高向軍 朱莉 郭文龍

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

高極化純度的超表面透鏡設(shè)計(jì)與應(yīng)用?

高向軍 朱莉 郭文龍?

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

透鏡,各向異性超表面,極化純度

針對超表面在透鏡方面的應(yīng)用,基于各向異性超表面單元設(shè)計(jì)了一款高極化純度的聚焦超表面透鏡,并探討了其在高增益高極化純度天線方面的應(yīng)用.設(shè)計(jì)了一款具有極化濾波特性的各向異性超表面單元,單元對x極化波保持高透性的同時,對y極化波保持近乎為零的透射率.利用該型單元設(shè)計(jì)了焦距為30 mm、陣列大小為105 mm×105 mm、單元數(shù)為21×21的聚焦超表面透鏡.根據(jù)光路可逆原理,焦點(diǎn)處發(fā)出的球面波被超表面透鏡有效轉(zhuǎn)化為平面波,從而達(dá)到提高天線增益的目標(biāo).實(shí)驗(yàn)中分別用不同極化形式的球面波照射聚焦超表面來研究超表面對不同極化波的控制特性.結(jié)果表明,x極化波照射時,超表面工作于透鏡模式,球面波轉(zhuǎn)化為平面波,天線增益大大提高;y極化波照射時,超表面類似于金屬板,將入射波全部反射;x/y極化混合波照射時,天線增益大大提高,且極化隔離度高于25 dB,充分說明設(shè)計(jì)的聚焦超表面在提高x極化波增益的同時可高效濾除y極化波,達(dá)到了高增益高極化純度的目標(biāo).

1 引 言

操控電磁波波前一般采用波傳播方向上的相位積累來實(shí)現(xiàn),但這種方法大多要求器件具有較大的電尺寸,限制了其在微波頻段的應(yīng)用[1].鑒于此,電尺寸較小的超表面可較好地解決這個問題.超表面作為新興的二維人工電磁超材料[2,3],在較薄的介質(zhì)基板上刻蝕金屬諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相位突變,并將不同尺寸的單元按照某種相位排布組合起來,最終達(dá)到操控電磁波波前的目的[4?6].相較于傳統(tǒng)的相位積累法而言,利用超表面操控電磁波前的方式剖面及損耗均較小.因此,超表面一經(jīng)提出就被大量研究者應(yīng)用于微波乃至光波等領(lǐng)域的透鏡研究[7?10],也就是所謂的聚焦超表面透鏡(focusing metasurface lens,FMSL)[11].聚焦超表面透鏡通常是利用一系列尺寸不同但周期相同的超表面單元來產(chǎn)生不同的相位突變,并按照雙曲線型相位分布組合而成的周期型陣列結(jié)構(gòu)[12,13],其功能主要在于將照射波聚焦到一點(diǎn),從而達(dá)到能量收集或波束聚焦的目的[14].2011年哈佛大學(xué)Capasso課題組首次提出廣義折反射定律與超表面的概念后[2],又于2012年提出了基于V型納米天線的超薄型突變超表面透鏡[15],為利用超表面設(shè)計(jì)平面透鏡提供了理論與技術(shù)基礎(chǔ).同年,復(fù)旦大學(xué)周磊課題組基于工型結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)了微波頻段的反射型超表面透鏡[16],并基于并矢格林函數(shù)分析了該型超表面上的電流分布.而后,南丹麥大學(xué)Pors課題組基于相位梯度超表面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了光波頻段的寬帶聚焦超表面[17].在聚焦超表面的應(yīng)用方面,空軍工程大學(xué)王光明課題組基于光的可逆原理先后利用微波頻段的透射型[18]、反射型聚焦超表面[19]構(gòu)造了高增益的透鏡天線.此外,為提升超表面透鏡的傳輸效率,解決超表面中諧振結(jié)構(gòu)的金屬層固有的歐姆損耗,湖南大學(xué)羅海陸課題組利用全電介質(zhì)超表面先后設(shè)計(jì)了光頻段的全電介質(zhì)透鏡[20]以及光子自旋過濾器[21,22].總體而言,伴隨著突變相位超表面的提出,聚焦超表面憑借其平面、超薄且易于加工等諸多特性受到了科學(xué)研究人員的廣泛關(guān)注,逐漸成為新材料技術(shù)的一大研究熱點(diǎn).

