一种可以实现线-圆和线-交叉极化转换的反射型超表面

林小芳，张旭，孟祥辉

一种可以实现线-圆和线-交叉极化转换的反射型超表面

林小芳，张旭1，2，孟祥辉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）

提出了一种可以通过反射同时实现2种不同极化形式的极化转换超表面．仿真结果表明，该超表面在频带范围14.21~16.70 GHz内可以实现比较理想的线-圆极化波的转换，并且可以在近5 GHz的频带范围（25.50~30.42 GHz）内实现线-交叉极化波的转换，且极化转换率的均值高达97%左右．该极化转换超表面在毫米波雷达、天线设计等军事领域具有广泛的应用价值．

超表面；线-圆极化转换；线-交叉极化转换

极化是电磁波重要的特征之一，电磁波的极化分为线极化、圆极化和椭圆极化．不同极化方式的电磁波有着不同的传播特性，也有着工程领域内的不同用途[1]．线极化波到交叉极化波的转换在雷达探测以及天线中得到了很多的运用[2]，但在很多恶劣的环境中，单一的线极化波不能保证通信质量的可靠性和精准性，所以在这种环境下运用抗干扰性能强并能在恶劣的天气中具有较好的传播特性的圆极化波是一个较好的选择．除此之外，圆极化波还具有抑制雨雾干扰的能力，在抗极化旋转、抗多径效应等方面有明显的优势[3]，可以广泛应用于天文探测、系统成像、雷达等领域．随着现代军事的不断发展以及人们需求的不断提高，可以同时实现线-圆极化波以及线-交叉极化波转换的器件在天线设计、雷达探测等领域中具有重要的应用价值．

超表面是一种亚波长尺寸的超薄结构的二维阵列平面，通过调控它的单元结构和排列顺序可以实现自然界中的材料无法实现的功能[4]．传统的极化调控器件包括双折射材料和极化波片等，其调控原理是通过增加结构的尺寸和厚度来获得相位的积累，但这种方法存在着厚度大、尺寸大以及加工程度难等缺陷，不利于工程中的运用．2011年，哈佛大学Capasso课题组[5]基于超表面提出了广义斯涅尔定律，实现了对电磁波反射、折射的灵活调控，这一成果发表在《Science》杂志上．自此，运用超表面来实现极化调控的文献不胜枚举[6-11]，但运用超表面同时实现线-圆极化转换和线-交叉极化转换的相关文献却为之较少．

本文提出了一种在较宽的工作频带内可以实现线-圆极化转换和线-交叉极化转换的反射型极化转换超表面．仿真结果表明，该极化转换超表面在14.21~16.70 GHz内可以实现较好的线-圆极化转换效果，工作带宽范围达到了2.49 GHz．同时，在25.50~30.42 GHz的频带范围内实现了反射系数高于90%的交叉极化转换．

1 分析与讨论

1.1 线-交叉极化和线-圆极化转换原理分析

图1 超表面结构原理示意图

若反射波的电场矢量的2个分量的振幅和相位是任意的，则合成的电磁波是一个椭圆极化波．

图3 圆极化转换示意图

1.2 单元设计

图4 超表面的单元结构示意图

2 仿真结果分析

极化转换超表面的同、交叉极化反射系数曲线见图5，极化转换率的曲线见图6，相位差的曲线见图7．由图5可见，在14.21~16.70 GHz的频带范围内，同、交叉极化反射系数几乎相等，其值接近于0.7（同、交叉极化反射系数值的差值小于0.04）．

图5 同、交叉极化反射系数曲线

从图5中还可以看出，在25.50~30.42 GHz的频带范围内，交叉极化反射系数的最小值大于0.9，在一些频率点附近交叉极化反射系数接近于1．此外，从极化转换率曲线（见图6）中可以看出，在频段范围26.13~29.94 GHz内，极化转换率的最小值甚至达到了97%，实现了超高效率的交叉极化转换．

图6 极化转换率曲线

图7 相位差曲线

从图7的相位差曲线中可以看出，在该频带范围内，相位差大小几乎接近于-90°．从分析得知，反射波电场矢量的2个分量的幅度相等且相位差为-90°时，可以合成一个右旋圆极化波，故该极化转换超表面在该频段范围内实现了线极化波到右旋圆极化波的转换．

因此，可以得出结论：该反射型极化转换超表面在14.21~16.70 GHz的频带范围内可以实现较好的线-圆极化波的转换，在25.50~30.42 GHz的频带范围内可以实现高效率的线-交叉极化波的转换．

