新型太赫兹波束分离器研究的文献综述
超材料由周期或非周期排布的亚波长的人工单元构成，具有超长的电磁特性。超材料在理论上可以实现任意介电常数和磁导率。因其可实现对电磁波的任意调控，因而受到了越来越广泛的关注，因其展现出许多新奇的、自然界物质无法实现的电磁特性，尤其在调控相位、振幅、偏振等方面显示出优越性，这一思路也促进了相关电磁器件的研制，比如雷达散射截面缩减、隐身衣、高分辨率的成像透镜等。超材料透镜和超表面是超材料的两种典型实现形式。其中超材料透镜是由较多人工单元构成的三维结构，当电磁波在其中传播时受到超材料的调控。而超材料的二维形式称为超表面，其具有低剖面、低损耗、易于设计与实现等优点，越来越受到研究者的关注。为了减少三维超材料的厚度及构造复杂性，单层平面结构的超表面广泛地用于调控电磁波，此外可调超表面实现对相位的动态调控也成为研究热点。超表面的典型特点就是具有体积的优势，其剖面低、占据物理空间小、重量轻、无热辐射等。电磁超表面是一种由亚波长单元结构周期或非周期地排布在二维平面上而形成的平面型人工复合电磁材料，可以通过等效电阻抗、磁阻抗以及突变相位来实现对电磁波灵活多样的调控，例如异常反射、异常折射、吸收、隐身、极化转换等。但由于传统超表面的单元结构仍然采用连续的（均匀或非均匀）等效媒质参数描述，因此从电路角度来看，这类超表面与模拟电路类似，可被看作“模拟超表面”。为了实现“数字版”的超表面，东南大学崔铁军教授团队于2014年提出了一种新型的基于数字表征的编码超表面，即通过数字编码序列来调控电磁波，这种以二值数字逻辑为基础的“数字超表面”极大地简化了超表面的设计流程，提高了调控电磁波的灵活度，扩大了调控范围。相对于传统的模拟超材料，编码超材料以一种数字编码的方式来简化单元的设计，即物理的世界用数字去表征，能够更加高效地调控电磁波。以二值数字逻辑为基础的数字系统在多个方面具有模拟系统不可比拟的优势，例如不易受噪声干扰、允许元器件参数在一定范围内变化等。如果将预先设计的二进制编码序列输入到FPGA等数字控制硬件，便可实时地调控电磁波，形成现场可编程超表面。更重要的是，由于编码超表面基于全数字表征与分析，因此成为了连接超表面（超材料）与信息科学的纽带，使人们有机会从信息科学的角度重新审视、理解、研究和设计超表面。其核心思想在于：通过设计“0”单元和“1”单元的编码序列来灵活地调控电磁波，用不同的编码序列来表征每个单元结构，并与优化算法相结合实现了微波频段的自由调控。该结构对电磁波调控的能力取决于所赋予的编码序列，极大简化了设计难度，同时能实现调控方式的多样化。
编码超材料不同于传统的“模拟”超材料的周期排布或渐变非周期排布，由若干种单元按照编码的方式排布，不同的编码具有不同的电磁响应。数字超材料是在编码超材料的基础上引入数字控制，每个单元的特性是数字可控的。在此基础上采用可编程逻辑阵列对各个单元的状态实现现场编程控制，从而实现可编程超材料。利用二维编码超表面实现了太赫兹波的多波束反射。数字相位编码超材料具有波束调控频带宽、调控方式灵活、加工工艺简单等特点，其在微波及光波波段已有成熟的理论及技术手段，但在太赫兹频段由于材料特性及加工工艺的限制，应用较少。基于编码超材料的相位调节机制，能够有效地实现THz波束的灵活调控，如分束、移相及极化旋转，这为太赫兹频段射电望远镜超导混频器阵列接收机的本振信号功率分配提供了新的思路。
近年来，随着射电望远镜外差式阵列接收机的发展，基于相位光栅技术的波束分离器在亚毫米波长范围内得到了重要的应用，它能够将单个本地振荡器信号经过分束同步传送到超导SIS/HEB混频器阵列接收机中。由于太赫兹频段相位光栅的特征尺寸在亚微米级，其加工精度直接影响器件性能，给微加工技术带来巨大挑战。相位光栅作为阵列接收机本地振荡器的波束多路复用器，能将入射光束分成均匀分布的多光束，用于提供混频器阵列的本振信号。在过去的几年里，相位光栅已经取得了巨大的进展。最常用的是Dammann光栅，一种简单而通用的二元相位光栅，由周期性的等深度凹槽组成。随之出现的多级阶梯式相位光栅提供了更大的灵活性，但加工工艺较复杂，成本较高。最近兴起的傅里叶相位光栅是基于傅里叶级数展开理论设计的平滑定义的表面结构，用来操纵反射太赫兹波的相位，使得在远场的检测平面上产生多个光束。虽然使用相位光栅能将本地振荡器功率有效地分配到混频器阵列上，但随着工作频率的升高，缩小的光栅二维微结构尺寸将直接导致器件的加工难度显著增加，且衍射波束的性能与精度密不可分。因此需要找到一种转换效率高、宽带、易调控、结构简单易加工的本振信号分配技术。基于相位编码超材料技术的太赫兹波束分离器有望解决现有分束器在THz高频段存在特性变差，损耗增大，难以制作等瓶颈问题，为太赫兹波段射电望远镜的混频器阵列接收机本振分配技术提供了新的思路和研究方法。
资料编号：[249088]
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