歷經(jīng)多年的發(fā)展,聚焦超表面透鏡在廣大研究人員的不懈努力下逐漸從光波頻段發(fā)展到聲波頻段[23],帶寬由窄帶擴(kuò)展為寬帶[24].然而,對于各向異性聚焦超表面透鏡的研究仍然不多.基于此,本文利用改進(jìn)型柵狀單元設(shè)計(jì)了高極化純度的各向異性超表面透鏡.首先,通過改進(jìn)柵狀結(jié)構(gòu)的超表面單元,設(shè)計(jì)了可將x,y極化波分離到超表面前向與后向可同時有效操控透射波相位的單元.而后利用該單元構(gòu)造了聚焦型超表面透鏡,該透鏡可在高效聚焦x極化波的同時有效濾除y極化波,實(shí)現(xiàn)高極化純度聚焦.根據(jù)光路可逆原理,將設(shè)計(jì)的超表面透鏡應(yīng)用到高增益天線中.仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,透鏡天線在提高x極化波增益的同時能夠有效濾除y極化波,從而保證透鏡天線的高增益與高極化純度.該型透鏡及其應(yīng)用結(jié)合了極化濾波與超表面透鏡的雙重功能,對極化純度要求較高的部分通信領(lǐng)域具有較大的潛在應(yīng)用價值.

2 單元設(shè)計(jì)

圖1所示為一般的柵狀單元及其對不同線極化波的傳輸特性,其中圖1(a)為單元的主視圖,圖1(b)為單元的自由視圖,圖1(c)為單元在水平極化波(x極化波)與垂直極化波(y極化波)照射條件下的傳輸特性圖.單元尺寸p=5 mm,柵條寬度a=4 mm,介質(zhì)基板選用厚度h=1 mm,相對介電常數(shù)εr=4.3,使用介質(zhì)損耗角正切為0.001的環(huán)氧玻璃布板.單元結(jié)構(gòu)圖中的黃色部分為介質(zhì)表面涂覆的金屬銅,厚度為0.036 mm.將該單元置于CST軟件中進(jìn)行電磁仿真,選用周期邊界且用不同極化程度的線極化波照射該單元,結(jié)果如圖1(c)所示.可以看出在15 GHz附近,單元對x極化波保持全透射且對y極化波保持全反射,能夠?qū)崿F(xiàn)一定的極化分離功能.考慮到要調(diào)控透射的x極化波,通過調(diào)節(jié)柵條寬度a實(shí)現(xiàn)對透射波的相位調(diào)節(jié).圖2(a)和圖2(b)分別為y極化波照射條件下的反射率與反射相移,可以看出,調(diào)節(jié)柵條寬度不影響y極化波的高效反射且反射相移變化不大.圖2(c)和圖2(d)為x極化波照射條件下的透射率與透射相移,可以看出,隨著柵條寬度的變化,單元始終能夠在15 GHz附近保持對x極化波的高效透射與較大的相移覆蓋范圍.但單元對x極化透射波的相位調(diào)控范圍仍然達(dá)不到360°,無法滿足操控透射波的相位要求.基于此,通過多層堆疊的方式來擴(kuò)展單元的透射相移.經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),最終選取三層堆疊的單元進(jìn)行超表面設(shè)計(jì),圖3(a)為三層單元的側(cè)視圖,圖3(b)和圖3(c)為單元在x極化波照射條件下的透射率與透射相移.可以看出,通過利用三層堆疊的多諧振效應(yīng),不僅能夠使單元在15 GHz附近對x極化波保持較高的透射率,而且還能有效地拓展單元的相位覆蓋范圍.為了更明確地展示這種多層堆疊效應(yīng)帶來的相位擴(kuò)展,圖4給出了單層與三層單元的透射相位隨極化柵寬度變化的對比曲線,從中可以明顯看出這種多層堆疊效應(yīng)帶來的相位調(diào)控范圍的擴(kuò)展,由此也進(jìn)一步證明三層堆疊型單元可有效操控透射的x極化波,達(dá)到了單元設(shè)計(jì)要求.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)設(shè)計(jì)的柵狀超表面單元 (a)主視圖;(b)自由視圖;(c)單元分別在x,y極化波照射條件下的傳輸特性Fig.1.(color online)The designed grating metasurface cell:(a)Top view;(b)perspective view;(c)transmission characteristics under illumination of x-and y-polarized waves.

