林小芳，張旭，孟祥輝

一種可以實(shí)現(xiàn)線-圓和線-交叉極化轉(zhuǎn)換的反射型超表面

林小芳，張旭1，2，孟祥輝1

（1. 曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165；2. 上海市特殊人工微結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

提出了一種可以通過反射同時(shí)實(shí)現(xiàn)2種不同極化形式的極化轉(zhuǎn)換超表面．仿真結(jié)果表明，該超表面在頻帶范圍14.21~16.70 GHz內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)比較理想的線-圓極化波的轉(zhuǎn)換，并且可以在近5 GHz的頻帶范圍（25.50~30.42 GHz）內(nèi)實(shí)現(xiàn)線-交叉極化波的轉(zhuǎn)換，且極化轉(zhuǎn)換率的均值高達(dá)97%左右．該極化轉(zhuǎn)換超表面在毫米波雷達(dá)、天線設(shè)計(jì)等軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值．

超表面；線-圓極化轉(zhuǎn)換；線-交叉極化轉(zhuǎn)換

極化是電磁波重要的特征之一，電磁波的極化分為線極化、圓極化和橢圓極化．不同極化方式的電磁波有著不同的傳播特性，也有著工程領(lǐng)域內(nèi)的不同用途[1]．線極化波到交叉極化波的轉(zhuǎn)換在雷達(dá)探測以及天線中得到了很多的運(yùn)用[2]，但在很多惡劣的環(huán)境中，單一的線極化波不能保證通信質(zhì)量的可靠性和精準(zhǔn)性，所以在這種環(huán)境下運(yùn)用抗干擾性能強(qiáng)并能在惡劣的天氣中具有較好的傳播特性的圓極化波是一個(gè)較好的選擇．除此之外，圓極化波還具有抑制雨霧干擾的能力，在抗極化旋轉(zhuǎn)、抗多徑效應(yīng)等方面有明顯的優(yōu)勢[3]，可以廣泛應(yīng)用于天文探測、系統(tǒng)成像、雷達(dá)等領(lǐng)域．隨著現(xiàn)代軍事的不斷發(fā)展以及人們需求的不斷提高，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)線-圓極化波以及線-交叉極化波轉(zhuǎn)換的器件在天線設(shè)計(jì)、雷達(dá)探測等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值．

超表面是一種亞波長尺寸的超薄結(jié)構(gòu)的二維陣列平面，通過調(diào)控它的單元結(jié)構(gòu)和排列順序可以實(shí)現(xiàn)自然界中的材料無法實(shí)現(xiàn)的功能[4]．傳統(tǒng)的極化調(diào)控器件包括雙折射材料和極化波片等，其調(diào)控原理是通過增加結(jié)構(gòu)的尺寸和厚度來獲得相位的積累，但這種方法存在著厚度大、尺寸大以及加工程度難等缺陷，不利于工程中的運(yùn)用．2011年，哈佛大學(xué)Capasso課題組[5]基于超表面提出了廣義斯涅爾定律，實(shí)現(xiàn)了對電磁波反射、折射的靈活調(diào)控，這一成果發(fā)表在《Science》雜志上．自此，運(yùn)用超表面來實(shí)現(xiàn)極化調(diào)控的文獻(xiàn)不勝枚舉[6-11]，但運(yùn)用超表面同時(shí)實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換和線-交叉極化轉(zhuǎn)換的相關(guān)文獻(xiàn)卻為之較少．

本文提出了一種在較寬的工作頻帶內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換和線-交叉極化轉(zhuǎn)換的反射型極化轉(zhuǎn)換超表面．仿真結(jié)果表明，該極化轉(zhuǎn)換超表面在14.21~16.70 GHz內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)較好的線-圓極化轉(zhuǎn)換效果，工作帶寬范圍達(dá)到了2.49 GHz．同時(shí)，在25.50~30.42 GHz的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了反射系數(shù)高于90%的交叉極化轉(zhuǎn)換．

1 分析與討論

1.1 線-交叉極化和線-圓極化轉(zhuǎn)換原理分析

圖1 超表面結(jié)構(gòu)原理示意圖

若反射波的電場矢量的2個(gè)分量的振幅和相位是任意的，則合成的電磁波是一個(gè)橢圓極化波．

圖3 圓極化轉(zhuǎn)換示意圖

1.2 單元設(shè)計(jì)

圖4 超表面的單元結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真結(jié)果分析

極化轉(zhuǎn)換超表面的同、交叉極化反射系數(shù)曲線見圖5，極化轉(zhuǎn)換率的曲線見圖6，相位差的曲線見圖7．由圖5可見，在14.21~16.70 GHz的頻帶范圍內(nèi)，同、交叉極化反射系數(shù)幾乎相等，其值接近于0.7（同、交叉極化反射系數(shù)值的差值小于0.04）．

圖5 同、交叉極化反射系數(shù)曲線

從圖5中還可以看出，在25.50~30.42 GHz的頻帶范圍內(nèi)，交叉極化反射系數(shù)的最小值大于0.9，在一些頻率點(diǎn)附近交叉極化反射系數(shù)接近于1．此外，從極化轉(zhuǎn)換率曲線（見圖6）中可以看出，在頻段范圍26.13~29.94 GHz內(nèi)，極化轉(zhuǎn)換率的最小值甚至達(dá)到了97%，實(shí)現(xiàn)了超高效率的交叉極化轉(zhuǎn)換．

