极化反射人工电磁表面

针对以往的人工电磁表面器件只能实现一种电磁功能的现象,提出一种可以根据电磁波极化方向改变其反射方向的人工电磁表面.依据广义菲涅尔反射定律,通过选择x和y方向上的相位梯度分布,电磁波在两个方向反射角可任意调节.以具有两个参数可调的矩形三明治结构为基本单元,基于数值拟合的方法合理选择单元尺寸,搭建6周期和12周期的极化反射人工电磁表面,CST仿真表明,该人工电磁表面系统对x极化和y极化入射的电磁波其反射方向完全相反,并且其反射角可以通过改变周期进行灵活调节,仿真结果和理论分析相吻合.该方法设计的极化反射人工电磁表面器件与传统的极化反射器件相比具有设计简单、体积小、成本低等优势.     

基于迂回相位和几何相位复合的散射调控超表面

提出了一种基于迂回相位和几何相位复合的电磁散射调控超表面设计方法,以实现不同入射角下对电磁波的独立调控。作为设计实例,采用能够实现宽带极化转换的开口谐振环(SRR)作为超表面结构单元,通过移动和旋转SRR同时引入迂回相位和几何相位,构成超表面反射相位设计方案。当电磁波垂直入射到超表面时,几何相位设计使得散射波分裂为两束,实现了分束功能;斜入射时,大部分散射波被引导至-1阶衍射通道,通过迂回相位设计实现了波束偏折功能。仿真和测试结果均验证了其良好的散射波束调控性能。基于几何相位和迂回相位的散射调控超表面设计方法丰富了超表面操纵电磁波的自由度,并可进一步与传输相位、共振相位等复合推广到全空间散射波束调控超表面设计。     

宽带高效反射电磁波极化调控超表面的实验研究

电磁超表面具有传统材料无法实现的新奇电磁特性. 利用超表面来调控电磁波极化状态成为一个热门的研究领域. 本文提出了一种由金属贴片组成的各向异性超表面来实现对水平极化波和垂直极化波的正交极化调控. 数值仿真结果显示所设计的超表面在8.16～15.32 GHz内可以将水平极化或垂直极化入射的电磁波经过反射后分别转换成其正交分量,极化转换率和相对带宽分别达到了95%和60%. 实验结果与数值仿真结果吻合较好. 通过理论计算和表面电流分布详细阐述了极化调控的物理机理.     

复合相位调控的单层双功能反射型超表面

基于传输相位与Pancharatnam-Berry（PB）相位的复合相位调控机制，采用单层介质结构，提出了一种单一圆极化（circularly polarized, CP）波入射和在反射的正交双极化信道条件下实现两种独立功能的双功能超表面。推导分析了传输相位与PB相位对同极化与交叉极化反射分量的相位调控机理，并提出了实现同时调控两种分量的单元设计要求。针对单元旋转造成的PB相位失真，提出了一种加载空心圆形贴片的单元改进模型，确保了相位的稳定性。通过精确调控两极化分量的波束空间相位分布，在单圆极化电磁波入射条件下，该超表面可利用两正交极化信道同时实现两种不同功能。仿真和测试结果表明，在右旋圆极化（right handed circularly polarized,RHCP）电磁波入射下，在13~15 GHz工作频段内，所设计的双功能超表面可在同极化反射信道获得携带轨道角动量（orbital angular momentum,OAM）的偏折涡旋波束，在交叉极化反射信道获得偏折笔形波束。该设计具有结构简单、加工成本低等优点，为实现圆极化信道复用与多功能集成提供了新的思路。     

专题：超表面电磁调控方法与应用

超表面(metasurfaces)是由亚波长单元在平面内周期排列构成的二维结构，可实现对电磁波传输/反射振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。 通过对电磁波的相位和振幅联合调控，可以实现艾利波束、任意波束赋形和全息；通过对电磁波的相位和极化联合调控，可以实现矢量涡旋波束；通过对电磁波的相位和频率联合调控，可以实现非线性超透镜和时空编码等功能，为电磁波的人工调控提供了全新设计思路及理论支撑。尽管如此，对于超表面的应用研究尚处于起步阶段，尤其是存在多元集成效率低、带宽窄、可重构设计复杂、成本高等若干瓶颈技术亟待新理论、新方法进行突破。本专题主要依托国家自然科学基金等军内外基础研究项目，聚焦超表面电磁调控领域最新研究成果，推动超表面在无线通信系统和隐身中的广泛应用，以期增进国内同行在该领域的学术交流。本期专题采用在线支撑材料等增强出版形式，读者可扫描文中二维码链接查看相关支撑材料，以加深对论文内容、思路与方法的理解。     

电磁波在含特异材料界面上的布儒斯特角和半波损失

对电磁波在不同介质界面上的反射与透射给出了完整描述.利用电磁场的性质,推导了普适的菲涅尔公式以及布儒斯特角的表达形式.研究了电磁波在不同界面传播时布儒斯特角的存在条件.定量地给出了反射场与入射场电磁分量的相位关系.     

