可编程超表面的动态极化调控文献综述

 2022-09-22 11:32:45

  1. 文献综述（或调研报告）：

超材料最初的存在是以左手材料（left-hand material）以及负折射率材料著称。科学上首次提出介电常数和磁导率都为负的材料是由Veselag0在1968年提出的，也被称为左手材料。左手材料具有当时看起来非常奇特的物理现象。比如说负折射，逆向多普勒平移等等，但是左手材料在2000年之前一直停滞不前，这是因为没有试验来验证这些假设。到了上世纪末，左手材料被英国科学家Pendry理论验证，他设计了周期性亚波长谐振结构构造等效媒质。到了2000年，美国科学家Smith教授利用试验，设计出了具有负折射率的介质，并且在2001年的《Science》杂志上发表。由此超材料开始被关注并且大量科学家开始对其产生兴趣。

超材料第二次的革命性进展是2005年Smith利用渐变折射率媒质实现了电磁波弯折。2006年.Pendry提出了光学变化和隐身大衣，使得电磁波的调控变成了可能。同时也使超材料的概念突破了往日的狭隘，超材料的精髓是调控电磁波，并不仅限于左手材料。

近十年来，由于超材料体积大，电磁损耗大，陆续提出了超表面这一概念。超表面是将亚波长单元排列在一个表面或者成分的界面。现有的超材料根据其排布不同大致可分为两类：由周期人工结构组成的均匀媒质和由非周期人工结构组成的非均匀媒质。之前对于超材料的研究主要是亚波长周期结构，此结构可以用统一的宏观媒质从参数去表征。通过设计人工单元，可以实现很大的介电常数和磁导率或各向异性的超材料，从而很好的调控电磁波。相对地，对于亚波长大小的非周期结构的单元，其尺寸呈渐变分布，在宏观尺度上则表现为非均匀的超材料，可任意控制电磁波的传播，极化，散射特性等，可实现新奇的物理现象和超颖器件，如隐身衣，电磁集中器，幻觉光学及新颖透镜等。利用传统的几何光学方法和费马原理设计渐变折射率超材料，可以实现高性能的天线、高分辨率的成像透镜、低散射截面、甚至数学运算等。

电磁波的极化是通过其电场矢量端点在一个时间周期内描绘的轨迹来表述的。在实际工程中，极化的应用极为广泛，因此，对其调制就显得十分重要。现有的研究中，最常用的极化调制方法是，通过非旋转对称大的单元结构设计，获得了各向异性的电磁表面，从而实现线极化与线极化之间的转换或线极化与圆极化之间的转换。对于反射型的电磁表面，文献[1]利用双“V”字形结构设计了可实现水平和垂直极化相互转换的宽带极化旋转表面（PRS）；文献[2]通过对经典的耶路撒冷十字变形，获得了可将线极化入射波转变为圆极化波的反射表面。对于透射型的电磁表面，研究人员也成功实现了极化转换的功能。如文献[3]采用箭头状结构设计了可在宽频带内实现正交极化之间相互转换的透射表面；文献[4]将“L”形金属结构倾斜放置在周期性的栅格中，得到的表面实现了线极化到圆极化波的转换。相对于上述固定的极化转换表面，设计出极化可调的表面则更具挑战性。为此，文献[5]探索了利用PIN二极管控制电磁表面极化的可能性，并设计了透射型可控表面，其每个单元上集成有4个PIN开关，当这些开关以不同的组合保持通断时，可分别实现线极化波转变为左旋圆极化波、右旋圆极化波或保持极化特性不变，这使其在保密通信中具有非常广阔的应用前景。

而计划的调控一般需要通过调控相位来实现，因此对电磁波的相位进行调制是电磁表面研究的重点。无论对于反射型[6]还是透射型[7]电磁表面，总的来说，其相位调制的基本方法都可分为三种，第一种为谐振法，即通过微单元的结构尺寸的变化等方法调整单元的等效表面阻抗，使其谐振特性发生变化，从而改变反射波/透射波的相位，这种方法原理简单，相位调制效果好，实际应用非常广泛。第二种方法为导行波法，其基本工作原理可描述为：金属贴片与入射电磁波作用感应出表面电流，并传输至相应的微带线上，经微带线末端反射后，获得二倍微带线长度对应的相位延迟，再由金属贴片重新辐射出去。可见，辐射电磁波的相位可通过延迟线的长度进行调节，因此，该方法的优点是相位调制线性度好，且可实现超过360度的相位范围。第三种相位调制方法为旋转法，即通过单元外形的整体旋转获得相位的调制。John Huang等通过理论推导证明了旋转角度与调制相位之间具有线性关系。需要强调的是，与前两种方法相比，旋转法只适用于圆极化波，并不能用与线极化波。近年来，基于这三种方法，大量的相位调制表面相机被提出。现阶段，研究的重点主要是提高带宽[8]、实现极化分集工作[9]及以较薄的厚度实现360度的透射波相位调制[10]。

