宽带高效反射电磁波极化调控超表面的实验研究

黄晓俊， 娄颜超， 杨 东， 郭 亮*， 吴怡芬*

(1.喀什大学 物理与电气工程学院， 新疆 喀什 844007; 2.华中师范大学 物理科学与技术学院， 武汉 4300793)

宽带高效反射电磁波极化调控超表面的实验研究

黄晓俊1，2， 娄颜超1， 杨 东2， 郭 亮1*， 吴怡芬1*

(1.喀什大学 物理与电气工程学院， 新疆 喀什 844007; 2.华中师范大学 物理科学与技术学院， 武汉 4300793)

电磁超表面具有传统材料无法实现的新奇电磁特性. 利用超表面来调控电磁波极化状态成为一个热门的研究领域. 本文提出了一种由金属贴片组成的各向异性超表面来实现对水平极化波和垂直极化波的正交极化调控. 数值仿真结果显示所设计的超表面在8.16～15.32 GHz内可以将水平极化或垂直极化入射的电磁波经过反射后分别转换成其正交分量，极化转换率和相对带宽分别达到了95%和60%. 实验结果与数值仿真结果吻合较好. 通过理论计算和表面电流分布详细阐述了极化调控的物理机理.

宽带； 高效率； 极化调控； 各向异性； 超表面

近些年，电磁超表面来引起了学术界的广泛关注，它有着天然物质不具备的特殊性质[1]. 电磁超表面所展现出的新奇的电磁特性主要源自它的亚波长结构，人们可以通过改变其微结构的形状尺寸和排列方式等来任意设计其电磁参数，从而使电磁超表面具有很多天然材料所不具备的性质，诸如负折射率[2]、完美成像[3]、完美吸收等[4]. 极化是电磁波非常重要的一个特征，应用电磁波的极化性能可对探测目标进行探测、识别、编码和抽样，电磁波的极化调控在通信、宇航等高科技领域中获得广泛的应用[5]. 传统的调控电磁波的方法包括光栅调控、二色晶体调控、以及通过双折射效应等调控[6]，但是，由于传统方法设计的极化调控设备和器件的大尺寸和体积在很大程度上限制了其工程应用，尤其是系统集成度的进一步提高，传统极化调控器件的劣势显得更为突出[7]. 随着电磁超表面研究的进一步深入，利用电磁超表面的亚波长结构很好的解决了传统极化调控材料的大尺寸问题[8]. 目前，研究人员利用各向异性超表面和手征超材料实现了对电磁波的极化调控[9]，采用双层各向异性超表面可以实现对线极化的正交极化调控[10]，通过设计其单元结构可以将透射电磁波转换成圆极化电磁波，宽带线极化波极化调控可以利用多层各向异性超表面的电磁磁响应来实现[11]. 另外，对于圆极化电磁波的极化调控可以用传统的螺旋结构来实现[12]. 从目前提出的各种利用超表面来实现电磁波的极化调控的研究来看，最大的缺陷就是极化调控模式单一，工作带宽相对较窄. 因此，多种入射模式的高效率宽频带的电磁波极化调控材料仍然是当前急需解决的问题.

本文提出了一种由金属贴片组成的各向异性超表面来实现高效宽频带的线极化波的反射调控. 数值仿真结果显示所设计的超表面能够在8.16～15.32 GHz内将入射的水平极化或垂直极化波反射后转换成对应的正交分量，极化转换效率和相对带宽分别达到了95%和60%，同时，对斜入射情况下的极化调控特性进行了分析. 通过理论计算和表面电流分布详细解释阐述了极化转换的物理机理. 实验结果与数值仿真结果吻合较好. 所设计的极化调控超表面在电磁隐身、天线、传感器等领域具有广泛的应用.

1 结构设计、仿真与实验

本文设计的反射极化调控超表面的结构如图1所示，图1(a)为超表面基本结构单元，第一层为倾斜45度放置的金属线条，中间层为介质层；底层为金属背板；中间介质板为聚四氟乙烯FR4，其介电常数为4.0， 损耗正切为0.025，结构表面和背衬的覆酮厚度为0.03 mm，其电导率σ=5.8×107S/m. 利用遗传优化算法对模型进行优化设计，最终确定反射极化调控超表面基本单元结构的几何参数为：w=2.6 mm，L=8 mm，p=10.8 mm，t=3.0 mm.

图1 结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure

利用微波仿真软件CST Microwave Studio 2015的频域求解器对所设计的超表面进行仿真，X-Z和Y-Z平面边界设为周期性边界条件(unit cell)，X-Y平面边界设为两端口:-Z方向设为端口1为开放边界，+Z方向设为端口2为理想电边界. 在实验测量中，采用自由空间法进行实验测试. 首先，利用传统的光刻加工技术制备测试样品，制备的样品的单元尺寸与仿真参数保持一致，即在262.5×262.5×3 mm3的覆铜板上上刻蚀图l(a)所示的结构模型，覆铜板的介质基板为FR4， 介电常数和损耗正切分别为4.3 和0.025. 在微波暗室中测量样品的反射特性，两个工作频率为1～18 GHz的喇叭天线作为发射和接收天线，通过同轴电缆将喇叭天线连接矢量网络分析仪(Agilent E8362B)，实验样品放置在平行于地面且距离天线1.2 m的载台上，发射天线和接收天线中垂线的交点在样品的中心处，两个天线之间的夹角大约为5°. 利用同样尺寸大小的标准铝板作为参考面进行校准后测试样品在不同极化方向的反射系数.

