一种具有频移特性的超宽带极化旋转超表面

林小芳，张旭，周彩月，曹海燕，周崇波，孙琳

一种具有频移特性的超宽带极化旋转超表面

林小芳，张旭1，2，周彩月3，曹海燕4，周崇波3，孙琳1

（1. 曲阜师范大学 物理工程学院，山东 曲阜 273165；2. 上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室，上海 200092；3. 曲阜师范大学 软件学院，山东 曲阜 273165；4. 山东服装职业学院 信息工程系，山东 泰安 271000）

操控电磁波的极化状态在各个工程领域中都有重要的作用和参考价值．为了更好地实现电磁波的极化调控，提出了一种具有频移特性的超宽带极化旋转超表面．仿真结果表明，通过改变超表面的结构参数，其交叉极化反射率大于0.9的频带范围分别为6.17~14.29，6.67~17.31，8.87~23.19，13.26~35.07 GHz，实现了频带范围从8.12 GHz到21.81 GHz的蓝移和扩展．其中，在13.26~35.07 GHz的频带范围内，极化转换率的最小值为95%左右，近乎完美地实现了超宽带、高极化转换率的极化转换效果．另外，提出的超表面在其工作频带范围内的2个频率点上还可以实现线极化入射波到圆极化反射波的极化转换．该极化旋转超表面在天线设计、雷达等通信领域有重要的应用．

超表面；频移特性；超宽带；频带扩展；高极化转换率；线-圆极化转换

电磁波的极化调控是电磁学领域中一个重要的研究内容，在通信、天线以及雷达遥感等领域都有重要的应用和参考价值．传统的极化调控器件包括双折射材料和光栅调控等[1]592，它们具有尺寸较大、结构复杂和损耗较高等劣势．因此，寻找到一种结构简单、尺寸较小和易于调控等优势的极化调控器件对极化调控领域的发展具有重要意义．

超表面是一种具有超常物理特性的复合型人工电磁材料，通过对超表面单元结构的亚波长尺寸周期或非周期地排列，可以实现天然材料所不具备的一些超常电磁特性[2-3]，如奇异反射和折射[4]、完美成像、高增益表面等[5]．2007年文献[6]首次提出运用超表面来实现电磁波的极化调控，相比于传统的极化调控器件具有更易操作、尺寸小和损耗低等优势．这一突破性的研究成果迅速吸引了学者们的广泛关注，相应的文献也层出不穷．黄晓俊[1]等提出了一种具有宽带特性的各向异性超表面，在8.16~15.32 GHz的工作带宽内实现了高效的交叉极化转换，极化转换率可达至95%；韩江枫[7]等设计了一种基于超表面的宽带、反射型极化旋转体，在5.5~14.5 GHz的频带内实现极化转化率大于90%的极化转换；于惠存[8]等提出了一种超宽带特性的反射型极化旋转超表面，在15.81~17.26 GHz的频带范围内实现了极化转换率大于80%的线极化波入射波到交叉极化反射波的极化转换．此外，还有许多学者运用超表面实现了线-圆极化转换[9-12]、线-线极化转换[13-16]以及圆-圆极化转换的极化调控器件[17]．提及的研究内容充分证明了运用超表面来实现极化调控的可能性及优势所在．但运用超表面来实现电磁波极化调控的潜力还远不止于此，实现具有频谱搬移能力和超宽带的超表面结构仍是未来超表面发展的热点方向．

基于此背景，本文提出了一种在较宽的频带范围内可以实现交叉极化转换的超表面，并可以通过原比例缩小超表面单元的结构参数来实现工作带宽自低频向高频扩展的特性．仿真结果表明，在改变结构参数的4个超表面上，交叉反射率大于0.9的工作带宽分别达到了6.17~14.29，6.67~17.31，8.87~23.19，13.26~35.07 GHz，且极化转换率的最小值均近似为90%，较好地实现了工作频带的蓝移和扩展．另外，在这4个工作带宽内，其极化转换率在多个谐振点上均能达到近似100%的极化转换效果．