除了上述对固定电磁表面的研究之外，设计相位特性可变的电磁表面也是近几年的一个重点研究方向，与固定相位的调制相类似，基于电控的可变相位调制也有了三种基本方法。我们通过在单元中集成可控的电子器件，通过外部的直流偏置可以改变器件的工作状态，从而实现等效的变尺寸、变延迟线长度及变旋转角度等。这类电磁表面由于出现比较晚，且涉及到电子器件与射频单元的集成，难度相对较大，对其研究的文献并不多见。公开报道中，重点仍关注相位可调性能的实现，且大多数研究仅分析了单元的性能。如文献[11]利用4个MEMS开关设计了10个可调相位的单元；文献[12]基于变容二极管提出了相位连续可调的单元，文献[12]还将PIN开关集成到透射型单元中，得到了两个可调的相位。总管现有的研究成果得出--单元损耗大，需要电子期间多，控制复杂，实验验证少仍是当前的突出问题。我们此次将把研究重心放在损耗小，所需器件少、控制实施简单的相位可调单元。

参考文献

  1. Gao X, Han X, Cao W P, et al. Ultrawideband and High-Efficiency Linear Polarization Converter Based on Double V-Shaped Metasurface[J]. IEEE Transactions on Antennas amp; Propagation, 2015, 63(8):3522-3530.
  2. Gu S K, Gui Z W, Hui F M, et al. Broadband circular and linear polarization conversions realized by thin birefringent reflective metasurfaces[J]. Optical Materials Express, 2014, 4(8):1717-1724.
  3. Chen H, Wang J, Hua M, et al. Ultra-wideband polarization conversion metasurfaces based on multiple plasmon resonances[J]. Journal of Applied Physics, 2014, 115(15):177403-6229.
  4. Li Y, Zhang J, Qu S, et al. Achieving wide-band linear-to-circular polarization conversion using ultra-thin bi-layered metasurfaces[J]. Journal of Applied Physics, 2015, 117(4):011129-4623.
  5. Ma, Xiaoliang, Pan, Wenbo, Huang, Cheng,等. An Active Metamaterial for Polarization Manipulating[J]. Advanced Optical Materials, 2015, 2(10):945-949.
  6. Huang J, Encinar J A. Reflectarray Antennas[M]. 2016.
  7. Lau J Y, Hum S V. A Wideband Reconfigurable Transmitarray Element[J]. IEEE Transactions on Antennas amp; Propagation, 2012, 60(3):1303-1311.
  8. Moustafa L, Gillard R, Peris F, et al. The Phoenix Cell: A New Reflectarray Cell With Large Bandwidth and Rebirth Capabilities[J]. IEEE Antennas amp; Wireless Propagation Letters, 2011, 10(1):71-74.
  9. Florencio R, Encinar J A, Boix R R, et al. Reflectarray Antennas for Dual Polarization and Broadband Telecom Satellite Applications[J]. IEEE Transactions on Antennas amp; Propagation, 2015, 63(4):1234-1246.
  10. An W, Xu S, Fan Y, et al. A Double-Layer Transmitarray Antenna Using Malta Crosses With Vias[J]. IEEE Transactions on Antennas amp; Propagation, 2016, 64(3):1120-1125.
  11. RAJAGOPALAN, Harish, RAHMATSAMII, et al. RF MEMS Actuated Reconfigurable Reflectarray Patch-Slot Element[J]. IEEE Transactions on Antennas amp; Propagation, 2009, 56(12):3689-3699.
  12. Perruisseau-Carrier J. Dual-Polarized and Polarization-Flexible Reflective Cells With Dynamic Phase Control[J]. IEEE Transactions on Antennas amp; Propagation, 2010, 58(5):1494-1502.
  13. Huang C, Pan W, Ma X, et al. 1-Bit Reconfigurable Circularly Polarized Transmitarray in X-Band[J]. IEEE Antennas amp; Wireless Propagation Letters, 2016, 15(2):448-451.

资料编号：[178829]

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