圖2 (a)單層?xùn)艩顔卧趛極化波照射條件下的反射率;(b)單層?xùn)艩顔卧趛極化波照射條件下的反射相移;(c)單層?xùn)艩顔卧趚極化波照射條件下的透射率;(d)單層?xùn)艩顔卧趚極化波照射條件下的透射相移Fig.2.(a)Re fl ectivity and(b)re fl ected phase shift of the single-layered cell under y-polarized wave illumination;(c)transmissivity and(d)transmitted phase shift of the single-layered cell under x-polarized wave illumination.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)(a)三層堆疊型單元側(cè)視圖;(b)x極化波照射條件下的透射率;(c)x極化波照射條件下的透射相移Fig.3.(color online)(a)Side view of the triple-layered cell;(b)transmissivity and(c)transmitted phase shift under x-polarized wave illumination.

圖4 單層與三層單元的透射相位隨極化柵寬度的變化情況Fig.4.Variation in transmitted phase shifts of single-layered cell and triple-layered cell with polarized grating width.

3 高極化純度的超表面透鏡設(shè)計(jì)

通過對柵狀結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行多層堆疊,在單元層面實(shí)現(xiàn)了全反射y極化波的同時高效透射x極化波,初步實(shí)現(xiàn)了極化濾波功能.我們通過構(gòu)建雙曲線型相位分布

來構(gòu)建超表面透鏡,式中Φ(x,y)為坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)處的透射相移,F為焦距,λ為工作波長.將(1)式所示相位分布依據(jù)上文設(shè)計(jì)的單元尺寸進(jìn)行離散化處理,

式中p為單元尺寸,m,n為單元序數(shù),且m(n)=0,±1,±2,±3,···.基于(2)式,設(shè)置焦距F=30 mm,設(shè)定頻點(diǎn)為f=15 GHz.依據(jù)(2)式計(jì)算并繪制圖5(a)所示相位分布,并據(jù)此選擇單元,最終構(gòu)建圖5(b)所示聚焦超表面.超表面陣列大小為105 mm×105 mm,單元數(shù)為21×21.為研究設(shè)計(jì)的聚焦超表面特性,利用軟件CST Microwave Studio對設(shè)計(jì)的聚焦超表面進(jìn)行電磁仿真,具體設(shè)置如圖5(c)所示.仿真中設(shè)置x,y,z方向均為開放型邊界條件,且分別利用沿+z方向傳播的x,y極化平面波照射該聚焦超表面,以研究其對不同極化波的操控特性.圖5(c)中綠色平面(xoz面)為設(shè)置的電場監(jiān)視器,藍(lán)色實(shí)線為設(shè)置的監(jiān)測線,主要用來監(jiān)測中心平面與中心軸線上的電場以及能量分布.圖6(a)和圖6(b)分別為y,x極化波照射條件下仿真所得的電場分布.可以看出,y極化波照射時,入射波被全反射;x極化波照射時,入射波高效透射且被聚焦于超表面另一側(cè).由此可知,設(shè)計(jì)的聚焦超表面具有各向異性,從波傳播角度講,其僅對x極化波有透射聚焦作用而對y極化波有阻斷傳播的作用.因此,無論入射波為何種極化波,該聚焦超表面始終能夠保證透射波的極化純度與高效聚焦,可視作一種高極化純度的超表面透鏡.為進(jìn)一步驗(yàn)證這種效果,圖6(c)給出了x,y極化波照射條件下的端口反射率.可以看出,在15 GHz附近,y極化波表現(xiàn)出較高的反射率,而x極化波的反射率低于?10 dB,這與近場結(jié)果相互印證,進(jìn)一步說明設(shè)計(jì)的聚焦超表面在高效聚焦x極化波的同時能夠有效濾除y極化波,實(shí)現(xiàn)了極化濾波與波束聚焦的雙重功能.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)(a)超表面上的相對相位分布;(b)聚焦超表面;(c)聚焦超表面的仿真設(shè)置圖Fig.5.(color online)(a)The relative phase distribution on the metasurface;(b)the focusing metasurface;(c)the simulation setting of the focusing metasurface.

