林小芳，張旭，周彩月，曹海燕，周崇波，孫琳

一種具有頻移特性的超寬帶極化旋轉(zhuǎn)超表面

林小芳，張旭1，2，周彩月3，曹海燕4，周崇波3，孫琳1

（1. 曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165；2. 上海市特殊人工微結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3. 曲阜師范大學(xué) 軟件學(xué)院，山東 曲阜 273165；4. 山東服裝職業(yè)學(xué)院 信息工程系，山東 泰安 271000）

操控電磁波的極化狀態(tài)在各個(gè)工程領(lǐng)域中都有重要的作用和參考價(jià)值．為了更好地實(shí)現(xiàn)電磁波的極化調(diào)控，提出了一種具有頻移特性的超寬帶極化旋轉(zhuǎn)超表面．仿真結(jié)果表明，通過改變超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其交叉極化反射率大于0.9的頻帶范圍分別為6.17~14.29，6.67~17.31，8.87~23.19，13.26~35.07 GHz，實(shí)現(xiàn)了頻帶范圍從8.12 GHz到21.81 GHz的藍(lán)移和擴(kuò)展．其中，在13.26~35.07 GHz的頻帶范圍內(nèi)，極化轉(zhuǎn)換率的最小值為95%左右，近乎完美地實(shí)現(xiàn)了超寬帶、高極化轉(zhuǎn)換率的極化轉(zhuǎn)換效果．另外，提出的超表面在其工作頻帶范圍內(nèi)的2個(gè)頻率點(diǎn)上還可以實(shí)現(xiàn)線極化入射波到圓極化反射波的極化轉(zhuǎn)換．該極化旋轉(zhuǎn)超表面在天線設(shè)計(jì)、雷達(dá)等通信領(lǐng)域有重要的應(yīng)用．

超表面；頻移特性；超寬帶；頻帶擴(kuò)展；高極化轉(zhuǎn)換率；線-圓極化轉(zhuǎn)換

電磁波的極化調(diào)控是電磁學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究內(nèi)容，在通信、天線以及雷達(dá)遙感等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用和參考價(jià)值．傳統(tǒng)的極化調(diào)控器件包括雙折射材料和光柵調(diào)控等[1]592，它們具有尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和損耗較高等劣勢．因此，尋找到一種結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小和易于調(diào)控等優(yōu)勢的極化調(diào)控器件對極化調(diào)控領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義．

超表面是一種具有超常物理特性的復(fù)合型人工電磁材料，通過對超表面單元結(jié)構(gòu)的亞波長尺寸周期或非周期地排列，可以實(shí)現(xiàn)天然材料所不具備的一些超常電磁特性[2-3]，如奇異反射和折射[4]、完美成像、高增益表面等[5]．2007年文獻(xiàn)[6]首次提出運(yùn)用超表面來實(shí)現(xiàn)電磁波的極化調(diào)控，相比于傳統(tǒng)的極化調(diào)控器件具有更易操作、尺寸小和損耗低等優(yōu)勢．這一突破性的研究成果迅速吸引了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，相應(yīng)的文獻(xiàn)也層出不窮．黃曉俊[1]等提出了一種具有寬帶特性的各向異性超表面，在8.16~15.32 GHz的工作帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效的交叉極化轉(zhuǎn)換，極化轉(zhuǎn)換率可達(dá)至95%；韓江楓[7]等設(shè)計(jì)了一種基于超表面的寬帶、反射型極化旋轉(zhuǎn)體，在5.5~14.5 GHz的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)化率大于90%的極化轉(zhuǎn)換；于惠存[8]等提出了一種超寬帶特性的反射型極化旋轉(zhuǎn)超表面，在15.81~17.26 GHz的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了極化轉(zhuǎn)換率大于80%的線極化波入射波到交叉極化反射波的極化轉(zhuǎn)換．此外，還有許多學(xué)者運(yùn)用超表面實(shí)現(xiàn)了線-圓極化轉(zhuǎn)換[9-12]、線-線極化轉(zhuǎn)換[13-16]以及圓-圓極化轉(zhuǎn)換的極化調(diào)控器件[17]．提及的研究內(nèi)容充分證明了運(yùn)用超表面來實(shí)現(xiàn)極化調(diào)控的可能性及優(yōu)勢所在．但運(yùn)用超表面來實(shí)現(xiàn)電磁波極化調(diào)控的潛力還遠(yuǎn)不止于此，實(shí)現(xiàn)具有頻譜搬移能力和超寬帶的超表面結(jié)構(gòu)仍是未來超表面發(fā)展的熱點(diǎn)方向．

基于此背景，本文提出了一種在較寬的頻帶范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)交叉極化轉(zhuǎn)換的超表面，并可以通過原比例縮小超表面單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)工作帶寬自低頻向高頻擴(kuò)展的特性．仿真結(jié)果表明，在改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的4個(gè)超表面上，交叉反射率大于0.9的工作帶寬分別達(dá)到了6.17~14.29，6.67~17.31，8.87~23.19，13.26~35.07 GHz，且極化轉(zhuǎn)換率的最小值均近似為90%，較好地實(shí)現(xiàn)了工作頻帶的藍(lán)移和擴(kuò)展．另外，在這4個(gè)工作帶寬內(nèi)，其極化轉(zhuǎn)換率在多個(gè)諧振點(diǎn)上均能達(dá)到近似100%的極化轉(zhuǎn)換效果．

