受古銅幣靈感設(shè)計(jì)的太赫茲多波束調(diào)控反射編碼超表面

關(guān)鍵詞：太赫茲；編碼超表面；多頻點(diǎn)；圓極化不敏感；太赫茲成像；太赫茲波束分束

中圖分類號(hào)：ＴＮ８２１＋． １；ＴＮ８２８．４文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號(hào)：１００３－３１０６（２０２４）１１－２６４０－０９

０引言

太赫茲波位于電磁波光譜中的微波和紅外之間，波長和頻率分別為０．０３～３．００ ｍｍ 和０．１～１０．０ ＴＨｚ。由于太赫茲波具有低光子能量、高穿透、水分子吸收強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)和高分辨率等［１－２］優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用于無損檢測［３］、成像［４－６］、無線通信［７－８］和安全檢測［９－１０］等領(lǐng)域。但這些傳統(tǒng)器件通常比較笨重且難以集成。超表面是一種由精確排列的亞波長級(jí)別的微結(jié)構(gòu)組成的二維材料。在太赫茲頻段，超表面由一系列微小的、周期性排列的金屬或介質(zhì)納米元件構(gòu)成，可以通過調(diào)節(jié)其單元結(jié)構(gòu)的相位和幅度來操控電磁波的傳播和散射行為。而太赫茲技術(shù)則涉及太赫茲波段的電磁波的產(chǎn)生、操控和應(yīng)用。通過將二者結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)多功能性、高度可控性、集成性和可重構(gòu)性的太赫茲器件［１１－１４］。將超表面與太赫茲技術(shù)結(jié)合可以提供更多的功能和性能優(yōu)勢，為太赫茲技術(shù)的應(yīng)用拓展和進(jìn)一步發(fā)展提供新的可能性。

超表面是由二維亞波長尺寸結(jié)構(gòu)按照周期或非周期排列組成的人工電磁材料，具有許多天然材料不具備的特性［１５］。與傳統(tǒng)的三維超材料結(jié)構(gòu)相比，二維形式組成的超表面具有超薄、低損耗和易加工等［１６－１７］優(yōu)點(diǎn)。２０１４ 年，Ｃｕｉ 等［１８］首次提出了可編程超表面的數(shù)字編碼概念，通過將編碼超表面按照一定的編碼序列排布，可以獲得不同的功能。２０１５ 年，Ｌｉｕ 等［１９］提出了一種各向異性的２-ｂｉｔ 編碼超表面，該編碼超表面在不同的偏振照射下能產(chǎn)生不同的相位分布，從而在太赫茲波段產(chǎn)生不同的波束操縱功能。２０１６ 年，Ｌｉ 等［２０］提出了一種基于偏振轉(zhuǎn)換器的超寬帶反射超材料，通過旋轉(zhuǎn)偏振轉(zhuǎn)換器的旋轉(zhuǎn)角度可以構(gòu)建１-ｂｉｔ 編碼超表面。此后，利用編碼超表面實(shí)現(xiàn)了一系列功能，例如太赫茲波束偏轉(zhuǎn)［２１－２５］、光譜成像［２６－２８］、偏振操縱［２９－３２］、聚焦［３３－３５］、雙頻雙功能編碼超表面［３６］和多功能編碼超表面［３７］等。然而，這些編碼超表面基本上都是單頻點(diǎn)，對(duì)圓極化較敏感，并且只能在單一頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)波束分束、波束偏振和渦旋波束操縱等功能，極大地限制了編碼超表面在太赫茲領(lǐng)域的發(fā)展。

本文從中國古代古銅幣中汲取靈感，設(shè)計(jì)了一種高效、多頻和圓極化不敏感的太赫茲編碼超表面，所設(shè)計(jì)的超表面包含２ 個(gè)單元（單元“０”和單元“１”），它將幾何相位和幅度變化相結(jié)合。在ｘ 線極化波和圓極化波的入射下，利用幾何相位可以分別在０．７、１． ２３４、１．５ ＴＨｚ 構(gòu)建１-ｂｉｔ 太赫茲編碼超表面，實(shí)現(xiàn)不同的波束分束功能。本文通過改變１-ｂｉｔ編碼超表面的半徑構(gòu)建了２-ｂｉｔ 編碼超表面，利用２-ｂｉｔ 編碼超表面可以在０．８７２ＴＨｚ 實(shí)現(xiàn)卷積分束功能，且與理論計(jì)算結(jié)果相一致。在ｘ 線極化波和圓極化波的入射下，利用單元“０”和單元“１”在１．２３４ＴＨｚ 的幅度差異可以構(gòu)建幅度編碼超表面，實(shí)現(xiàn)空間成像功能。設(shè)計(jì)的超表面具有高效、多頻和對(duì)圓極化不敏感的特性，極大地提高了太赫茲波前操縱的效率。

