Small Structures:基于数字编码超表面的可编程线性和非线性极化合成

电磁波的极化是电磁波传播和信息传输的关键参数之一。为了对电磁波的极化状态进行灵活操控,近年来,超表面在极化转换方面的应用引起了科学界和工程界的广泛关注。通过合理设计超表面单元的结构、形状和朝向,超表面可以对入射电磁波极化状态进行转换。2014年,东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授等首次提出了可编程超材料的概念,将有源器件(PIN二极管、变容二极管等)与超表面相结合,可实现动态极化控制。然而,目前的极化转换器件通常对入射波的极化状态具有选择性,这种对入射波极化状态敏感的特点导致这些器件无法精确调控极化,而且从超表面响应出来的电磁波的极化态也非常有限。此外,目前器件的极化转换功能仅适用于同频极化转换,无法完成非线性谐波的极化操控。这些问题制约了极化转换器件在无线通信及雷达监测应用的进一步发展。

针对这些问题,东南大学毫米波国家重点实验室程强教授和崔铁军院士及合作者对空间电磁波的线性与非线性极化合成原理进行了深入研究,提出了一种基于各向异性时域数字编码超表面的通用极化合成方案,实现可编程线性和非线性极化合成。

首先,为了实现线性极化合成功能,该研究团队利用各向异性时域编码技术,巧妙地对各向异性编码超表面某一极化方向的反射相位进行周期性的脉冲调制,当改变脉冲信号的占空比时,超表面可以实现两个任意极化方向的线极化波之间、任意极化方向的线极化波与左/右旋圆极化波之间的相互转换。其次,为解决非线性谐波极化操控问题,该研究团队分别对超表面两个极化方向的反射相位进行周期性脉冲调制,通过改变周期脉冲的时延因子和初相因子,超表面阵面可以生成具有特定极化状态的+1阶和-1阶谐波。理论分析表明,上述方法能够有效地实现可编程线性和非线性极化合成。在实验中,该研究团队设计了一款在两个相互垂直的极化方向上具有较大相位调控范围、低回波损耗的各向异性时域数字编码超表面用于该通用极化合成方案的验证。作为实验演示,研究团队在该超表面平台上实验验证了基波任意极化方向的线极化波合成和非线性谐波极化合成功能。

研究者们相信,这种全新的通用极化合成方案扩大了超表面在极化调控方面的应用范畴,促进了  超表面在时-空-极化联合调控的发展,为精确电磁探测、无线通信和模式识别系统的发展提供了新的思路。相关研究成果以“Linear and Nonlinear Polarization Syntheses and Their Programmable Controls Based on Anisotropic Time-Domain Digital Coding Metasurface”为题在线发表在Small Structures(DOI: 10.1002/sstr.202000060)上。论文通讯作者为东南大学程强教授、崔铁军教授和金石教授,第一作者为东南大学博士生柯俊臣。