反射式极化变焦人工电磁表面的设计

设计一种各向异性人工电磁表面,其反射聚焦可根据入射电磁波极化状态加以调节.依据广义菲涅耳定律,选择拥有两个自由度的金属+介质+金属的耶路撒冷十字结构,实现对垂直入射的线性极化平面电磁波全反射,并对不同极化电磁波的反射相位可以独立调控.根据经典光学成像理论,获得不同焦距不同极化态的反射电磁波相位分布,进而确定每个亚波长单元的尺寸,构造极化变焦人工电磁表面.CST微波波段仿真结果同理论分析相吻合,同时该设计方法还可推广到太赫兹波段,甚至光波波段.     

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.     

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.     

基于变换光学的波导弯接头设计

变换光学是一种通过设计改变传输介质的电磁特性实现调控电磁波任意传输的理论.根据麦克斯韦方程组在空间变换下的协变性,可以通过坐标变换设计出具有特定电磁参数的材料,从而设计新型电磁器件满足对电磁波传输的特定需求.基于变换光学的方法,人们陆续提出了隐身斗篷,隐身地毯以及波束集中器等新型电磁功能器件.基于上述背景,应用变换光学的理论方法,本文提出并设计了一种可实现无反射传输的90°波导弯接头.对波导弯接头材料的电磁参数进行了重新设计,实现了对于入射波的传输方向的操控,满足无反射传输要求.然而,经过变换光学得到的波导接头材料电磁参数通常是各向异性的,因此在实际制备中很难实现.本文根据等效介质理论使用两种各向同性材料在特定方向上层叠等效实现了波导弯接头处各向异性材料的电磁特性.基于有限元方法,对设计的波导接头进行了数值仿真,结果表明:在填充了特定材料的弯曲波导接头处,电磁波可以实现无反射传播从而大幅提高了传输效率.     

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.     

基于超构表面的低散射天线阵列

提出了一种将超构表面与天线阵列组合设计的方法,以同时实现高增益辐射和低背向散射功能。该超构表面由多层金属图案结构组成,对x极化入射波具有透射功能,从而能使天线辐射场低损耗透过;同时,对y极化入射波具有反射相位调制功能,通过将单元按照棋盘格或随机分布排列,可实现y极化入射波的漫散射功能,从而降低天线阵列的后向散射。仿真分析表明,所设计的低散射天线阵列峰值增益为18.8 dB,工作带宽约为12.5%。当探测波为x极化时,10 dB RCS缩减频带为9.5~10.1 GHz,覆盖天线工作频带,最大缩减值为25 dB;当探测波为y极化时,10 dB RCS缩减频带为7.8~12 GHz,最大缩减值高于35 dB。实测结果与仿真分析结果吻合良好。该低散射天线阵列利用超构表面的极化选择特性能实现透、反射功能集成设计,为低散射天线的研究提供了新的思路。     

一种超宽带反射型极化转换超表面设计

提出了一种超宽带、反射型极化转换超表面,该极化转换超表面由"H"形周期金属贴片结构,介质板和金属底板组成。通过改变单元结构尺寸,可以使反射波2种交叉线极化分量的幅度相同,相位差接近±π/2。仿真与实测结果表明,该极化变换超表面在6.40~15.40GHz,17.49~18.14GHz频带内能将线极化入射波转换为轴比小于3dB的圆极化反射波;在15.81~17.26GHz频带内能将线极化入射波转换为极化转化率大于80%的交叉线极化反射波。该结构具有单元尺寸小,工作频带宽,能量损耗低的特点,可以在有限的平面内加载更多的单元结构。该极化变换超表面在电磁波调控、新型天线设计等方面具有一定的应用价值。     

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。     

基于平行金属线的太赫兹准全向超材料吸波体

该文基于平行金属线设计了一种具有准全向吸波特性的太赫兹超材料吸波体,其准全向吸波特性是通过提高超材料的结构对称性实现的.理论和仿真结果表明:随着超材料结构对称性的提高,超材料吸波体的极化敏感度逐渐降低直至达到任意极化吸波.仿真的不同入射角下的吸收率与表面电流分布表明:平行于介质基板的磁场分量在平行金属线之间激发的反向平行电流导致了结构的电磁谐振,因而在极宽的入射角下该超材料吸波体仍能对电磁波进行高效吸收.提取的等效阻抗实部表明:可以通过调节基板两侧金属线的尺寸,来实现吸收频率处超材料吸波体一侧与自由空间近似阻抗匹配,另一侧与自由空间阻抗不匹配,从而使得反射和传输同时最小、吸收最高.仿真的能量损耗分布表明:该吸波体的强吸收主要源于基板的介质损耗.该太赫兹吸波体可能在爆炸物探测和材料识别等领域具有广泛的应用.     

高速移动体表面的二次辐射分析

从理论上分析了入射到高速列车车体上的垂直极化平面波在车体上产生的二次辐射场.利用爱因斯坦相对论和正反2次洛伦兹变换,得到了经过列车体的反射波解析式、二次辐射场的频率和反射角等参数.反射波频率和反射角不再遵守反射定律,而是与速度、入射角和方位角有关的函数.当y方向速度大于或等于0时,反射角均小于或等于入射角;y方向速度小于0时,反射角则大于入射角.随着入射角的增大,反射频率和入射频率之间的差距越来越大;随着y方向速度的增大,两者之差也逐渐增大.最后通过仿真计算和实测数据验证了理论分析的正确性.     

