太赫兹超表面计算全息

全息术是一种三维成像技术,它已经被应用于多种实际场景。随着计算机科学与技术的迅猛发展,计算全息由于其方便和灵活的特性,已经成为一种广泛应用的全息成像方法。本文回顾了我们近期基于超表面的太赫兹计算全息研究进展。其中,作为全息板的超表面展示出了超越传统光学器件的独特性能。首先,利用超表面实现了对于全息板每个像素的相位振幅同时且独立的调控,进而实现了高质量全息成像。这种新的电磁波操控能力也带来了新的全息成像效果,如利用介质超表面实现了全息像沿传播方向上的连续变化。其次,对超表面在不同偏振态下的响应进行设计,分别实现了线偏振态与频率复用、圆偏振态复用、以及基于表面波的偏振复用超表面全息术。此外,本文提出了依赖于温度变化而主动可控的超表面全息术,为今后计算全息术的设计与实现提供了新的方案,也推动了超表面在实际应用方面的发展。     

Novel ultra‐compact two‐dimensional waveguide‐based metasurface for electromagnetic coupling reduction of microstrip antenna array

A novel ultracompact two‐dimensional (2D) waveguide‐based metasurface is proposed herein and applied for the first time to reduce mutual coupling in antenna array for multiple‐input multiple‐output applications. The unit cell of the proposed 2D waveguide‐based metasurface is ultracompact (8.6 mm × 4.8 mm, equal to λ₀/14.2 × λ₀/25.5) mainly due to the symmetrical spiral lines etched on the ground. The metasurface exhibits a bandgap with two transmission zeros attributing to the negative permeability in the vicinity of magnetic resonance and the negative permittivity in the vicinity of electric resonance. Taking advantage of these two features, a microstrip antenna array is then designed, fabricated, and measured by embedding an 8 × 1 array of the well‐engineered 2D waveguide‐based metasurface elements between two closely spaced (9.2 mm, equal to λ₀/13.3) H‐plane coupled rectangular patches. There is good agreement between the simulated and measured results, indicating that the metasurface effectively reduces antenna mutual coupling by more than 11.18 dB and improves forward gain. The proposed compact structure has one of the highest reported decoupling efficiencies among similar periodic structures with comparable dimensions. © 2015 Wiley Periodicals, Inc. Int J RF and Microwave CAE 25:789–794, 2015.     

基于石墨烯超表面天线的太赫兹动态相位调控及波束扫描

太赫兹波频段介于毫米波和红外光之间,具有诸多优异特性,太赫兹天线更是太赫兹通信、雷达和成像等应用系统中的核心元器件。然而,目前报道的太赫兹天线均无法满足较大动态范围的相位扫描、高效率辐射和大偏转角度的需求。该文设计了 3 种石墨烯太赫兹天线,最小尺寸为 5 μm,并对其辐射效率和相位调控特性进行研究,进而提出具有双共振模式的石墨烯-金属太赫兹超表面天线,缓解了传统的基于单共振模式的相位动态调控范围和辐射效率之间的矛盾,实现了 0～360°的动态相位调控,且辐射效率高于 20%。该研究采用微加工工艺进行样品加工,通过改变栅极电压,在实验上获得了 1.03 THz 的太赫兹动态相位调控,反射率高于 23%,与仿真结果基本吻合。在此基础上,该文基于连续相位编码设计了石墨烯超表面相控阵天线,理论上实现了太赫兹波束在－25°～25°范围内的实时波束偏转。该文为解决超表面相控阵天线的相位动态调控范围小、辐射效率低等难题提供了新的研究思路。     

A high gain wideband circularly polarized antenna with asymmetric metasurface

An asymmetric‐metasurface based wideband circularly polarized (CP) microstrip antenna using a coaxial probe is proposed for L‐band applications. The antenna involves a stacked asymmetric‐metasurface, a radiating rectangular‐patch and a coaxial feed. An asymmetric‐metasurface is designed using rectangular unit cells and smaller size unit cells along one of the diagonal lines. The asymmetric‐metasurface is placed above a radiating rectangular‐patch with support of foam layer to achieve a wideband CP radiation. The measured performance of the prototype antenna achieves an impedance bandwidth (?10 dB return loss bandwidth) of 15.7% (1.58‐1.85 GHz) with CP bandwidth (3‐dB axial ratio) of 13% (1.58‐1.80 GHz) and gain of ≥9 dBic.     

二氧化钒的相变调控特性及可重构超表面天线应用研究

对二氧化钒(VO₂)薄膜的相变调控特性及方法进行了理论分析和实验探索。采用电激励方式研究了不同电极对相变程度的影响,发现电极尺寸和形状与绝缘状态下电阻的变化密切相关,从而影响相变程度。此外,相变程度也受不同调控方式的影响,可以用焦耳热原理解释。进一步将VO₂薄膜与超表面结构相结合,设计实现了大范围频率可重构的超表面天线。相比传统开关,VO₂薄膜在毫米波频段具有隔离度高、损耗低的优势,可为进一步研制高性能可调器件和天线提供重要的技术指导。     

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。     

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。     

基于透射型超表面的宽带线圆极化转换器设计

提出了一种工作在S波段和C波段的宽频透射型线-圆极化波转换器,其由五层超表面级联而成.超表面正面的金属拓扑结构为对称U形,背面为连续螺旋.当线极化波垂直入射时,所提出的线-圆极化转换器在2.5～5.6 GHz内插入损耗小于0.9 dB,透射波轴比小于3 dB,实验结果和仿真基本一致.该极化转换器可用于空间电磁波的极化转...     

基于尺寸渐变超表面宽带高增益低剖面天线

设计了一种基于尺寸渐变超表面的宽带高增益低剖面天线,该天线由双层超表面和一层微带缝隙组合而成。双层超表面由分别印刷在2个介质板上的尺寸渐变六边形阵列贴片组成,贴片之间存在非等距间隙。超表面单元尺寸渐变设计能够使天线产生多个邻近的谐振点,从而展宽带宽。通过改变超表面天线尺寸结构,分析天线的宽带辐射特性。为获得最佳宽带性能,采用遗传算法优化天线几何参数。制作并测试了一款边长为43.3 mm,厚度为4.853 mm的样本天线用于验证仿真结果。实测结果显示,该天线-10 dB阻抗带宽达到了54%(3.99～6.93 GHz),最高增益达到12.05 dB,在4～6 GHz范围内增益保持在8 dB以上。该天线实现了宽频带、高增益、低剖面的特点,适用于宽带高速率无线通信的诸多领域。     

石墨烯动态调控太赫兹泄漏波的研究

设计了一种基于石墨烯动态调控太赫兹泄漏波的调制器件。通过调节石墨烯费米能级的大小,改变了金属-介质-石墨烯(MIG)超表面结构的共振响应,从而达到调控太赫兹泄漏波的功能。仿真结果表明:随着石墨烯费米能级从10 meV到60 meV和介质层厚度从20μm到200μm的变化,通过优化电控石墨烯MIG结构最终实现了35 GHz的频率扫描范围,并伴有电磁响应状态从过阻尼至欠阻尼的转变;在过阻尼状态下结构的电磁响应仅存在共振吸收而在欠阻尼状态下具有类电磁诱导透明现象,使具有这种显著变化特征的电控石墨烯MIG结构可应用于高灵敏的生物检测中。本器件具有构型简单、调控方便的特点,在生物分子和材料折射率检测等方面具有广泛的应用前景。