1 设计与仿真

本文提出的极化旋转超表面通过原比例缩小其整体的结构参数来获得工作带宽的频移特性（某些结构参数可能存在0.1 mm之内的变化，不影响最终的效果，可忽略不计），整体不同的结构参数以结构周期的不同来进行说明和区分，分别是结构周期为10，8，6，4 mm的极化旋转超表面．单元结构示意图以结构周期为6 mm的超表面为例进行分析（见图1），该极化旋转超表面由上层的金属贴片、中间层的介质基板和下层的金属背板组成．上层金属贴片的结构由2个大小不等的金属圆环和一根金属长条组成．金属长条相对于竖直方向顺时针旋转45°，２个金属圆环分别位于超表面单元的左下方和右上方．

图1　超表面的单元结构示意图

2 分析与讨论

该极化旋转超表面在不同结构参数下仿真的同、交叉极化反射率曲线见图2．其中，红色实线代表交叉极化反射率曲线，蓝色虚线代表同极化反射率曲线. 从图2可以看出，随着超表面单元的结构周期从10 mm以公差2递减到4 mm时，其交叉极化反射率大于0.9的频带范围由6.17~14.29 GHz变化到13.26~35.07 GHz，实现了工作频带的蓝移．以带宽最窄的结构周期为10 mm的超表面为例来说，从图2a中可以看出，除了在11.87 GHz的频率点上的交叉极化反射率取得最小值为0.90外，频带范围内的其它频率点上均能实现大于0.90的极化转换．其中，在6.93~8.99 GHz的频带范围内，交叉极化反射率的最小值甚至大于0.99．当超表面单元的结构周期分别减小到8 mm 和6 mm时，交叉极化反射率大于0.90的工作频带范围由6.17~14.29 GHz扩展至6.67~17.31 GHz和8.87~23.19 GHz．而当超表面单元的结构周期为4 mm时，交叉极化反射率大于0.90的频带范围甚至达到了13.26~35.07 GHz.

图2　不同结构参数的超表面的同、交叉极化反射率曲线

另外，该极化旋转超表面的极化转换率曲线见图3．从图3中可以看出，4个不同结构参数的超表面在上述提及的工作频段范围内，极化转换率的最小值均在90%以上. 其中，在13.26~35.07 GHz处，极化转换率的最小值甚至在95%左右，且随着结构参数的减小，工作带宽明显有从低频到高频扩展的趋势．综上，通过改变该极化旋转超表面的结构参数，不仅可以实现工作频带的蓝移和扩展，也可以在工作频带范围内实现高效率的交叉极化转换．

图3　不同结构参数的超表面的极化转换率曲线

图4　不同结构周期的超表面的相位差曲线

3 仿真结果原理分析

反射波表示为

（2）

图5　超表面单元的结构原理示意图

图6　表面电流分布示意图

4 结论

本文提出了一种具有频移特性的极化旋转超表面．通过改变该极化旋转超表面的结构参数，不仅可以实现工作带宽的蓝移和频带扩展，还可以在超宽带的范围内实现高效率的交叉极化转换效果．其中，在改变结构参数的一个单元结构中，极化转换率在22 GHz左右的工作带宽内可以实现极化转换率高于95%的极化转换效果．该极化旋转超表面在天线设计、滤波器、雷达等通信领域具有重要的应用前景．

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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

上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室开放课题基金资助（hxkj2019007）；山东省自然科学基金项目（ZR2017MD019）；山东省高校科技计划项目（J15LN08）；曲阜师范大学科研启动基金项目（20130154）

林小芳（1995-），女，山东日照人，在读硕士，从事基于超表面的极化调控研究．E-mail：1346631969@qq.com

周崇波（1978-），男，山东青岛人，讲师，博士，从事信号处理研究．E-mail：zhoucbqf@163.com