Janus源是一种特殊类型的电磁偶极子，具有近乎各向同性的远场特性，但在近场耦合中展现出显著的方向性。根据源的建模和实现方式，现有的Janus源研究可以分为理论源、无源源以及最近提出的二维有源源。理论源（[1] Phys. Rev. Lett. 120, 117402 (2018)，[2] Europhys. News. 49,14 (2018)）将Janus偶极子视为一对理想的、无限小的电流和磁电流进行研究。虽然这种理论模型在学术研究中颇有价值，但在实际物理设备中并不具备可实现性。无源Janus源则包括纳米球（[3] Light Sci Appl. 8, 52 (2019)）、声学圆柱体（[4] Natl Sci Rev. 7, 1024 (2020)）、石棚（[5] New J. Phys. 22, 083016 (2020)）、介电圆柱体（[6] Phys. Rev. A 101, 011803 (2020)）、纳米圆柱体（[7] Appl. Phys. Rev. 9, 021410 (2022)）和螺旋体（[8] Proc. Natl. Acad. Sci. 120, e2301620120 (2023)）等粒子。这些粒子在受到特定方向和极化方式的平面波散射时，会产生具有Janus特性的二次源。尽管这些源在理论上是可行的，但由于粒子只能散射入射波的一小部分，其功率效率相对很低。此外，电偶极子和磁偶极子的再散射振幅和相位是针对单一频率进行精心优化的，这导致了其工作在单频点或窄带。在最近的研究中，团队提出了一种在平行板波导内的有源二维Janus源（[9] Commun. Phys. 7,87 (2024)），并探讨了其在近场方向性和功率耦合抑制方面的应用。然而，这种源的二维结构的局限性限制了其在自由空间中的应用。因此，迫切需要提出三维有源Janus源，以实现对自由空间中辐射和耦合的更强方向控制，从而为实际应用带来更大的可能性。
图1. 理论Janus源、无源Janus源以及二维有源Janus源图示。*已获相关图的使用版权。
图2. Janus 天线（准各向同性电小天线）的示意图以及反射系数。
图3. 仿真结果。带有介电波导的 Janus 天线示意图，待优化的以及优化的Janus天线的近场波导耦合示意图，S参数曲线图。
图4. 实验结果。所选三个频点下的待优化的以及优化的Janus天线的端口能量分布，优化的Janus天线的近场方向性曲线。
本研究提出并验证了一种三维有源Janus天线，它实现了宽带的近场方向性调控，与现有的无源Janus源相比，其功率效率显著提高。该研究将适用于天线在各种近场应用中的设计和应用，例如高效的无线功率传输、亚波长紧凑系统中的非对称耦合等等。具体来说，可以利用Janus源的准各向同性远场辐射和近场方向性来构建紧凑型MIMO 系统，从而大大减少元件间耦合，以及增强元件间耦合的无线能量传输系统。
本研究得到了香港政府研究资助局（CityU 11204522）的资助。香港城市大学王文瀚教授为论文的通讯作者，博士生薛博为论文的第一作者，博士后Kayode Adedotun Oyesina为论文共同作者。
文章信息：B. Xue, K. A. Oyesina and A. M. H. Wong, “Achieving Broadband Near-field Directionality with a Three-Dimensional Active Janus Antenna”, Laser & Photonics Reviews, 2024, 2401093.
文章链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202401093
--课题组供稿
