毫米波宽带高增益介质超透镜天线设计

基于相位补偿原理设计了一款全介质超透镜,同时使用喇叭天线作为馈源对透镜进行馈电.通过改变介质单元的高度和介质孔的深度实现了足够的相位补偿范围.该透镜共有506个单元,口径尺寸为44.6 mm×46.6 mm,该传输阵天线的焦径比为1.天线使用全介质结构,因此使用3D打印技术加工该全介质透镜,可以降低加工成本.仿真与实测...     

基于遗传算法的宽带高增益全介质透镜天线优化设计

提出一种基于多目标遗传算法的透镜天线优化方法,将透镜天线的增益和1-dB增益带宽作为优化目标,通过算法改变透镜的拓扑结构来实现优化. 设计了一款宽带、高增益的全介质透镜天线,并利用3D打印技术对透镜进行加工,降低了加工成本. 实测结果表明在6~18 GHz内馈源天线的增益提高了6.4~10 dB,在18 GHz该透镜天线增益达到了23.8 dBi,最大口径效率为51.9%,1-dB增益带宽为40%. 验证了该设计方法的有效性,同时也为透镜天线的优化设计提供了一种快捷、便利的方法.     

一种基于Fano共振的全介质超表面折射率传感器

提出了一种以“双C”形硅纳米天线为基本单元的全介质超表面折射率传感器。介绍了法诺(Fano)共振的原理,通过建立法诺共振解析模型,解释了该传感器反射率谱曲线不对称线型形成的物理机制。用电磁仿真软件对介质超表面进行了数值仿真,仿真结果显示该超表面用作折射率传感器时具有较高的灵敏度、Q因子与FOM值,分别达到228nm/RIU、1162与243。     

基于全介质超表面的微流体折射率传感器

基于全介质超材料的电磁属性,提出了一种基于硅缺口盘单谐振器的超表面微流传感装置;利用时域有限差分(FDTD)法进行仿真模拟,仿真结果表明,该结构可以产生三重Fano共振,包括可被入射光直接激发的明偶极共振以及非对称性结构下明暗模式干扰产生的一个高阶模式杂化共振和一个磁共振。另外,分析了结构参数(缺口长度和宽度、结构的周期、硅盘半径和厚度)对Fano共振的影响以及微流装置中分析物厚度对传感特性的影响,得到参数优化后的结构的灵敏度最大可达到400.36nm/RIU,品质因数Q最大可达到1252.3,并证明了溶液厚度在一定范围内增大可以提升传感检测的性能。     

基于Fano共振的全介质超表面双参数传感器

与金属超表面相比,全介质超表面具有较低的欧姆损耗和较尖锐的共振峰。提出了一种基于“θ”形全介质硅超表面的双参数传感器。通过增加空孔破坏周期单元结构的对称性,从而产生两个Fano共振峰,其中第一个Fano共振峰为连续域中的准束缚态(QBIC),两个峰的光谱对比度分别为71.4%和99.4%。利用商用多物理场仿真软件COMSOL对该超表面周期结构进行模拟仿真,结果表明,传感器在两个Fano共振峰处的折射率传感灵敏度分别为278.9 nm·RIU^-1和230.0 nm·RIU^-1,优值(FOM)最大为9387,品质因子(Q)最大为9735。本传感器能够同时实现折射率和温度的双参数测量,仿真结果显示两个共振峰的温度传感灵敏度分别为18.86 pm·℃^-1和42.71 pm·℃^-1。     

全介质超表面中的手性太赫兹响应

基于单层金属手性谐振器的超表面在垂直入射条件下很难激发较大的手性光学响应,难以形成与电偶极矩不正交的面内磁偶极矩分量。光场在介质超原子中激发的位移电流可能引发面内磁矩,进而实现高效的手性光学响应。基于无损的全硅超表面在太赫兹波段实现了巨大的手性响应。手性硅柱中的泄露波导模式同时激发了面内电偶和磁偶极矩,从而引发了自旋选择的后向电磁辐射,进而实现了太赫兹波的手性光学响应。利用线栅偏振片搭建了偏振相关的时域光谱测试系统,测得透射光谱中的圆二色性峰值达0.2。这种制备简单的全硅超表面为太赫兹手性超器件的设计提供了新的思路,有望应用于太赫兹偏振成像、光谱检测等领域。     

