利用电磁超表面双物理特性的系统级设计实现对电磁辐射波的极致调控

电磁超表面(metasurface)可视为二维超材料(metamaterial)。相对于传统的超材料,电磁超表面具有低剖面、低损耗、低成本等优势而备受关注。对于物理界面处的表面电磁波,电磁超表面可分别调控其表面折射率和表面阻抗,以实现特定功能。而之前的电磁超表面设计仍然处于器件级阶段,因此其功能性和系统性得不到明显提升。

中国东南大学毫米波国家重点实验室的崔铁军教授和李允博博士等人提出了电磁超表面的系统级设计方法,并进行了理论分析和实验验证。该研究团队利用电磁超表面的双物理特性,即调控表面折射率和表面阻抗,实现了对电磁辐射波在二维空间内的全空间波束扫描。相关结果发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201600196

该团队通过对电磁超表面的表面折射率和表面阻抗的灵活调控,分别设计出表面龙伯透镜作为馈电结构和一维表面阻抗调制器作为表面波和空间波的转换装置,仅利用有限个不同馈电点激励和不同工作频率即可实现表面波和二维空间(俯仰向和方位向)波的转换。这一设计充分发挥了电磁超表面的优势,没有用到任何有源器件,从而大大降低了系统的复杂性和成本。该研究提出了电磁超表面系统级设计方法,巧妙地将表面波馈电结构和表面波与空间波转换装置结合在一起,形成了高效、低剖面的空间电磁波调控系统。在具体设计中,为了满足电磁超表面的渐变连续性要求,研究人员选择了同一种电磁超表面单元(介质接地贴片)来同时实现表面折射率和表面阻抗的双物理特性设计,大大地简化了设计难度。从整体上看,这是一款由同一种电磁超表面单元设计的电磁辐射波极致调控的低剖面系统。由于该系统具有低剖面、低成本、易于集成等优势,在卫星通信和遥感、雷达探测等多个领域具有重要的应用前景。Untitled