3 原理分析

另外，在谐振点26.74 GHz处（见图8b），表层D型结构中的金属长条和金属半圆环的电流流向均沿左下方流动．底层金属板的电流流向划分为2个区域来进行分析：在D型金属环内的电流强度较弱，电流流向主要沿右上方的趋势，但同时也存在沿左下方的2个电流趋势；在除D型金属环内的区域外，底层金属板的电流流向主要沿左下方的趋势，且这部分区域上的电流强度较强．因此，从图8中可以明显看出，表层和底层结构中的电流流向存在相同和相反的2种情况，其中，起主要作用的还是相同的电流流向，这种相同的电流流向会导致电谐振响应的产生[12]3526．故在谐振点26.74 GHz处可以产生电谐振和磁谐振的2种响应，但起主要作用的是电谐振响应．因此，可以得出当电磁波入射到该极化转换超表面时，由于表层金属半圆环和底层金属背板之间产生的磁谐振作用导致了线极化入射波到圆极化反射波的转换，产生的混合谐振作用导致了交叉极化反射波的转换．

图8 表面电流分布

4 结语

本文提出了一种由3层结构组成的反射型极化旋转超表面，由表层和底层的金属结构和中间层的介质基板组成．从仿真结果可以看出，该极化转换超表面在频段14.21~16.70 GHz内可以实现较好的线-圆极化波的转换，在频带范围25.50~30.42 GHz内可以实现较好的线-交叉极化波的转换．最后，通过在谐振点处的表面电流分布图分析了产生圆极化波和交叉极化波的原理．该极化转换超表面在天线设计、雷达等军事领域有重要的应用价值．

[1] 黄晓俊，娄颜超，杨东，等．宽带高效反射电磁波极化调控超表面的实验研究[J]．华中师范大学学报，2017，51（5）： 592-595

[2] 王世斌，王光明，郭文龙，等．基于超构表面的高效宽带交叉极化转换器设计[J]．微波学报，2018，34（4）：60-64

[3] SUN Shang-yi，JIANG Wen，GONG Shu-xi，et al．Reconfigurable linear-to-circular polarization conversion metasurface based on PIN diodes[J]．IEEE Antennas and Wireless Propagation，2018，17（9）：1722-1726

[4] 张玉龙，李萍，石磊．超材料[M]．北京：化学工业出版社，2018

[5] YU Nan-fang，Patrice G，Mikhail A K，et al．Light propagation with phase discontinuities：generalized laws of reflection and refraction[J]．Science，2011，334（21）: 333-337

[6] 陈红雅，王甲富，马华，等．Broadband perfect polarization conversion metasurfaces[J]．Chinese Physics B，2015，24（1）：253-257

[7] 韩江枫，曹祥玉，高军，等．一种基于超材料的宽带、反射型90°极化旋转体设计[J]．物理学报，2016，65（4）：044201

[8] ZHANG Xu，WEI Ze-yong，FAN Yuan-cheng，et al．Structurally tunable reflective metamaterial polarization transformer based on closed fish-scale structure[J]．Current Applied Physics，2017，17（6）：829-834

[9] LIN Bao-qing，WU Jia-liang，DA Xin-yu，et al．A linear-to-circular polarization converter based on a second-order band-pass frequency selective surface[J]．Applied Physics A，2017，123：43

[10] ZHENG Qi，GUO Chen-jiang，DING Jun．Wideband metasurface-based reflective polarization converter for linear-to-linear and linear-to-circular polarization conversion[J]．IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2018，17（8）：1459-1463

[11] HAO Jia-ming，YUAN Yu，RAN Li-xin，et al．Manipulating Electromagnetic Wave Polarization by Anisotropic Metasurface[J]．Physical Review Letters，2007，99（6）：063908

[12] GAO Xi，CAO Wei-ping，LI Hai-ou，et al．Ultrawideband and high-efficiency linear polarization converter based on double V-shaped metasurface[J]．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（8）：3522-3529

A reflective metasurface that can realize linear-circular and linear-cross polarization conversion

LIN Xiaofang1，ZHANG Xu1，2，MENG Xianghui1

（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）

A polarization conversion metasurface is proposed which realizes two different polarization types through reflection．Simulation results show that the metasurface can achieve an ideal linear-circular polarization conversion in the frequency band 14.21~16.70 GHz．In the 5 GHz frequency band（25.50~30.42 GHz），the linear-cross polarization conversion can also be achieved，and the average value of polarization conversion rate is about 97%．The polarization-conversion metasurface has wide application in the fields of millimeter-wave radar and antenna design．

metasurface；linear-circular polarization conversion；linear-cross polarization conversion

O44∶TN92

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.06.008

1007-9831（2020）06-0036-05

2020-01-13

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

张旭（1979-），男，山东淄博人，讲师，博士，从事超构材料及其应用研究．E-mail：3449725284@qq.com