一種具有頻移特性的超寬帶極化旋轉超表面

林小芳，張旭，周彩月，曹海燕，周崇波，孫琳

一種具有頻移特性的超寬帶極化旋轉超表面

林小芳，張旭1，2，周彩月3，曹海燕4，周崇波3，孫琳1

（1. 曲阜師范大學 物理工程學院，山東 曲阜 273165；2. 上海市特殊人工微結構材料與技術重點實驗室，上海 200092；3. 曲阜師范大學 軟件學院，山東 曲阜 273165；4. 山東服裝職業學院 信息工程系，山東 泰安 271000）

操控電磁波的極化狀態在各個工程領域中都有重要的作用和參考價值．為了更好地實現電磁波的極化調控，提出了一種具有頻移特性的超寬帶極化旋轉超表面．仿真結果表明，通過改變超表面的結構參數，其交叉極化反射率大于0.9的頻帶范圍分別為6.17~14.29，6.67~17.31，8.87~23.19，13.26~35.07 GHz，實現了頻帶范圍從8.12 GHz到21.81 GHz的藍移和擴展．其中，在13.26~35.07 GHz的頻帶范圍內，極化轉換率的最小值為95%左右，近乎完美地實現了超寬帶、高極化轉換率的極化轉換效果．另外，提出的超表面在其工作頻帶范圍內的2個頻率點上還可以實現線極化入射波到圓極化反射波的極化轉換．該極化旋轉超表面在天線設計、雷達等通信領域有重要的應用．

超表面；頻移特性；超寬帶；頻帶擴展；高極化轉換率；線-圓極化轉換

電磁波的極化調控是電磁學領域中一個重要的研究內容，在通信、天線以及雷達遙感等領域都有重要的應用和參考價值．傳統的極化調控器件包括雙折射材料和光柵調控等[1]592，它們具有尺寸較大、結構復雜和損耗較高等劣勢．因此，尋找到一種結構簡單、尺寸較小和易于調控等優勢的極化調控器件對極化調控領域的發展具有重要意義．

超表面是一種具有超常物理特性的復合型人工電磁材料，通過對超表面單元結構的亞波長尺寸周期或非周期地排列，可以實現天然材料所不具備的一些超常電磁特性[2-3]，如奇異反射和折射[4]、完美成像、高增益表面等[5]．2007年文獻[6]首次提出運用超表面來實現電磁波的極化調控，相比于傳統的極化調控器件具有更易操作、尺寸小和損耗低等優勢．這一突破性的研究成果迅速吸引了學者們的廣泛關注，相應的文獻也層出不窮．黃曉俊[1]等提出了一種具有寬帶特性的各向異性超表面，在8.16~15.32 GHz的工作帶寬內實現了高效的交叉極化轉換，極化轉換率可達至95%；韓江楓[7]等設計了一種基于超表面的寬帶、反射型極化旋轉體，在5.5~14.5 GHz的頻帶內實現極化轉化率大于90%的極化轉換；于惠存[8]等提出了一種超寬帶特性的反射型極化旋轉超表面，在15.81~17.26 GHz的頻帶范圍內實現了極化轉換率大于80%的線極化波入射波到交叉極化反射波的極化轉換．此外，還有許多學者運用超表面實現了線-圓極化轉換[9-12]、線-線極化轉換[13-16]以及圓-圓極化轉換的極化調控器件[17]．提及的研究內容充分證明了運用超表面來實現極化調控的可能性及優勢所在．但運用超表面來實現電磁波極化調控的潛力還遠不止于此，實現具有頻譜搬移能力和超寬帶的超表面結構仍是未來超表面發展的熱點方向．

基于此背景，本文提出了一種在較寬的頻帶范圍內可以實現交叉極化轉換的超表面，并可以通過原比例縮小超表面單元的結構參數來實現工作帶寬自低頻向高頻擴展的特性．仿真結果表明，在改變結構參數的4個超表面上，交叉反射率大于0.9的工作帶寬分別達到了6.17~14.29，6.67~17.31，8.87~23.19，13.26~35.07 GHz，且極化轉換率的最小值均近似為90%，較好地實現了工作頻帶的藍移和擴展．另外，在這4個工作帶寬內，其極化轉換率在多個諧振點上均能達到近似100%的極化轉換效果．

1 設計與仿真

本文提出的極化旋轉超表面通過原比例縮小其整體的結構參數來獲得工作帶寬的頻移特性（某些結構參數可能存在0.1 mm之內的變化，不影響最終的效果，可忽略不計），整體不同的結構參數以結構周期的不同來進行說明和區分，分別是結構周期為10，8，6，4 mm的極化旋轉超表面．單元結構示意圖以結構周期為6 mm的超表面為例進行分析（見圖1），該極化旋轉超表面由上層的金屬貼片、中間層的介質基板和下層的金屬背板組成．上層金屬貼片的結構由2個大小不等的金屬圓環和一根金屬長條組成．金屬長條相對于豎直方向順時針旋轉45°，２個金屬圓環分別位于超表面單元的左下方和右上方．

