撰稿|由课题组供稿
近日，空军工程大学多功能电磁集成技术创新工作站许河秀团队提出了一种“可重构多极化、多功能透射超表面”新设计方法，并在微波段实现了不同传输极化通道下的高效多功能可重构器件。新方法克服了传统基于PIN二极管可重构超表面的单线极化工作缺陷，同时也解决了传统可重构透射超表面所面临的低透射率难题。相关工作以“Reconfigurable transmissive metasurface synergizing dynamic and geometric phase for versatile polarization and wavefront manipulations”为题发表于学术期刊Materials & Design。空军工程大学博士生王朝辉为该论文第一作者，博士生王彦朝为共同第一作者，许河秀教授为该论文通讯作者，新加坡南洋理工大学胡光维研究员亦有重要贡献，合作者还包括博士生罗慧玲和王坤。
关键词：可重构超表面，多极化，PIN二极管，波前调控，混合几何和传输相位
多功能电磁超表面具有强大的电磁操纵能力，在国防和通讯领域具有重要应用价值。为动态探测、捕捉和跟踪目标，多功能可重构超表面受到了研究人员的广泛关注。目前基于PIN二极管所报道的可重构超表面大多工作于线极化通道和反射模式，其可重构多极化工作方案仍比较单一，而同时工作于圆极化和线极化通道以及透射模式下的多功能可重构超表面设计方法鲜有报道，仍处于初步阶段，迫切需要构建能够在多极化模式下工作的多功能可重构透射超表面设计方法并研制相关集成器件。本文通过采用多层级联ABA型透射结构，在线极化和圆极化通道内均实现了高透射率，并基于几何和传输相位调控方法同时实现了线极化和圆极化通道下的相位控制，最后通过控制每个单元中PIN二极管偏置电压，切换不同极化下的功能相位分布，完成了可重构多极化透射超表面设计。
近期，基于PIN二极管的可重构电磁超表面在通讯领域得到广泛关注。其中，目前所报道的大多数可重构超表面工作极化模式单一，导致其功能信道数目受限。本文中，研究团队利用几何相位和传输相位调控方法，基于加载PIN二极管的各向同性十字形金属和开槽地板结构，创新性地提出了可重构多极化透射超表面设计方法。多层级联结构能够提供多层FP共振，产生多个高透射峰，通过级联这些高透射峰可以保证单元实现高达0.9的透射率。如图1所示，4个PIN二极管加载在十字形金属结构末端并通过金属过孔连接到馈线，沿x和y方向加载的二极管分别被命名为Dx和Dy。由于正交十字形金属结构具有很好的极化隔离性，正交线极化波入射时仅仅需控制Dx或Dy二极管的“开”或“关”状态，就能实现线极化波激发下传输相位的独立调控。而圆极化波入射下，当二极管状态从（Dx：ON，Dy：OFF）转换为（Dx：OFF，Dy：ON）时，各向同性正交十字形金属结构转换为各向异性，相当于单元绕中心轴旋转90°，根据几何相位（PB）原理，两种状态将产生180°相位差，从而可实现基于几何相位的圆极化波前调控。因此，通过改变每个单元PIN二极管两端的电压可分别在线极化和圆极化波激发下实现透射传输相位和几何相位的高效调控，在透射区域完成功能可重构。与传统可重构超表面相比，该工作克服了工作极化通道容量受限瓶颈，并解决了可重构透射模式下高效率传输难题。
基于上述方法，研究团队在7.4 GHz处通过设计PIN二极管状态分布，基于几何相位和传输相位在线极化和圆极化波入射下实现了波束偏折、电磁聚焦和涡旋波束功能及切换。核心机制在于通过在不同极化下编码不同梯度相位分布并采用不同极化馈源作为激励，例如x-x极化通道内波束被偏折到空间φ = 0°、θ = 30°方向上，y-y极化通道内波束指向φ = 0°、θ = 40°，R-L通道基于几何相位调控波束偏折到φ = 45°、θ = 30°上，L-L通道实现了涡旋波束和电磁聚焦功能。
图1.可重构多极化、多功能透射超表面工作原理。（a）功能和原理示意图；（b）单元结构。
该工作利用多层FP共振结构实现了高达0.9的透射率，进一步通过巧妙设计二极管的“开”和“关”状态，将各向同性结构切换为各向异性，分别基于几何相位和传输相位在圆极化和线极化通道下完成了相位调控以及不同极化通道下的功能切换，完成了可重构多极化透射超表面设计。所提出的可重构多极化方案为多功能超表面设计提供了新途径，在未来目标探测、干扰和抗干扰、雷达隐身和智能通讯领域具有广阔应用前景。
该工作得到了国防卓越青年科学基金、国防173、国家自然科学基金和陕西省特殊人才支持计划等项目资助。
论文信息：
Reconfigurable transmissive metasurface synergizing dynamic and geometric phase for versatile polarization and wavefront manipulations，
Chaohui Wang, He-Xiu Xu*, Yanzhao Wang, Guangwei Hu, Huiling Luo, Kun Wang
Materials & Design
DOI: 10.1016/j.matdes.2022.111445
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111445
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