一种双方环宽带反射阵的RCS缩减方法

提出了一种由双方环组成的微带反射阵天线的RCS缩减方法.对有金属地板和频率选择表面支撑的双方环反射阵单元的性能进行了比较.仿真和测量结果显示出当工作频带内的电磁波入射到这两种结构时,其反射波的相位响应较为接近.然而,带外的电磁波照射这两种结构时,由于后一种结构的周期性金属图层对入射电磁波有一定的透射作用,可使反射率减少多达4dB,因此采用由FSS作为地板的结构可在一定程度上减少其带外RCS,而对工作频带内的特性参数却影响不大.     

具有雷达散射截面缩减特性的各向异性编码超表面

本文提出了一种具有雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）缩减特性的各向异性编码超表面。它由金属贴片、介质基板以及金属接地板组成，通过在传统方形贴片的基础上引入各向异性的矩形贴片，实现了对X、Y极化波的不同缩减。超表面单元间存在180°的反射相位差，以此为基础对超表面进行分区域设计，超表面整体设计成对称结构。所有单元产生的辐射场叠加，使入射到其表面的电磁波均匀地反射至各个方向，实现RCS缩减。结果表明，该超表面在X、Y极化波垂直照射下，RCS缩减量高于10 dB的带宽分别为5.75 GHz(16.35 GHz～22.1 GHz)和5.67 GHz(16.18 GHz～21.85 GHz)，最大缩减量分别出现在20.9 GHz和16.9 GHz。与传统算法实现的编码超表面相比，本文提出的超表面设计流程简单、易于实现。此外，该超表面具有低剖面、小型化等特点，可有效用于选择性电磁隐身。     

运动左手介质分界面上不同极化波的菲涅耳公式

依据基础电磁理论,利用Lorentz和电磁场量变换,推导了一束单色波入射下,高速运动左手介质界面上反射和透射电场、磁场之间的菲涅耳关系.详细讨论了当左手介质界面运动时,四种不同极化波入射下,电磁波反射、透射波所遵循的规律和菲涅耳公式.将推导结果进行分析和退化,阐述其物理意义,并就推导过程的正确性进行了验证.     

纳米级Y2O3在涂层电磁屏蔽材料设计中的应用

按照电磁波传输理论,研究了满足广义匹配规律的纳米级Y2 O3在涂层电磁屏蔽材料设计中的应用问题,给出了理论计算公式,并利用MATLAB软件数学模拟分析了表面反射作用对总电磁屏蔽性能的影响.研究结果表明,在电磁波垂直入射到涂层电磁屏蔽材料时,介电常数ε的增加将会加大表面反射性能对后向反射率的影响,材料的磁导率μ对于材料内部的储能和耗能起主要作用;纳米级Y2 O3掺杂到涂层电磁屏蔽材料的设计之中会有效提高材料的电磁屏蔽功能.     

一种高增益低RCS微带天线设计

设计了一种基于人工电磁材料的覆层,并将其应用于微带天线。该覆层由介质板及其两侧的人工周期表面构成,上表面是加载集总电阻的方环贴片,具有宽带吸波特性;下表面是开条带缝和圆环缝的金属贴片,具有部分反射特性。将其加载到微带天线的上方,通过上层的吸波表面吸收入射电磁波并结合下层的部分反射表面与金属地板构成Fabry-Perot(F-P)谐振腔增强天线的定向性,以实现微带天线辐射和散射性能的改善。仿真和实测结果表明加载人工电磁材料覆层后,天线的RCS在2~14GHz宽频带范围内实现了明显的减缩,最大减缩量达到28.3dB而天线的增益在工作频带内都得到了提升,最大提高了4.3dB。     

人工电磁超材料的电磁波调控特性

人工电磁超材料具有自然界材料所不具备的电磁参数,并且拥有可设计性和可灵活调节性质,可实现对电磁波传播性能进行新的调控,是近年来的研究热点.本文介绍了一系列运用人工电磁超材料调控电磁波传播的功能器件,包括非对称电磁波传输器件、可调节电磁波吸波结构、电磁波极化调制器件,磁性光子晶体、磁性左手材料和基于超导薄膜的太赫兹人工电磁超材料,这些器件运用人工超材料的特殊物理特性和参数可设计性,具有全新的功能和优势,有效提高了对电磁波的调控能力.     