1 設(shè)計(jì)與仿真

本文提出的極化旋轉(zhuǎn)超表面通過原比例縮小其整體的結(jié)構(gòu)參數(shù)來獲得工作帶寬的頻移特性（某些結(jié)構(gòu)參數(shù)可能存在0.1 mm之內(nèi)的變化，不影響最終的效果，可忽略不計(jì)），整體不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)以結(jié)構(gòu)周期的不同來進(jìn)行說明和區(qū)分，分別是結(jié)構(gòu)周期為10，8，6，4 mm的極化旋轉(zhuǎn)超表面．單元結(jié)構(gòu)示意圖以結(jié)構(gòu)周期為6 mm的超表面為例進(jìn)行分析（見圖1），該極化旋轉(zhuǎn)超表面由上層的金屬貼片、中間層的介質(zhì)基板和下層的金屬背板組成．上層金屬貼片的結(jié)構(gòu)由2個(gè)大小不等的金屬圓環(huán)和一根金屬長條組成．金屬長條相對于豎直方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，２個(gè)金屬圓環(huán)分別位于超表面單元的左下方和右上方．

圖1　超表面的單元結(jié)構(gòu)示意圖

2 分析與討論

該極化旋轉(zhuǎn)超表面在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下仿真的同、交叉極化反射率曲線見圖2．其中，紅色實(shí)線代表交叉極化反射率曲線，藍(lán)色虛線代表同極化反射率曲線. 從圖2可以看出，隨著超表面單元的結(jié)構(gòu)周期從10 mm以公差2遞減到4 mm時(shí)，其交叉極化反射率大于0.9的頻帶范圍由6.17~14.29 GHz變化到13.26~35.07 GHz，實(shí)現(xiàn)了工作頻帶的藍(lán)移．以帶寬最窄的結(jié)構(gòu)周期為10 mm的超表面為例來說，從圖2a中可以看出，除了在11.87 GHz的頻率點(diǎn)上的交叉極化反射率取得最小值為0.90外，頻帶范圍內(nèi)的其它頻率點(diǎn)上均能實(shí)現(xiàn)大于0.90的極化轉(zhuǎn)換．其中，在6.93~8.99 GHz的頻帶范圍內(nèi)，交叉極化反射率的最小值甚至大于0.99．當(dāng)超表面單元的結(jié)構(gòu)周期分別減小到8 mm 和6 mm時(shí)，交叉極化反射率大于0.90的工作頻帶范圍由6.17~14.29 GHz擴(kuò)展至6.67~17.31 GHz和8.87~23.19 GHz．而當(dāng)超表面單元的結(jié)構(gòu)周期為4 mm時(shí)，交叉極化反射率大于0.90的頻帶范圍甚至達(dá)到了13.26~35.07 GHz.

圖2　不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的超表面的同、交叉極化反射率曲線

另外，該極化旋轉(zhuǎn)超表面的極化轉(zhuǎn)換率曲線見圖3．從圖3中可以看出，4個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的超表面在上述提及的工作頻段范圍內(nèi)，極化轉(zhuǎn)換率的最小值均在90%以上. 其中，在13.26~35.07 GHz處，極化轉(zhuǎn)換率的最小值甚至在95%左右，且隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的減小，工作帶寬明顯有從低頻到高頻擴(kuò)展的趨勢．綜上，通過改變該極化旋轉(zhuǎn)超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)工作頻帶的藍(lán)移和擴(kuò)展，也可以在工作頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率的交叉極化轉(zhuǎn)換．

圖3　不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的超表面的極化轉(zhuǎn)換率曲線

圖4　不同結(jié)構(gòu)周期的超表面的相位差曲線

3 仿真結(jié)果原理分析

反射波表示為

（2）

圖5　超表面單元的結(jié)構(gòu)原理示意圖

圖6　表面電流分布示意圖

4 結(jié)論

本文提出了一種具有頻移特性的極化旋轉(zhuǎn)超表面．通過改變該極化旋轉(zhuǎn)超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)工作帶寬的藍(lán)移和頻帶擴(kuò)展，還可以在超寬帶的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率的交叉極化轉(zhuǎn)換效果．其中，在改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的一個(gè)單元結(jié)構(gòu)中，極化轉(zhuǎn)換率在22 GHz左右的工作帶寬內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換率高于95%的極化轉(zhuǎn)換效果．該極化旋轉(zhuǎn)超表面在天線設(shè)計(jì)、濾波器、雷達(dá)等通信領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景．

[1] 黃曉俊，婁顏超，楊東，等．寬帶高效反射電磁波極化調(diào)控超表面的實(shí)驗(yàn)研究[J]．華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，51（5）：592-595

[2] 張玉龍，李萍，石磊．超材料[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2018：3

[3] YU N F，CAPASSO F．Flat optics with designer metasurfaces[J]．Nature Materials，2014，13：139-150

