非均匀张量超表面对电磁波辐射方向和极化的独立调控

新型人工电磁媒质(或称超材料)的媒质参数可以人为设计。立体形式的新型人工电磁媒质(即块状超材料)在过去十余年已在诸多领域取得突破,例如电磁波的负折射、完美成像、隐身衣、隐身地毯、电磁黑洞等,以及许多具有新型功能的超材料透镜天线。在这些应用中,三维新型人工电磁媒质多以各向同性或各向异性的形式存在,但全各向异性且非均匀的新型人工电磁媒质依然难以在实际中实现并加以应用。

近年来,作为一类二维形式的新型人工电磁媒质,超表面因具有低剖面、方便加工制作且损耗相对较低等特点而获得广泛关注。研究表明,各向同性或各向异性超表面可自由地控制电磁波的传播路径及极化等特性。但同样面临的难题是,全各向异性且非均匀的超表面因为设计与实现的复杂性,而未得到广泛、深入的研究。

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目前,由东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授、万向博士等组成的科研小组在利用全各向异性(张量)且非均匀的超表面调控电磁波辐射和极化的问题上取得了突破性进展。该团队提出并实现了一个超低剖面的张量非均匀超表面,该超表面由大量开缝的金属单元贴片以及介质衬底组成,展现出在调控电磁波辐射和极化特性方面非凡的灵活性:多波束和极化的独立控制。其研究表明,当偶极子天线在超表面的中心激励时,通过控制超表面单元结构本身特性及调整单元的整体分布,可以实现多波束的生成;由于单元结构提供了极化调控所需的全各向异性,因此每个波束的各自极化特性可以独立设计,例如可以设计成线极化、左旋圆极化、右旋圆极化等。多波束生成以及极化的独立调控在雷达和无线通信系统中有着重要应用,这种超低剖面的超表面天线可望在这些领域取得新的突破。相关论文发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201600111)上。