基于石墨烯超材料的类电磁诱导透明研究

建立一个基于石墨烯的太赫兹超材料的周期单元结构,利用时域有限差分法进行仿真计算,深入解析石墨烯超材料与太赫兹电磁波相互作用出现的电磁诱导透明现象。分析了TM模式下该结构的电磁诱导透明发生的机理,通过改变结构材料、入射角度、石墨烯条的尺寸,分析反射峰的频点和透明窗口变化。计算结果表明:该结构在5.59 THz处由于共振耦合产生干涉相消,形成一个透明窗口;当石墨烯条的宽度增加时,共振频点发生蓝移,共振强度也明显增强,但透明窗口宽度并没有明显的变化;增加电磁波的入射角度,共振耦合强度减弱,但耦合频点基本无变化,说明该结构产生的电磁诱导透明效应对电磁波入射角不敏感。该研究结果在太赫兹反射器、非线性器件等方面有着潜在的应用价值,给太赫兹超材料器件的设计提供了新的思路。     

一种带有透波窗口的宽带RCS缩减超表面设计

超表面在调控电磁波的极化、幅值和相位等方面具有极大的优势。针对天线带外低散射的现实需求,通过复合极化旋转超表面和频率选择表面,调节极化旋转单元的响应厚度,实现了兼具高效极化旋转反射和同极化透波窗口的超表面设计。利用几何相位仅对交叉极化波有响应的特性,进一步通过棋盘阵列排布,在透波窗口的两侧实现低散射特性,其中透波带10.0~11.0 GHz插损低于1 dB;在4.5~7.5 GHz和12.0~17.0 GHz频带内实现低散射特性,RCS缩减接近10 dB。仿真和实验结果表明：文中所提出的超表面设计方法和架构具有宽带的RCS缩减特性和低插损透波特性,在隐身天线罩中具有潜在的应用价值。     

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。     

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。     

基于辐射散射一体化技术的低RCS贴片天线阵列设计

提出并设计了一种基于辐射散射一体化技术的4×4低RCS贴片天线阵列,该阵列由2种辐射特性相似、反射相位相差180°的天线单元组成。利用遗传算法优化得到散射场在各方向均匀分布的非周期阵列结构,有效减小了天线阵的峰值RCS。仿真结果表明:天线阵列的增益在16dBi以上;法线方向x极化波照射时,单站RCS减缩频带为8～15.9GHz,最大减缩量为17.1dB;y极化波照射时,单站RCS减缩频带为9.5～16GHz,最大减缩量为13.1dB。测试结果与仿真拟合较好。该阵列集超材料和贴片天线于一体,利用天线单元自身相位差有效降低了其RCS值,为降低天线阵列RCS提供了一种新的方法。     

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。     

基于一维超导体光子晶体的可调光波反射器的设计

文章用半导体Si和超导体YBa2Cu3O7(YBCO)组成一维超导体光子晶体(AB)N,利用传输矩阵法对其反射特性进行了理论推导与数值模拟仿真研究.由于该一维超导体光子晶体组成材料中,仅有超导体YBCO的相对介电常数会受外部温度的调节,通过调整超导体YBCO的厚度、温度、电磁波的入射角和极化关系等参数,利用传输矩阵法计算其反射率,经过数值仿真发现其反射率对超导体YBCO的厚度、电磁波的入射角和极化关系等参数变化明显,而对外部温度的变化不明显.我们希望这些数值模拟仿真的结果能为设计可调的光波反射器提供理论研究基础.     

一种基于类表面等离子体激元的二维无限大天线阵的设计

本文设计了一种基于支持类表面等离激元传播的周期金属柱底板的二维无限大天线阵.该天线阵周期单元由一个偶极子天线和4×4的周期金属柱底板构成.仿真结果表明:在工作频率为5GHz的情况下,天线阵可以在E面和H面都实现50°的扫描范围,并具有良好的阻抗匹配性能(S110.1).利用数值分析,我们发现类表面等离激元模式会被天线阵的高阶弗洛奎激发,该模式受到天线阵周期调制会从表面模式转变成泄漏模式,同时,该模式的色散曲线非常平,并且其电场在x和y方向具有良好的对称性,所以它能在多面广角度范围内都帮助天线阵辐射.     

圆柱形超材料电磁隐身旋转聚焦器的设计与仿真

研究一种新型可以旋转电磁波方向的超材料电磁隐身装置-圆柱形旋转聚焦器.基于坐标变换理论,设计出圆柱形旋转聚焦器对应的空间变换方式,并推导出该装置在不同区域的电磁参数张量.有限元软件的仿真结果验证了该装置预期的电磁功能.与先前的圆柱形超材料隐身聚焦器相比,该隐身装置在特定区域不仅能够实现电磁波能量的聚焦,还能够变换电磁波的初始传播方向.此外,在设计方法上对于旋转聚焦器的形状拓展也进行了讨论.      

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。