為進(jìn)一步探究超表面對x極化波的聚焦性能,仿真并計(jì)算了xoz面上的能量分布,如圖7(a)所示.可以看出,垂直入射的x極化波被有效聚焦于超表面的另一側(cè),且焦點(diǎn)位于超表面中心軸線上的某一點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了波束聚焦功能.為探究焦距的遠(yuǎn)近,圖7(b)給出了超表面中心軸線上的歸一化能量分布,可以看出能量峰值位于z=30.8 mm處,這與設(shè)計(jì)的焦距F=30 mm相一致,進(jìn)一步證明了設(shè)計(jì)理論的有效性與可行性.為說明聚焦效果,圖8(a)給出了z=30.8 mm平面上的能量密度分布,其面內(nèi)中心的聚焦光斑也進(jìn)一步佐證了這種高效的聚焦效果.為量化這種聚焦效果,給出了z=30.8 mm平面內(nèi)中心線上的歸一化能量分布,定義焦寬為能量峰值下降一半時的寬度,則據(jù)圖8(b)可以得出聚焦的焦寬為10.6 mm(?5.3 mm,5.3 mm),即15 GHz處的0.53個波長,接近于衍射極限,更進(jìn)一步說明了設(shè)計(jì)的聚焦超表面透鏡能夠有效地將平面波聚焦到焦點(diǎn)處.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)(a)y極化波與(b)x極化波照射條件下的xoz面內(nèi)電場分布;(c)不同極化波照射條件下的端口反射系數(shù)Fig.6.(color online)The electric fi eld distribution on xoz plane under illumination of(a)x-polarized and(b)ypolarized waves;(c)the port re fl ectivity under different polarized wave illumination.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)x極化波照射條件下(a)xoz面內(nèi)能流分布與(b)中心軸線上歸一化能量分布Fig.7.(color online)(a)The energy fl ow distribution on the xoz plane and(b)the normalized energy distribution along the central axis under x-polarized wave illumination.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)x極化波照射條件下(a)z=30.8 mm面內(nèi)能流分布與(b)面內(nèi)中心線上的歸一化能量分布Fig.8.(color online)(a)The energy fl ow distribution on the z=30.8 mm plane and(b)the normalized energy distribution along its central axis under x-polarized wave illumination.