超表面的應(yīng)用原理是基于其對(duì)微納尺度的結(jié)構(gòu)控制能力，通過調(diào)節(jié)超表面的局部結(jié)構(gòu)或單元的相位和幅度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的傳播和散射行為的精確控制。超表面可以用來操縱太赫茲波的傳播方向、波束形狀和強(qiáng)度分布等特性。在太赫茲領(lǐng)域中，通過設(shè)計(jì)超表面的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的相位和幅度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射太赫茲波的操縱。總之，超表面在太赫茲中的應(yīng)用原理是基于其對(duì)太赫茲波傳播和散射行為的精確控制能力。通過調(diào)節(jié)超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多樣化的太赫茲波操縱和功能。

２仿真結(jié)果與討論

２．１單元“０”和單元“１”分析

反射振幅和反射相位是超表面的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。圖２（ａ）～ 圖２（ｄ）顯示了單元“０”和單元“１”的共極化反射幅度和反射相位。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)ｘ 線極化波和圓極化波入射時(shí)，單元“０”和單元“１”在０． ７、１． ５ ＴＨｚ 時(shí)的反射幅度都在０． ９７ 以上且相位相差約１８０°。其中單元“０”的相位為負(fù)，單元“１”的相位為正。當(dāng)頻率為１． ２３４ ＴＨｚ 時(shí)，單元“０”和單元“１”的反射幅度相差約０．９且反射相位反轉(zhuǎn)１８０°。此時(shí)，單元“０”的相位為正，單元“１”的相位為負(fù)。顯然，無論是ｘ 線極化波入射還是圓極化波入射，單元“０”和單元“１”的共極化反射幅度和反射相位都沒有發(fā)生改變。由此可見，所設(shè)計(jì)的超表面單元結(jié)構(gòu)對(duì)圓極化波具有不敏感特性。

在圖３（ａ）中，設(shè)計(jì)的單元“０”在１． ２３４ ＴＨｚ 處吸收了９９．7％ 的入射波，表明幾乎所有的入射太赫茲波被完美吸收。圖３（ｂ）展示了設(shè)計(jì)的超表面單元“０ ”在斜入射下的吸收效應(yīng)。可以看出，在１．２３４ ＴＨｚ 處單元“０”在± ４０° 的入射角下實(shí)現(xiàn)了８５％ 以上的吸收。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的超表面具有良好的寬角吸收性能。

圖４ 是單元“０”在太赫茲波的入射下，頂層金屬結(jié)構(gòu)分別在０． ７、１． ２３４、１． ５ ＴＨｚ 處的電場和電流分布圖。由圖４（ａ）～ 圖４（ｃ）可以看出，在頻率為０． ７、１． ５ ＴＨｚ 時(shí)，在圓形缺口和菱形環(huán)的上側(cè)產(chǎn)生了單極共振，但是在１． ２３４ ＴＨｚ 時(shí)，在圓形缺口環(huán)產(chǎn)生明顯的偶極共振。同樣，從圖４（ｄ）～ 圖４（ｆ）可以看出，在０．７、１．５ＴＨｚ 時(shí)圓環(huán)表面電流非常微弱，而當(dāng)頻率為１． ２３４ ＴＨｚ 時(shí)表面電流得到顯著增強(qiáng)。

２．２ １-ｂｉｔ 太赫茲分束

利用單元“０”和單元“１”構(gòu)建了不同編碼序列的１-ｂｉｔ 編碼超表面。圖５ 展示了在０．７、１． ２３４、１． ５ ＴＨｚ 不同波束分束的遠(yuǎn)場方向圖。當(dāng)編碼序列在０．７、１． ２３４、１． ５ ＴＨｚ 按１０１０１０ ／ １０１０１０ 周期排列時(shí)，反射波束分別被平均反射到２ 個(gè)不同方向、垂直方向和３ 個(gè)不同方向；當(dāng)編碼序列在０．７、１．２３４、１． ５ ＴＨｚ 按１０１０１０ ／ ０１０１０１ 周期排列時(shí)，反射波束分別被反射到４ 個(gè)不同方向、垂直方向和５個(gè)不同方向。這里的每個(gè)編碼序列的單元格選擇由４×４ 個(gè)編碼粒子組成，編碼周期Γ ＝ ９６０ μｍ。因此，在不同頻率通過改變編碼序列來設(shè)計(jì)超表面可以呈現(xiàn)出不同的波束分束情況，從而攜帶更多的信息。