圖1　超表面的單元結構示意圖

2 分析與討論

該極化旋轉超表面在不同結構參數下仿真的同、交叉極化反射率曲線見圖2．其中，紅色實線代表交叉極化反射率曲線，藍色虛線代表同極化反射率曲線. 從圖2可以看出，隨著超表面單元的結構周期從10 mm以公差2遞減到4 mm時，其交叉極化反射率大于0.9的頻帶范圍由6.17~14.29 GHz變化到13.26~35.07 GHz，實現了工作頻帶的藍移．以帶寬最窄的結構周期為10 mm的超表面為例來說，從圖2a中可以看出，除了在11.87 GHz的頻率點上的交叉極化反射率取得最小值為0.90外，頻帶范圍內的其它頻率點上均能實現大于0.90的極化轉換．其中，在6.93~8.99 GHz的頻帶范圍內，交叉極化反射率的最小值甚至大于0.99．當超表面單元的結構周期分別減小到8 mm 和6 mm時，交叉極化反射率大于0.90的工作頻帶范圍由6.17~14.29 GHz擴展至6.67~17.31 GHz和8.87~23.19 GHz．而當超表面單元的結構周期為4 mm時，交叉極化反射率大于0.90的頻帶范圍甚至達到了13.26~35.07 GHz.

圖2　不同結構參數的超表面的同、交叉極化反射率曲線

另外，該極化旋轉超表面的極化轉換率曲線見圖3．從圖3中可以看出，4個不同結構參數的超表面在上述提及的工作頻段范圍內，極化轉換率的最小值均在90%以上. 其中，在13.26~35.07 GHz處，極化轉換率的最小值甚至在95%左右，且隨著結構參數的減小，工作帶寬明顯有從低頻到高頻擴展的趨勢．綜上，通過改變該極化旋轉超表面的結構參數，不僅可以實現工作頻帶的藍移和擴展，也可以在工作頻帶范圍內實現高效率的交叉極化轉換．

圖3　不同結構參數的超表面的極化轉換率曲線

圖4　不同結構周期的超表面的相位差曲線

3 仿真結果原理分析

反射波表示為

（2）

圖5　超表面單元的結構原理示意圖

圖6　表面電流分布示意圖

4 結論

本文提出了一種具有頻移特性的極化旋轉超表面．通過改變該極化旋轉超表面的結構參數，不僅可以實現工作帶寬的藍移和頻帶擴展，還可以在超寬帶的范圍內實現高效率的交叉極化轉換效果．其中，在改變結構參數的一個單元結構中，極化轉換率在22 GHz左右的工作帶寬內可以實現極化轉換率高于95%的極化轉換效果．該極化旋轉超表面在天線設計、濾波器、雷達等通信領域具有重要的應用前景．

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[8] 于惠存，曹祥玉，高軍，等．一種超寬帶反射型極化轉換超表面設計[J]．空軍工程大學學報，2018，19（3）：60-65

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An ultra-broadband polarization conversion metasurface with frequency-shifting characteristics

LIN Xiaofang1，ZHANG Xu1，2，ZHOU Caiyue3，CAO Haiyan4，ZHOU Chongbo3，SUN Lin1

（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；3. School of Software，Qufu Normal University，Qufu 273165，China； 4. Department of Information Engineering，Shandong Vocational Institute of Clothing Technology，Taian 271000，China）

Manipulating the polarization state of electromagnetic waves plays an important role in various engineering fields．In order to better achieve the polarization conversion of the metasurface，an ultra-wideband polarization conversion metasurface with frequency-shift characteristics is proposed．By changing the structural parameters of the metasurface，the range of the cross-polarization reflection with a minimum value greater than 0.9 are 6.17~14.29，6.67~17.31，8.87~23.19，13.26~35.07 GHz from the simulation results，respectively．The band extends and blue shifts from 8.12 GHz to 21.81 GHz．Among them，in the band of 13.26~35.07 GHz，the minimum value of the polarization conversion rate is about 95%，and the polarization conversion effect of ultra-wideband and high polarization conversion rate is almost perfectly realized．The ultra-broadband characteristics and high polarization conversion rate are realized based on the metasurface．In addition，the presented metasurface is able to convert the linearly polarized incident wave into circularly polarized reflection wave at two frequency points of the four metasurfaces in different parameters，it has important applications in antenna design，radar and other communication fields.

metasurface；frequency-shifting；ultra-wideband；band expansion；high polarization conversion rate；line-circular polarization conversion

O44∶TN92

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.04.012

1007-9831（2020）04-0055-06

2020-01-02

上海市特殊人工微結構材料與技術重點實驗室開放課題基金資助（hxkj2019007）；山東省自然科學基金項目（ZR2017MD019）；山東省高?？萍加媱濏椖浚↗15LN08）；曲阜師范大學科研啟動基金項目（20130154）

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

周崇波（1978-），男，山東青島人，講師，博士，從事信號處理研究．E-mail：zhoucbqf@163.com