4 高增益透鏡天線中的應(yīng)用驗(yàn)證

透鏡將平面波聚焦到一點(diǎn)的同時,必然能夠?qū)⒔裹c(diǎn)處發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)化為平面波,據(jù)此來設(shè)計(jì)透鏡天線.首先設(shè)計(jì)圖9(a)所示貼片天線,天線中心頻率為15 GHz,有效帶寬 (帶寬|S11|≤?10 dB)為14.5—15.5 GHz.圖9(b)為天線仿真與測試的遠(yuǎn)場結(jié)果.容易看出,天線的峰值增益只有5.8 dB,方向性并不強(qiáng).且天線尺寸l=14 mm,較超表面透鏡而言比較小,因此可作為發(fā)射球面波的饋源.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)(a)貼片天線及其反射系數(shù);(b)貼片天線的遠(yuǎn)場仿真與測試的遠(yuǎn)場結(jié)果Fig.9.(color online)(a)The patch antenna and its refl ectivity;(b)simulated and measured far- fi eld results of the patch antenna.

將貼片天線置于聚焦超表面焦點(diǎn)處,組成圖10(a)所示透鏡天線系統(tǒng).貼片饋源的具體放置方式如圖10(b)所示.通過旋轉(zhuǎn)饋源的方式獲得不同極化形式的入射波,以研究各向異性透鏡對不同極化波的控制特性.具體地,照射波的極化形式滿足

式中E為輻射強(qiáng)度,?為饋源旋轉(zhuǎn)角,ex,ey為x,y方向的單位矢量.定義極化隔離度來說明饋源輻射波的極化特性.(3)式為一般輻射波的電場形式,可以看出,任意極化波均可以分解為y與x極化波的疊加.定義y與x極化波電場分量幅值之比的平方為極化隔離度,取dB值,再取絕對值,具體的極化隔離度(單位為dB)公式為

具體到天線遠(yuǎn)場,有

仿真中設(shè)置饋源旋轉(zhuǎn)角?分別為0°,90°,45°以獲得x,y,x/y極化照射波.需要注意的是?=45°時,照射波可認(rèn)為是等幅同相的x,y極化混合波,其極化隔離度最差,為0 dB,據(jù)此研究該型透鏡的極化抑制特性.圖11所示為x極化波照射條件下的結(jié)果,其中圖11(a)為xoz面內(nèi)電場分布,圖11(b)為遠(yuǎn)場結(jié)果,圖11(c)為15 GHz時透鏡天線與貼片饋源的遠(yuǎn)場對比圖.容易看出,該型超表面透鏡對x極化波高效透射,且有效地將球面波轉(zhuǎn)化為平面波,從而大幅度提高了饋源增益.圖12(a)和圖12(b)分別為y極化波與x/y極化波照射條件下的遠(yuǎn)場結(jié)果.y極化球面波照射時,入射波被全反射,其透射方向被有效抑制;而x/y極化波照射時,其遠(yuǎn)場結(jié)果表現(xiàn)為x極化波與y極化波單獨(dú)照射時的疊加,且峰值增益為16.4 dB,比x極化波單獨(dú)照射時小3 dB左右.這主要是輻射能量被均分為x,y極化波且透鏡對y極化波全反射所致.仿真結(jié)果與理論符合較好,充分說明了該型透鏡在提高饋源x極化波增益的同時可有效抑制其交叉極化分量.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)(a)超表面透鏡天線的仿真設(shè)置;(b)貼片饋源放置方式Fig.10.(color online)(a)Simulation setting of the metasurface lens antenna;(b)setting of the patch source.

為進(jìn)一步驗(yàn)證該型高極化純度透鏡的性能,我們依托中國兵器工業(yè)集團(tuán)206所,利用物理光刻技術(shù)加工并制作了圖13所示微波超表面透鏡.其中,介質(zhì)板材選用介電常數(shù)εr=4.3、介質(zhì)損耗角正切為0.001的環(huán)氧玻璃布板,金屬層為銅,多層結(jié)構(gòu)之間采取熱壓方式層合,如圖13(a)所示.將該透鏡與加工完成的貼片天線組裝成為圖13(b)所示透鏡天線系統(tǒng),并置于微波暗室中進(jìn)行遠(yuǎn)場測量.需要注意的是,我們不僅要研究透鏡對x極化波增益的提高,還要驗(yàn)證其對y極化波的抑制效果.因此,圖13(b)中的貼片饋源輻射電磁波的極化形式為x/y極化.由于其輻射等幅的x,y極化波,故可認(rèn)為饋源極化隔離度為0 dB.圖14所示為中心頻率為15 GHz時的仿真與測試遠(yuǎn)場結(jié)果.可以看出,仿真與測試結(jié)果符合較好,x極化峰值增益約為16.3 dB,主輻射方向的極化隔離度達(dá)到26.9 dB.由此可以看出,該型透鏡在大幅度提高饋源增益的同時,也大大提高了輻射波的極化隔離度,從而同時實(shí)現(xiàn)了高極化純度與高增益.

