Laser & Photonics Reviews: 可激励数字编码超表面的辐射与散射动态调控

研究背景

超表面是一种二维平面人工结构, 通常由单层亚波长尺寸的周期或非周期单元排布而成。传统的静态超表面,通过设计超表面单元结构及参数,控制电磁波的幅度、相位和极化等物理参量,并利用特殊的排布方式可实现对电磁波的灵活调控。2014年可编程数字编码超表面的提出不仅为电磁波的动态调控提供了基础平台,也为其在无线通信、雷达、射频天线隐身等领域的应用开辟了新的领域。可编程数字编码超表面将二极管等有源器件集成至超表面单元,并通过现场可编程门阵列(FPGA)等控制系统调控有源器件的状态,从而可动态实现各类奇异的电磁功能。

现阶段,超表面与辐射天线阵列的一体化集成,在实现信息传输与电磁波交互的同时能够控制辐射阵列的散射特性,已在射频天线隐身领域凸显价值。但是现有辐射阵列的散射调控多为静态隐身,难以满足动态散射调控的应用需求,因此辐射和散射动态调控的可激励数字编码超表面设计研究具有重要的理论意义和实际价值。

成果简介

近日,东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军院士团队提出了辐射与散射动态调控一体的可激励数字编码超表面结构,实现了极化转换、漫散射、涡旋波束辐射、雷达散射截面减缩和低交叉极化辐射等多功能(如图1所示)。该可激励数字编码超表面将各向异性超表面单元、二极管与馈电辐射结构结合,获得了1比特的可激励数字编码超表面单元结构,并通过FPGA控制二极管的状态,实现了反射线-交叉线极化转换、线-圆极化转换、漫散射、散射波束控制以及雷达散射截面减缩。对可激励数字编码超表面进行不同相位激励,能够实现低交叉极化辐射和多模态涡旋波束等功能。

图1 可激励数字编码超表面实现辐射与散射动态一体调控示意图

(1)可激励数字编码超表面的单元及散射特性

该项研究巧妙将馈电辐射结构与斜开口方环的各向异性单元有机结合,并通过在单元中加载矩形和椭圆缝隙,控制辐射和散射的各自工作频段,当二极管“通/1”和“断/0”不同状态时在多个频率独立地实现了线-线和线-圆极化转换控制的电磁功能(如图2ab所示);通过1比特可激励数字编码超表面阵列不同单元的“1”和“0”的状态控制(如图2c所示),可以实现漫散射与散射波束控制。

图2 (a)可激励数字编码超表面单元0状态的反射系数。(b)可激励数字编码超表面单元1状态的轴比曲线;(c)1比特可激励数字编码超表面的不同状态散射效果。

(2)辐射与轨道角动量涡旋波束

将1比特可激励数字编码超表面阵列等面积划分八个区域,基于不同激励的馈电相位,分别设计了高增益波束、-2和2模态的轨道角动量涡旋波束(如图3所示),论文从实验和数值仿真的角度均验证了可激励数字编码超表面不同模态辐射波束的有效性,证实了1比特可激励数字编码超表面可以将散射动态调控与辐射有效集成。

图3 可激励数字编码超表面辐射波束与涡旋波束的电场分布. (a)二极管不同状态时可激励数字编码超表面在6.58GHz的辐射波束与涡旋波束;(b–c) 近场-2和2模态的涡旋波束电场幅度与相位分布。

结论

辐射与散射调控的可激励数字编码超表面的提出,不仅实现了极化转换、漫散射、涡旋波束辐射、雷达散射截面减缩和低交叉极化辐射等多功能的集成,同时也为数字编码超表面在多功能集成微波器件、无线通信、射频天线隐身等领域的实际应用奠定了理论和技术基础。 东南大学毫米波国家重点实验室博士后、空军工程大学副教授李思佳为该项工作的第一作者,崔铁军院士为论文的通信作者。本工作得到了包括科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后基金、高等学校学科创新引智计划、江苏省自然科学基金和陕西省自然科学基金等项目资助。相关成果以“Programmable Controls to Scattering Properties of a Radiation Array”为题发表于Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202000449)上,并于当期Inside back Cover做简要介绍。