Advanced Science:可重构超构表面实现电磁波自适应回溯

回溯器(Retroreflector)又称后向反射器或回波器,它是一种可以将入射电磁波反射至发射源方向的装置。由于具有明显的背向反射增强特性,回溯器自提出以来被广泛用于信标、目标探测增强等技术,在海上救援、无线通信、无人机测控等领域有重要应用价值。传统的回溯功能通常使用角反射器、龙伯透镜以及猫眼反射器等装置来实现,一般具有较大的体积与非平面化结构,因而不能适用于对小型化、集成化有较高要求的应用场景中。近年来,超构表面作为一种由亚波长谐振结构按照一定的周期排列组成的人工复合材料,具有轻薄、高效以及易于集成的优势。在此基础上,可任意重构的超构表面进一步拓展了对电磁波调控的手段和方法,受到研究人员的广泛关注,形成了电磁调控器件研究领域的新“范式”。近几年,已有相关研究工作者利用可重构超构表面的方式实现了具有平面结构的角度自适应回溯器,但是大多数工作存在效率较低、适用角度范围小以及回溯功能限制于特定入射面内的问题,一定程度上限制了超构表面回溯器的实际应用。

近日,南京大学电子科学与工程学院冯一军教授团队提出了一种基于电控机械旋转功能基元的可重构超构表面,并实现了对入射电磁波的动态自适应回溯功能,如图1所示。首先通过对Pancharatnam-Berry相位调控的理论分析,构建了具有高效反射的双“C”形谐振环功能基元,并利用微型旋转步进电机控制单元的旋转方向,从而实现了对圆极化电磁波的全相位调控。在此基础上,通过理论计算得到电磁波在不同入射角度条件下,超构表面实现高效回溯所对应的相位梯度以及旋转角度空间分布特性,并利用控制电路动态调整所有单元的旋转角度。此外,通过在超构表面上加载二维相位梯度分布,可进一步将自适应回溯功能拓展至后半空间其他方向入射电磁波。该研究成果为研制可重构电磁器件提供了新的有效途径,有望应用于圆极化波束控制、多目标定位和无线通信等方面,并且这一设计方法具有良好的可扩展性,可为太赫兹和光波段的微机电可重构超构表面提供新的设计思路。

图1机械可重构超构表面实现大角域自适应电磁波回溯示意图

南京大学博士研究生杨维旭为论文的第一作者,陈克副教授与冯一军教授为论文的共同通信作者,南京大学赵俊明教授和姜田教授也参与了该工作。

论文信息:

Angular-Adaptive Reconfigurable Spin-Locked Metasurface Retroreflector

Weixu Yang, Ke Chen*, Yilin Zheng, Wenbo Zhao, Qi Hu, Kai Qu, Tian Jiang, Junming Zhao, Yijun Feng*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202100885

原文链接:

https://doi.org/10.1002/advs.202100885