圖11 (網(wǎng)刊彩色)x極化波照射條件下(a)xoz面內(nèi)電場分布圖;(b)三維遠(yuǎn)場方向圖;(c)15 GHz處透鏡天線與貼片饋源的遠(yuǎn)場對比Fig.11.(color online)(a)The electric fi eld distribution on xoz plane,(b)the 3D far- fi eld result,and(c)the far- fi eld contrast between the patch source and the lens antenna at 15 GHz under x-polarized wave illumination.

圖12 (網(wǎng)刊彩色)(a)y極化波與(b)x/y極化波照射條件下的三維遠(yuǎn)場方向圖Fig.12.(color online)The 3D far- fi eld results under illumination of(a)y-polarized and(b)x/y-polarized waves.

圖13 (網(wǎng)刊彩色)加工聚焦超表面的(a)主視圖和(b)側(cè)視圖Fig.13.(color online)(a)Front view and(b)side view of the fabricated focusing metasurface.

圖14 (網(wǎng)刊彩色)x/y極化波照射條件下15 GHz處xoz面遠(yuǎn)場方向圖Fig.14.(color online)The far- fi eld result on xoz plane at 15 GHz under x/y-polarized wave illumination.

為探究該型透鏡的工作帶寬,圖15給出了14—16 GHz范圍內(nèi)仿真與測試的天線增益結(jié)果.我們主要利用三個指標(biāo)來衡量該型透鏡天線的工作帶寬.其一是1 dB增益帶寬,定義為峰值增益下降1 dB所對應(yīng)的工作帶寬,主要用于衡量透鏡能否高效提升饋源增益的有效帶寬.從圖14可以看出,該型透鏡天線的1 dB增益帶寬為14.7—15.4 GHz,小于貼片饋源的工作帶寬(14.5—15.5 GHz),因此可認(rèn)定該型透鏡的有效工作帶寬為14.7—15.4 GHz,相對帶寬為4.7%.其二為極化隔離度大于25 dB的帶寬,主要用于衡量輻射波的極化純度與透鏡對y極化波的抑制效果,從圖14可以得出隔離度大于25 dB的帶寬為14—15.5 GHz,完全覆蓋了天線的1 dB增益帶寬.綜合這兩個指標(biāo),可以認(rèn)定該型透鏡在14.7—15.4 GHz范圍內(nèi)不僅能夠大幅度提高饋源增益,而且能夠高效抑制交叉極化分量,最終保證該型透鏡天線在該頻段范圍內(nèi)的高增益、高極化純度特性.除此之外,為衡量該型透鏡的傳輸效率,我們基于天線遠(yuǎn)場結(jié)果求得透鏡天線的口徑效率,并以此指標(biāo)反映該型透鏡的傳輸效率.需要注意的是,盡管天線的口徑效率與透鏡的傳輸效率相關(guān),但在相同條件下不同頻率的遠(yuǎn)場結(jié)果卻是透鏡效率的直接反映.由于實(shí)驗(yàn)測試中的饋源極化形式為x/y極化,因此在計(jì)算透鏡天線對x極化波的口徑效率時,在x極化波遠(yuǎn)場增益基礎(chǔ)上疊加了3 dB并以此補(bǔ)償饋源能量的損失.如圖15所示,若以20%的口徑效率作為有效輻射帶寬,則可得該型透鏡天線的輻射帶寬為14.7—15.4 GHz,與前文所述有效帶寬一致.綜上所述,通過結(jié)合天線的1 dB增益帶寬、極化隔離度大于25 dB帶寬以及口徑效率高于20%帶寬,可知該型透鏡天線的有效帶寬為14.7—15.4 dB.換言之,設(shè)計(jì)的該型高極化純度透鏡的工作帶寬為14.7—15.4 dB,相對帶寬為4.7%.