2 结果与讨论

当两个互相正交的电磁波分别垂直入射到超表面时，反射波的仿真和实验结果如图2(a)所示，从图2(a)中的仿真结果可以看出，反射电磁波的共极化反射率rxx和ryy在8.16～15.32 GHz范围内小于0.2，而在此频率范围内的交叉极化反射率ryx和rxy几乎接近于1，由此说明，入射的线极化电磁波经过超表面反射后转化成了其交叉极化电磁波. 为了验证仿真结果，在微波暗室中采用自由空间法对样品进行测试，由于所设计超表面结构的对称性，x极化和y极化的反射特性一致，所以在实验中只测试了x极化的反射特性， 实验结果如图2(b)所示. 从实验结果可以看出， 反射电磁波的交叉极化反射率ryx在8.16～15.32 GHz范围内接近于0. 9，而共极化反射率小于0.2. 为了说明极化转换特性，图3给出了极化转化率(PCR)和偏振消光比(PER)的仿真与实验结果. 从图3可以看出，在8.16～15.32 GHz范围内，极化转换率大于95%，同时偏振消光比分别大于20 dB(仿真)和15 dB(实验). 由此说明，所设计的超表面可以在很宽的频带内实现高效的极化转换.

图2 反射率的仿真与实验结果Fig.2 Simulated and experimental results of reflection

图3 极化转换率和偏振消光比仿真与实验结果 Fig.3 Simulated and experimental results of PCR and PER

图4给出了TE波和TM波在不同入射角度下极化转换率的仿真结果，可以看出所设计的超表面在很大程度上并不具备大角度斜入射的特性，因此，这一问题在实际工程应用中需要考虑. 从图4(a)和图4(b)可以看出，无论是TE波还是TM波，在入射角度小于30°的范围内都能够在一定的带宽内实现高效的极化偏转，并且极化转换效率保持在90%以上，随着入射角度的增大，极化转换的带宽在逐渐变小. 当入射角度继续增大时，除了极化转换的频带宽度变窄外，极化转换效率也明显降低，这主要是由前后金属层之间的磁耦合响应随着入射角度的增大逐渐变弱导致的. 当入射角度增大时，分解在垂直入射面上的磁场分量逐渐减小，随着磁场分量的减小，前后层金属之间的谐振也逐渐变弱，导致了极化转换的带宽和效率的下降.

图4 不同入射角度下的极化转换率Fig.4 Polarization conversion ratio under different incident angles

(1)

(2)

图6给出了提取的u和v方向的反射率和相位，从图6(b)可以看出，计算得到的极化转换率仿真和实验结果完全一致. 为了研究极化偏转的物理机理，图7给出了线极化波在三个谐振点f1=8.90 GHz，f2=11.67 GHz和f3=14.46 GHz 处的表面电流分布.从图7(a)可以看出，当入射为x极化的电磁波时，在f1=8.90 GHz处金属贴片的电流分布主要沿着贴片的长轴和背板上的电流形成闭合回路，构成磁偶极子m，表面电流产生的磁场沿着左下方向，将产生的感应磁场分解在x和y方向后可以看出，x方向的磁场分量Hx平行于入射电场，将会产生90°的极化偏转，而磁场的y分量Hy垂直于入射电场，与入射磁场方向一致，不会产生极化偏转. 同样，在f2=11. 67 GHz处，前后层金属在贴片的短轴形成了磁偶极子，如图7(b)所示，表面电流产生的磁场沿着左上方向，磁场的x分量依然会导致正交极化. 在f3=14.46 GHz处，在入射波的激励下，表面产生了三阶谐振，即表面电流形成三个磁偶极子，如图7(c)所示. 三个磁偶极子所形成的合成磁场的方向沿着右下方向，合成磁场的x分量依旧存在，因此依旧可以产生极化转换. 另外，从表面电流的分布可以看出，所形成的电流的闭合回路的路径逐渐变小，说明与之对应的谐振单元在逐渐减小，因而对应的谐振频率在逐渐升高.

图5 电场矢量分解示意图Fig.5 Schematic diagram of electric field vector decomposition

图6 反射和极化转换率Fig.6 Results of reflections and PCR

图7 表面电流分布Fig.7 Surface current distributions

3 结论

本文提出了一种由金属贴片组成的各向异性超表面可以实现高效宽频带的线极化波的反射调控超表面. 数值仿真结果显示所设计的超表面能够在8.16～15.32 GHz内将水平极化或垂直极化入射的电磁波经过反射后转换成对应正交分量，极化转换率效率和相对带宽分别达到了95%和60%，同时，对电磁超表面的斜入射特性进行了分析. 实验结果与数值仿真结果实验和仿真吻合较好.通过理论计算和表面电流分布阐述了极化转换的物理机理. 所设计的极化调控超表面结构简单，易于集成在小型系统中，在电磁隐身、天线、传感器等领域具有广泛的应用.

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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.

国家自然科学基金项目(41474117)；喀什大学博士专项基金项目((15)2544)；喀什大学教研教改课题(KJGY1514)．

*通讯联系人. E-mail: guol-ks@163.com; wyfzks@163.com.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.05.006

1000-1190(2017)05-0591-05