[4] YU N F，Patrice G，Mikhail A K，et al．Light propagation with phase discontinuities：generalized laws of reflection and refraction[J]．Science，2011，334（21）：333-337

[5] 王世斌，王光明，郭文龍，等．基于超構(gòu)表面的高效寬帶交叉極化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)[J]．微波學(xué)報(bào)，2018，34（4）：60-64

[6] Hao J M，YUAN Y，RAN L X，et al．Manipulating electromagnetic wave polarization by anisotropic metamaterials[J]．Physi-cal Review Letters，2007，063908（4）：1-4

[7] 韓江楓，曹祥玉，高軍，等．一種基于超材料的寬帶、反射型90°極化旋轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)[J]．物理學(xué)報(bào)，2016，65（4）： 044201

[8] 于惠存，曹祥玉，高軍，等．一種超寬帶反射型極化轉(zhuǎn)換超表面設(shè)計(jì)[J]．空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，19（3）：60-65

[9] LIN B Q，WU J L，DA X Y，et al．A linear-to-circular polarization converter based on a second-order band-pass frequency selective surface[J]．Applied Physics A，2017，123：43

[10] SUN Sh Y，JIANG W，GONG Sh X，et al．Reconfigurable linear-to-circular polarization conversion metasurface based on PIN diodes[J]．IEEE Antennas and Wireless Propagation，2018，17（9）：1722-1726

[11] ZHENG Q，GUO C J，DING J．Wideband metasurface-based reflective polarization Converter for linear-to-linear and linear-to-circular polarization conversion[J]．IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2018，17（8）：1459-1463

[12] ZHANG X，WEI Z Y，F(xiàn)AN Y C，et al．Structurally tunable reflective metamaterial polarization transformer based on closed fish-scale structure[J]．Current Applied Physics，2017，17（6）：829-834

[13] HUANG X J，YANG D，YANG H L．Multiple-band reflective polarization converter using U-shaped metamaterial[J]．J Appl Phys，2014，115：103505

[14] GAO X，CAO W P，LI H OU，et al．Ultrawideband and high-efficiency linear polarization converter based on double V-shaped metasurface[J]．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（8）：3522-3529

[15] ZHAO Y R，QI B X，NIU T M，et al．Ultra-wideband and wide-angle polarization rotator based on double W-shaped metasurface[J]．AIP Advances，2019，9：085013

[16] RAJOUR T A，WENDY L L，MADHU B，et al．Broadband and wide-angle reflective linear polarization converter for terahertz waves[J]．APL Photonics，2019，4：096104

[17] WU L，YANG Zh Y，CHENG Y Z，et al．Circular polarization converters based on bi-layered asymmetrical split ring metamaterials[J]．Applied Physics A，2014，116：643-648

An ultra-broadband polarization conversion metasurface with frequency-shifting characteristics

LIN Xiaofang1，ZHANG Xu1，2，ZHOU Caiyue3，CAO Haiyan4，ZHOU Chongbo3，SUN Lin1

（1. School of Physics and Engineering，Qufu Normal University，Qufu 273165，China；2. Shanghai Key Laboratory of Special Artificial Microstructure Materials and Technology，Shanghai 200092，China；3. School of Software，Qufu Normal University，Qufu 273165，China； 4. Department of Information Engineering，Shandong Vocational Institute of Clothing Technology，Taian 271000，China）

Manipulating the polarization state of electromagnetic waves plays an important role in various engineering fields．In order to better achieve the polarization conversion of the metasurface，an ultra-wideband polarization conversion metasurface with frequency-shift characteristics is proposed．By changing the structural parameters of the metasurface，the range of the cross-polarization reflection with a minimum value greater than 0.9 are 6.17~14.29，6.67~17.31，8.87~23.19，13.26~35.07 GHz from the simulation results，respectively．The band extends and blue shifts from 8.12 GHz to 21.81 GHz．Among them，in the band of 13.26~35.07 GHz，the minimum value of the polarization conversion rate is about 95%，and the polarization conversion effect of ultra-wideband and high polarization conversion rate is almost perfectly realized．The ultra-broadband characteristics and high polarization conversion rate are realized based on the metasurface．In addition，the presented metasurface is able to convert the linearly polarized incident wave into circularly polarized reflection wave at two frequency points of the four metasurfaces in different parameters，it has important applications in antenna design，radar and other communication fields.

metasurface；frequency-shifting；ultra-wideband；band expansion；high polarization conversion rate；line-circular polarization conversion

O44∶TN92

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.04.012

1007-9831（2020）04-0055-06

2020-01-02

上海市特殊人工微結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助（hxkj2019007）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2017MD019）；山東省高校科技計(jì)劃項(xiàng)目（J15LN08）；曲阜師范大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（20130154）

林小芳（1995-），女，山東日照人，在讀碩士，從事基于超表面的極化調(diào)控研究．E-mail：1346631969@qq.com

周崇波（1978-），男，山東青島人，講師，博士，從事信號處理研究．E-mail：zhoucbqf@163.com