圖15 (網(wǎng)刊彩色)超表面透鏡在x/y極化波照射條件下的帶寬特性Fig.15.(color online)The bandwidth of the focusing metasurface lens under x/y-polarized wave illumination.

5 結(jié) 論

本文提出一種新型高極化純度超表面透鏡,該透鏡在高效聚焦照射波的同時能夠有效濾除交叉極化分量.該型超表面透鏡可在高效透射水平極化波的同時全反射垂直極化波,從而同時實(shí)現(xiàn)極化濾波和高效聚焦水平極化波.根據(jù)光路可逆原理,將該型電磁超表面透鏡應(yīng)用于高增益天線.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,即便照射波的極化隔離度為0 dB,該型透鏡也可在大幅度提高饋源增益的同時將極化隔離度提高到25 dB以上,充分證明了該型透鏡的交叉極化抑制特性,也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性.該型透鏡結(jié)合了極化濾波與波束聚焦雙重功能,透射效率高,極化純度高,厚度薄(0.15λ)且加工簡便,相較于傳統(tǒng)透鏡而言優(yōu)勢明顯,在無線通信等領(lǐng)域有較大的潛在應(yīng)用價值.

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Design and application of high polarized purity metasurface lens?

Gao Xiang-Jun Zhu LiGuo Wen-Long?

(Air and Missile Defense College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China)

22 March 2017;revised manuscript

30 May 2017)

Dealing with potential applications of metasurface in lens technologies,we propose a focusing metasurface with high polarized purity based on anisotropic elements,and then put it into application of high gain antenna with high polarized purity.Firstly,we design a metasurface cell with the polarization fi ltering characteristic,which is capable of transmitting thex-polarized waves efficiently while re fl ecting they-polarized waves completely.By changing the metallic patch size,we can modulate the phase shift for thex-polarized transmitting waves.Then by imposing a hyperboloidal phase pro fi le onto the surface,we design a metasurface lens with 105 mm×105 mm in size,21×21 in cell number,and 30 mm in focal length.According to the principle of reversibility of light path,the spherical waves emitted from the patch antenna can be converted into plane waves by the focusing metasurface lens,which is used to improve the antenna gain.As for the experiment,we tend to obtain the metasurface lens impinged by differently polarized waves in order to study the lens response to differently polarized waves.The results show that the metasurface acts as a lens when impinged by thex-polarized waves but serves as a re fl ector when illuminated by they-polarized waves.That is to say,they-polarized waves are mostly fi ltered out while thex-polarized waves are efficiently transmitted and focused,which is in good accordance with the designed principle.Assuming that a patch antenna emits thex/y-polarized waves at the focal point,we obtain not only the antenna gain improved remarkably but also polarized isolation above 25 dB in the operating bandwidth of the designed metasurface.The results of the antenna application give a further proof of the designed lens which eventually contributes to the high gain and high polarized purity of the lens antenna.

lens,anisotropic metasurface,polarized purity

(2017年3月22日收到;2017年5月30日收到修改稿)

10.7498/aps.66.204102

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:61372034)資助的課題.

?通信作者.E-mail:13259461383@163.com

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:41.20.Jb,73.20.MfDOI:10.7498/aps.66.204102

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61372034).

?Corresponding author.E-mail:13259461383@163.com