一种基于超表面的低剖面宽带透镜天线

提出一种新型的基于超表面的低剖面宽带高增益透镜天线,该透镜采用宽带的电偶极子天线作为馈源,设计中心频率工作在10 GHz.针对超表面透镜在不同位置的折射率的需求,同时提出了一种新型的非谐振超材料单元,该单元由三层介质板组成,中间一层是印有十字形带状线的双层印刷板.通过改变上下两层介质的介电常数,可以达到不同的折射率变化范围,从而实现透镜的中间层和阻抗匹配层对折射率的需求.所提出的透镜天线设计方法可以获得21 dBi的最高增益以及58%的-10 dB阻抗带宽.更重要的是所提出的具有高折射率的超材料单元可以实现只有0.32λ₀的透镜厚度,大大减小了透镜的剖面.最后进行了加工实验,对所提出的方法和仿真结果进行了验证,实验结果表明,透镜天线的实测带宽、方向图和增益都与仿真理论结果有较好的吻合度.     

基于超表面的卫星天线设计进展综述

超表面是由亚波长尺寸单元密集排布组成的平面结构,具有强大的电磁波调控能力,而基于超表面的新型卫星天线在缓解业务多样化和用户数量激增方面极具潜力。介绍了目前卫星天线发展现状趋势,对传统天线加载超表面和单一超表面天线加以区分,归纳了加载超表面后天线所具有的低剖面、多极化、波束控制等优势,综述了超表面作为主要辐射元件的天线设计。分析了超表面在不同天线设计方案中的工作原理、效能以及存在的优势与不足,最后讨论了超表面卫星天线的发展方向,指出超表面技术在卫星天线设计领域中具有实用价值。     

基于渐变折射率超表面的宽带高增益端射天线

提出了一种基于渐变折射率调制超表面的紧凑、宽带化、高定向性端射天线。该天线采用阶梯微带线-槽线结构作为馈线、准八木天线作为馈源、所设计渐变折射率超表面作为寄生结构,既可实现天线带宽拓展,又具有增益提升效果。仿真结果表明,天线可以在紧凑化尺寸情况下(尺寸为0.644λ₀×0.729λ₀×0.017λ₀,λ₀为中心频点所对应的自由空间波长),实现3.66～9.13 GHz频带内的良好阻抗匹配,相对带宽为85.5%,同时,在宽频带范围内,天线的增益浮动在4.78～8.81 dBi,且具有良好稳定的辐射特性。所提出的紧凑、宽带高定向性端射天线可以应用于空间受限的走廊、隧道等平台环境中。     

基于超表面的超宽带低剖面双极化天线

提出了一款基于超表面的超宽带低剖面双极化天线。该天线由2对垂直放置的偶极子和超表面阵列组成。由于采用双极化形式,能够引入附加的谐振点,从而拓展了天线的带宽。为了实现低剖面特性,偶极子天线加载了具有同相反射相位的超表面阵列。此外,通过超表面阵列的切角设计,改善高频段的电压驻波比和辐射方向图。该天线剖面高度仅为38 mm(0.1λ),在0.81～2.35 GHz(97.4%)频带内,电压驻波比(VSWR)小于2,端口隔离度大于15 dB,增益为5～11 dBi。     

All-Dielectric Crescent Metasurface Sensor Driven by Bound States in the Continuum

Metasurfaces based on quasi-bound states in the continuum (quasi-BICs) constitute an emerging toolkit in nanophotonic sensing as they sustain high quality factor resonances and substantial near-field enhancements. It is demonstrated that silicon metasurfaces composed of crescent shaped meta-atoms provide tailored light-matter interaction controlled by the crescent geometry. Significantly, this metasurface not only exhibits a fundamental quasi-BIC resonance, but also supports a higher-order resonance with tunable electromagnetic field enhancement and advantageous properties for sensing. The higher-order resonance shows twice the sensitivity of the fundamental one for bulk refractive index sensing. It is further demonstrated that both the fundamental and higher-order resonances can be exploited for sensing ultrathin layers of biomolecules in air and buffer solutions. Specifically, when measuring in buffer solution, the figure of merit of the sensor, defined as the change in the spectral position of the resonance normalized to its full width at half maximum, is a factor of 2.5 larger for the higher-order resonance when compared to the fundamental one. Due to its high sensitivity and potential for straightforward microfluidic integration, the silicon crescent metasurface is ideally suited for real-time and in situ biosensing, enabling compact sensing devices for a wide range of diagnostic applications.     

