了95%和60%，同時，對電磁超表面的斜入射特性進(jìn)行了分析. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)和仿真吻合較好.通過理論計(jì)算和表面電流分布闡述了極化轉(zhuǎn)換的物理機(jī)理. 所設(shè)計(jì)的極化調(diào)控超表面結(jié)構(gòu)簡單，易于集成在小型系統(tǒng)中，在電磁隱身、天線、傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用.

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Experimentaldemonstrationofbroadbandandhigh-efficiencyreflectionpolarizationconversionmetasurface

HUANG Xiaojun1,2, LOU Yanchao1, YANG Dong2, GUO Liang1, WU Yifen1

(1.College of Physics and Electrical Engineering, Kashgar University, Kashgar, Xinjiang 844007;2.College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079)

Metasurface has opened an effective way to handle the polarization states of electromagnetic waves since their intrinsic parameters could be flexibly tailored. In this paper, a simple anisotropic metasurface is presented to realize the polarization manipulation of linearly polarized wave with high conversion efficiency in a wide frequency band. The presented simple metasurface is able to convert the linearly polarized incident wave into its orthogonal polarized reflected wave at the frequency range of 8.16～15.32 GHz. Both the simulated and experimental results demonstrate that the bandwidths of the polarization conversion ratio reach more than 90% with the relative bandwidths of 60%. The conversion mechanism of the polarization is discussed with the theoretical calculations and surface current distributions.

broadband; high-efficiency; polarization control; anisotropy; metasurface

O451；O441. 4

A

2017-05-04.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41474117)；喀什大學(xué)博士專項(xiàng)基金項(xiàng)目((15)2544)；喀什大學(xué)教研教改課題(KJGY1514)．

*通訊聯(lián)系人. E-mail: guol-ks@163.com; wyfzks@163.com.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.05.006

1000-1190(2017)05-0591-05