圖6 極化轉(zhuǎn)換率曲線

圖7 相位差曲線

從圖7的相位差曲線中可以看出，在該頻帶范圍內(nèi)，相位差大小幾乎接近于-90°．從分析得知，反射波電場矢量的2個(gè)分量的幅度相等且相位差為-90°時(shí)，可以合成一個(gè)右旋圓極化波，故該極化轉(zhuǎn)換超表面在該頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了線極化波到右旋圓極化波的轉(zhuǎn)換．

因此，可以得出結(jié)論：該反射型極化轉(zhuǎn)換超表面在14.21~16.70 GHz的頻帶范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)較好的線-圓極化波的轉(zhuǎn)換，在25.50~30.42 GHz的頻帶范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高效率的線-交叉極化波的轉(zhuǎn)換．

3 原理分析

另外，在諧振點(diǎn)26.74 GHz處（見圖8b），表層D型結(jié)構(gòu)中的金屬長條和金屬半圓環(huán)的電流流向均沿左下方流動．底層金屬板的電流流向劃分為2個(gè)區(qū)域來進(jìn)行分析：在D型金屬環(huán)內(nèi)的電流強(qiáng)度較弱，電流流向主要沿右上方的趨勢，但同時(shí)也存在沿左下方的2個(gè)電流趨勢；在除D型金屬環(huán)內(nèi)的區(qū)域外，底層金屬板的電流流向主要沿左下方的趨勢，且這部分區(qū)域上的電流強(qiáng)度較強(qiáng)．因此，從圖8中可以明顯看出，表層和底層結(jié)構(gòu)中的電流流向存在相同和相反的2種情況，其中，起主要作用的還是相同的電流流向，這種相同的電流流向會導(dǎo)致電諧振響應(yīng)的產(chǎn)生[12]3526．故在諧振點(diǎn)26.74 GHz處可以產(chǎn)生電諧振和磁諧振的2種響應(yīng)，但起主要作用的是電諧振響應(yīng)．因此，可以得出當(dāng)電磁波入射到該極化轉(zhuǎn)換超表面時(shí)，由于表層金屬半圓環(huán)和底層金屬背板之間產(chǎn)生的磁諧振作用導(dǎo)致了線極化入射波到圓極化反射波的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的混合諧振作用導(dǎo)致了交叉極化反射波的轉(zhuǎn)換．

圖8 表面電流分布

4 結(jié)語

本文提出了一種由3層結(jié)構(gòu)組成的反射型極化旋轉(zhuǎn)超表面，由表層和底層的金屬結(jié)構(gòu)和中間層的介質(zhì)基板組成．從仿真結(jié)果可以看出，該極化轉(zhuǎn)換超表面在頻段14.21~16.70 GHz內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)較好的線-圓極化波的轉(zhuǎn)換，在頻帶范圍25.50~30.42 GHz內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)較好的線-交叉極化波的轉(zhuǎn)換．最后，通過在諧振點(diǎn)處的表面電流分布圖分析了產(chǎn)生圓極化波和交叉極化波的原理．該極化轉(zhuǎn)換超表面在天線設(shè)計(jì)、雷達(dá)等軍事領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值．

[1] 黃曉俊，婁顏超，楊東，等．寬帶高效反射電磁波極化調(diào)控超表面的實(shí)驗(yàn)研究[J]．華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，51（5）： 592-595

[2] 王世斌，王光明，郭文龍，等．基于超構(gòu)表面的高效寬帶交叉極化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)[J]．微波學(xué)報(bào)，2018，34（4）：60-64

[3] SUN Shang-yi，JIANG Wen，GONG Shu-xi，et al．Reconfigurable linear-to-circular polarization conversion metasurface based on PIN diodes[J]．IEEE Antennas and Wireless Propagation，2018，17（9）：1722-1726

[4] 張玉龍，李萍，石磊．超材料[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2018

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[7] 韓江楓，曹祥玉，高軍，等．一種基于超材料的寬帶、反射型90°極化旋轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)[J]．物理學(xué)報(bào)，2016，65（4）：044201

[8] ZHANG Xu，WEI Ze-yong，F(xiàn)AN Yuan-cheng，et al．Structurally tunable reflective metamaterial polarization transformer based on closed fish-scale structure[J]．Current Applied Physics，2017，17（6）：829-834

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[12] GAO Xi，CAO Wei-ping，LI Hai-ou，et al．Ultrawideband and high-efficiency linear polarization converter based on double V-shaped metasurface[J]．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（8）：3522-3529

A reflective metasurface that can realize linear-circular and linear-cross polarization conversion

LIN Xiaofang1，ZHANG Xu1，2，MENG Xianghui1

（1. School of Physics and Engineering，Qufu Normal University，Qufu 273165，China；2. Shanghai Key Laboratory of Special Artificial Microstructure Materials and Technology，Shanghai 200092，China）

A polarization conversion metasurface is proposed which realizes two different polarization types through reflection．Simulation results show that the metasurface can achieve an ideal linear-circular polarization conversion in the frequency band 14.21~16.70 GHz．In the 5 GHz frequency band（25.50~30.42 GHz），the linear-cross polarization conversion can also be achieved，and the average value of polarization conversion rate is about 97%．The polarization-conversion metasurface has wide application in the fields of millimeter-wave radar and antenna design．

metasurface；linear-circular polarization conversion；linear-cross polarization conversion

O44∶TN92

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.06.008

1007-9831（2020）06-0036-05

2020-01-13

林小芳（1995-），女，山東日照人，在讀碩士研究生，從事基于超表面的極化調(diào)控研究．E-mail：1346631969@qq.com

張旭（1979-），男，山東淄博人，講師，博士，從事超構(gòu)材料及其應(yīng)用研究．E-mail：3449725284@qq.com