基于宽带极化转换超表面的天线RCS缩减

针对天线隐身问题,设计了一款宽带极化转换超表面加载的缝隙阵列天线。超表面采用渐变L型枝节的设计方法,其极化转换比大于0.9的工作带宽为79.2%。为缩减一款2×2的H形缝隙阵列天线的雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS),将超表面结构加载到该天线上方。对阵列天线及超表面天线分别进行了仿真和测试,超表面天线的辐射特性保持良好,同时其RCS对于垂直入射方向上的x和y极化波分别在13.4～30.5 GHz和13.1～30.7 GHz得到10.0 dB的缩减。     

基于超表面的宽带低剖面圆极化天线设计

设计并制备了一种基于超表面的宽带低剖面圆极化天线。该天线由上下两层构成,下层是传统的线极化缝隙微带天线,上层是由方形切角单元构成的超表面。分析了超表面将线极化波转换成圆极化波的工作原理,并对影响天线圆极化带宽的参数进行了优化。仿真结果表明:加载超表面后,不仅使天线辐射圆极化波,还扩展了天线的阻抗带宽,天线相对阻抗带宽达到17%,3 dB轴比带宽达到7.2%。为了验证设计的有效性,加工、测试了天线实物样品,并与仿真结果进行了对比。实测结果与仿真结果吻合较好,说明该天线具备宽带圆极化特性。最终天线整体尺寸仅为0.4λ×0.4λ×0.03λ,天线的剖面较低,非常有利于与载体共形的应用。     

一种加载超表面结构的宽带天线设计北大核心CSCD

文中通过加载超表面(Metasurface,MTS)的方式设计了一款超表面的宽带微带天线,将传统的矩形辐射贴片替换成超表面结构,提高了微带天线的电性能。天线通过共面波导的阶梯型孔径馈电。超表面印刷在介质板顶面,而介质板底面为共面波导馈电电路,从而增加了超表面与底层馈电孔径之间的耦合。超表面和阶梯型的孔径共同作用,使天线获得了较宽的阻抗带宽。文中设计的天线结构简单,外形紧凑。该天线的-10 dB相对阻抗带宽约为56.4%(7~12.5 GHz),覆盖整个X波段,主辐射方向偏离法向30°。实验测试结果与仿真结果吻合较好,为军事领域中的侦查和探测以及超宽带短距离室内定位中的天线设计提供了思路。     

基于单层超表面的电大尺寸天线阵RCS减缩仿真分析

提出了一种基于单层透波型阻抗超表面(Transparent Resistive Metasurface, TRM)的电大尺寸天线阵RCS减缩方法。该超表面在垂直极化10 GHz处产生低插损透波窗口,而在其他频点和极化条件下作为有耗阻抗表面,天线阵列在带外频段近似全反射,可以作为接地面实现宽带吸波的RCS减缩。采用国产电磁仿真软件EastWave对"电大尺寸+精细结构"的"天线阵+超表面阵列"进行了全波仿真分析,评估单层透波阻抗超表面对电大尺寸天线阵的RCS减缩及辐射性能的影响。仿真结果表明,在天线阵增益损耗小于1 dB条件下实现同极化下带外频段和交叉极化下全频带的宽带吸波,为大型天线阵隐身设计提供了技术支撑。     

基于电调超表面及柱面反射面的相控阵天线设计

提出了一种基于电调可重构超表面的低成本相控阵天线。该天线结构由天线底部的抛物线反射面馈电网络、上层的波导缝隙阵列及在波导中加载的电调超表面3部分组成,通过抛物线反射面将馈源在天线下层平板波导中产生的柱面波转换为平面波并用来激励天线上层的波导缝隙阵列。为了实现低成本的波束扫描,在每条独立的波导缝隙天线前端加载了具有360°相位调制能力的电调超表面。通过改变变容二极管上的偏置电压的大小可改变超表面的透射相位,实现连续的波束扫描能力。该天线可实现±30°的连续波束扫描,最大副瓣电平值为-13 dB,增益变化为-2 dB。该天线的低成本、高效率的波束扫描特性使其非常适合应用在一些低成本的雷达及通信系统中。