基於各向異性時域數字編碼超表面的可編程線性和非線性極化合成

2021-01-16 東大電磁空間

電磁波的極化狀態切換在無線通信和雷達探測等領域需求迫切，而超表面因其低剖面、易加工等特點為控制電磁波的極化特性提供了一條全新的途徑。

目前，大多數極化轉換超表面具有固定的單元結構和朝向，因此其極化轉換性能對入射波的極化狀態比較敏感，且難以實時地實現極化調控。自2014年以來，數字編碼超表面的提出推動了超表面有源調控技術的快速進步，但是受到單元調控自由度的制約，極化調控能力比較有限。同時它們也無法完成對非線性諧波的極化狀態控制。

近日，東南大學毫米波國家重點實驗室程強教授和崔鐵軍院士及合作者以「Linear and Nonlinear Polarization Syntheses and Their Programmable Controls Based on Anisotropic Time-Domain Digital Coding Metasurface」為題，報導了一種基於各向異性時域數字編碼超表面的通用極化合成方案，首次實現了可編程線性和非線性極化合成。這種全新的通用極化合成方案擴大了超表面在極化調控方面的應用範疇，證明了超表面在時-空-極化域聯合調控的可能性，為精確電磁探測、無線通信和模式識別系統的發展提供了新的思路。該文章於2020年10月17日發表在國際期刊《Small Structures》(DOI: 10.1002/sstr.202000060)上，論文通訊作者為東南大學程強教授、崔鐵軍院士和金石教授，第一作者為東南大學博士生柯俊臣。

圖1 通過調控x和y極化方向上的反射幅/相響應，各向異性時域數字編碼超表面產生多重極化態的反射波。(橙色射線代表任意線極化入射波，藍色射線1代表右旋圓極化反射波，綠色射線2代表任意線極化反射波，藍色射線3代表左旋圓極化反射波，綠色射線4代表交叉極化的線極化反射波)

要點1: 實現可編程線性極化合成功能

該研究團隊利用各向異性時域編碼技術，巧妙地在各向異性編碼超表面的y (x)極化方向構造佔空比可變、相位狀態為0和π的周期性脈衝相位調製，同時使其x (y)極化方向的反射相位在0、π、±π/2中的某個狀態保持不變。當改變方波相位響應的佔空比時，超表面可以實現兩個任意極化方向的線極化波之間的相互轉換以及任意極化方向的線極化波與左/右旋圓極化波之間的相互轉換。



要點2: 實現可編程非線性諧波極化操控

該研究團隊分別在超表面的x和y極化方向上構造兩個相同類型的周期性脈衝相位調製，通過改變施加在x極化相位響應的初相因子和在y極化相位響應的時延因子，超表面陣面可以生成具有特定極化狀態的+1階和-1階諧波。

圖3 四種不同時延和初相因子下的±1階諧波的x和y極化的幅度比和相位差計算和測量結果。(a)表示±1階諧波處的45度線極化波的結果；(b)表示±1階諧波處的相反旋向的圓極化波的結果；(c)表示±1階諧波處的相同旋向的圓極化波的結果；(d)表示-1階諧波處的45度線極化波和+1階諧波處的圓極化波的結果


在實驗中，該研究團隊設計了一款在兩個相互垂直的極化方向上具有較大相位調控範圍、低回波損耗的各向異性時域數字編碼超表面用於該通用極化合成方案的驗證。作為實驗演示，研究團隊在該超表面平臺上實驗驗證了基波任意方向上的線極化波合成和非線性諧波極化合成功能。

圖4 (a)超材料單元的示意圖；(b)(c)單元在兩種極化方向的電磁波入射時的電場分布；(d)(e)實物加工圖



文章連結: 


https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sstr.202000060




稿件來源：柯俊臣    程   強

編       輯：邵睿文

審       核：張磊

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