為了證明受類古銅幣啟發(fā)而提出的編碼超表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，分別從反射幅度、反射頻率點(diǎn)和極化敏感性等方面，將本文的研究結(jié)果與其他學(xué)者的研究成果［２１－２３，３９－４０］進(jìn)行了比較，如表１ 所示。結(jié)果表明，在ｘ-線極化波的入射下，反射編碼超表面只在單一頻點(diǎn)產(chǎn)生１８０°的相位差且反射幅度為０．５～０．９。相比之下，所提出的超表面可以在０．７、１． ２３４、１．５ ＴＨｚ 產(chǎn)生１８０°的相位差且對(duì)圓極化波不敏感，展現(xiàn)出更好的性能。

２．３ ２-ｂｉｔ太赫茲分束

通過改變單元“０”和單元“１”的半徑，可以在０． ８７２ ＴＨｚ 構(gòu)建２-ｂｉｔ 數(shù)字編碼超表面。對(duì)于２-ｂｉｔ數(shù)字編碼超表面，數(shù)字“００”“０１”“１０”“１１”分別代表相位差為９０°的４ 種編碼單元。４ 種編碼單元的半徑分別為ｒ_１ ＝ ３６ μｍ，ｒ_３ ＝ ５８ μｍ，ｒ_３ ＝ ５０ μｍ 和ｒ_３ ＝４４ μｍ，且４種編碼單元對(duì)應(yīng)的反射相位分別為－９７°、３． ８°、８８°、１７９°。２-ｂｉｔ 編碼單元所對(duì)應(yīng)的俯視圖和相位如表２所示。

為了驗(yàn)證２-ｂｉｔ 編碼單元的性能，在ＣＳＴ ＭＷＳ中使用頻域求解器對(duì)單元進(jìn)行了仿真。其中，平行于波矢方向的４ 個(gè)面設(shè)為“ｕｎｉｔ ｃｅｌｌ”邊界條件，其他２ 個(gè)方向設(shè)為“ｏｐｅｎ”邊界條件。圖６ 給出了２-ｂｉｔ編碼單元“００”“０１”“１０”“１１”的仿真結(jié)果。可以看出，在０． ８７２ ＴＨｚ 時(shí)，４ 個(gè)單元的反射幅度都在０． ９２以上，且相位分別相差約９０°。

單元“０”和單元“１”在１． ２３４ ＴＨｚ 的反射幅度差異較大，在ｘ 線極化波和圓極化波入射下可以實(shí)現(xiàn)近場成像功能。設(shè)計(jì)“ＨＬＴＩ”圖案由２ 種不同類型的超表面單元結(jié)構(gòu)組成，其中字母部分排布為單元“１”，其余部分排布為單元“０”，編碼超表面由３２×３２ 個(gè)單元組成，如圖９ 所示。

圖１０展示了在距離超表面為１５０ μｍ 時(shí)，觀測到的“ＨＬＴＩ”圖案的良好成像效果。總體而言，利用超表面單元的幅度差異特性可以實(shí)現(xiàn)良好的近場成像效應(yīng)。

３結(jié)束語

傳統(tǒng)的太赫茲編碼超表面一般只工作在單一頻點(diǎn)且對(duì)圓極化波較敏感，極大地限制了其應(yīng)用。本文結(jié)合幾何相位和幅度２ 種參量的變化，提出了一種高效率、多頻點(diǎn)和對(duì)圓極化不敏感的類中國古銅幣的超表面單元。該超表面包含２個(gè)單元結(jié)構(gòu)（單元“０”和“１”）。本文基于幾何相位原理，分別設(shè)計(jì)出了１-ｂｉｔ 太赫茲編碼超表面和２-ｂｉｔ太赫茲編碼超表面，通過排布不同的編碼序列，在ｘ 極化波和圓極化波的入射下，所設(shè)計(jì)的編碼超表面可以在０． ７、１． ２３４、１． ５、０． ８７２ ＴＨｚ 實(shí)現(xiàn)不同的波束調(diào)控功能。同一超表面利用單元“０”和單元“１”在１．２３４ ＴＨｚ的幅度差異可以構(gòu)建幅度編碼超表面，在ｘ 極化波和圓極化波的入射下，實(shí)現(xiàn)空間成像功能。設(shè)計(jì)的多頻點(diǎn)且對(duì)圓極化波不敏感的太赫茲編碼超表面在太赫茲通信和成像領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景。

作者簡介 李銀飛 女，（１９９６—），碩士研究生。主要研究方向：超表面天線、電磁超表面等。

楊晟凡 男，（１９９８—），碩士研究生。主要研究方向：等離激元等。

李明星 男，（１９９０—），博士，講師。主要研究方向：微波毫米器件、天線與系統(tǒng)。

秦瑤 女，（１９８１—），博士，教授。主要研究方向：微波器件、糧食含水量微波檢測等。

（*通信作者）蔡成欣 男，（１９８９—），博士，副教授。主要研究方向：電磁超表面、超材料等。