平面电磁波在良导体表面掠射实验的研究

详细介绍了不同线极化方式的平面电磁波在良导体表面的反射特性实验,重点分析了当电磁波以入射角为90°掠射时的两种不同的实验现象:垂直入射面极化波以90°入射角掠射时,反射场与入射场大小相同,方向相反,喇叭天线接收到的合成场近似为零;平行入射面极化波以90°入射角掠射时,反射场为零,合成场与入射场大小相同。通过对简单的验证性实验的进一步思考及深入实验,使其演变为启发性实验,提高了实验教学效果。     

无导电衬底单轴吸波材料的反射和透射特性

导出了无导电衬底单轴各向异性吸波材料对斜入射电磁波的反射系数和透射系数公式,分析了极化方式、入射角及材料电磁参数等对反射系数和透射系数的影响;得到关于无导电衬底单轴各向异性吸波材料对斜入射电磁波的反射和透射特性的一些重要结论。     

无导电衬底单轴吸波材料的反射和透射特性

导出了无导电衬底单轴各向异性吸波材料对斜入射电磁波的反射系数和透射系数公式;分析了极化方式、入射角及材料电磁参数等对反射系数和透射系数的影响;得到关于无导电衬底单轴各向异性吸波材料对斜入射电磁波的反射和透射特性的一些重要结论．     

多层薄膜结构实现各向异性及其电磁极化转换性能分析

基于等效介质理论,采用多层薄膜周期结构实现材料的各向异性,并分析了这种多层周期结构在不同薄膜取向情况下的等效电磁参数,研究了该结构的电磁波传输性能,通过理论分析和基于有限元方法的全波电磁仿真后发现,在不考虑损耗的情况下,通过调节电磁波的入射面,垂直入射的TE波可以被该结构转换为TM波,这一结果说明该结构具有良好的极化转换特性,为新型电磁极化调控材料的研究提供了一条新的途径.     

相位梯度超表面结构对电磁波束的操控研究

针对相位梯度超表面在灵活操控电磁波方面的潜在应用,设计了一种新型的高阻抗相位梯度超表面结构,该结构通过改变高阻抗表面贴片单元的大小来控制反射波的相位变化。通过数值仿真计算表明,在10GHz频段实现了对电磁波22°的反射偏转。由于厚度薄、重量轻,设计的相位梯度超表面单元拓展了超表面在微波领域的应用,从而为超表面对电磁波束的操控提供了新的方法。     

屏蔽体内部电磁场分布特性分析

通过孔洞、缝隙耦合进入屏蔽体内部的电磁波经过与腔室内表面的多次反射、折射,形成了复杂的电磁环境,在电磁波叠加作用下可能会形成一些电场强度或磁场强度较强的关键点,进而对该位置处的电子元器件造成电磁损伤。通过建立开缝屏蔽壳体的电磁模型,计算在不同入射方向和极化方式条件下耦合进入屏蔽体内部的电磁场,分析关键点的分布规律,进而提出敏感电子元器件的位置摆放原则,通过避开谐振位置的方式减少元器件的电磁能量耦合,增强屏蔽体的电磁防护能力。     

雷电脉冲辐照下有孔矩形腔体电磁屏蔽效能研究

应用混合FDTD方法研究雷电脉冲照射下有孔矩形腔体的屏蔽机理,精确预测腔体的屏蔽效能,对高性能屏蔽腔体的设计具有重要意义.通过研究不同雷电脉冲参数、腔体表面开有不同孔阵、不同腔体尺寸以及不同入射脉冲极化角的金属腔体的屏蔽效能,说明金属腔体在用作电磁防护时应采取的具体措施.     

基于吸散一体隐身超构表面的透射型涡旋电磁波产生器设计

涡旋电磁波因其独特的"空心圈"状辐射场强度、螺旋前进的相位波前以及不同模式间相互正交等独特的电磁特性在雷达探测、成像、保密通信等领域有着巨大应用前景.本文设计了一种基于吸散一体隐身超构表面的透射型涡旋电磁波产生器,超构表面在沿+z方向的Vivaldi天线的球面波激励下,可在透射方向高效地产生拓扑电荷数l=+1的涡旋电磁...