基于高效率透镜式数字超表面的动态多模涡旋电磁波调控

来源：两江科技评论

导读

近日，中国航天科技集团公司第九研究院上海航天电子有限公司白旭东副研究员团队与来自中国军事科学院国防科技创新研究院、上海卫星工程研究所和上海交通大学的合作研究者们，给出了一种基于高效率透镜式数字超表面实现动态多模涡旋电磁波调控的方法，有效克服了反射式数字超表面的相位不稳定性及馈源遮挡效应对电磁涡旋波束的影响。相关成果于近期以“High-Efficiency Transmissive Programable Metasurface for Multi-Mode OAM Generation”为题目在线发表于国际光学领域顶级期刊《Advanced Optical Materials》上。该工作论文的第一作者和通信作者为上海航天电子有限公司白旭东副研究员，通信作者还包括中国军事科学院李献斌副研究员、上海交通大学贺冲副教授和朱卫仁副教授，论文的合作作者包括上海航天电子有限公司孔凡伟、孙运涛研究员、王冠府与钱婧怡，上海卫星工程研究所曹岸杰副研究员，上海交通大学梁仙灵副教授、金荣洪教授。

研究背景

近年来，含有轨道角动量的涡旋电磁波因具有多拓扑荷特性，且各拓扑荷的波束彼此独立，在提高通信容量和雷达探测性能等方面有着广阔的应用前景。超表面是近年来人工电磁超材料的最新研究方向，作为一种二维超薄阵列平面，一般由亚波长尺度的结构单元以周期或近似周期排列所构成，通过设计超表面单元的微结构以及单元的排列方式, 可以对电磁波的相位、极化、传输及反射等特性进行灵活操控。目前，国内外已经有大量应用超表面来产生涡旋波的工作。其中，采用编码超表面产生的涡旋电磁波，功能相对单一，只能生成固定模态的涡旋波。为了实现多模涡旋波的实时动态切换，反射式数字超表面被引入到涡旋电磁波的动态调控设计中来，但也存在效率低下、馈源遮挡严重等问题。

创新研究

在这项工作中，研究人员提出了采用一比特透射式数字超表面生成动态涡旋电磁波的设计方案，透射式超表面系统的总体结构如图1所示，共包含喇叭馈源、透射式超表面、逻辑控制板和计算机四部分。透射式超表面单元的详细结构设计如图2所示，单元背面为用于接收空间照射馈源辐射电磁波的接收层金属贴片，单元正面为集成了两个PIN二极管的辐射贴片。通过两个二极管的反对称排列，单元在较宽的频带内保持了较高的透射率和稳定的传输相位。仿真结果表明，该可重构单元可实现良好的1-bit相位调控，最小插入损耗为0.2 dB, 2-dB传输带宽约10 %。同时，通过在单元贴片中引入优化的椭圆结构设计，有效保证了透射系数在不同的入射角下的稳定性，详细结果如图3所示。透射式超表面系统的详细实物及测试场景参见图4，该透射超表面共由400个集成了PIN二极管的电可重构单元组成，通过逻辑控制板上施加的高低电平来调制二极管的导通及关闭状态，从而实现单元的1-bit编码。通过对超表面上单元编码分布的动态调制，可以实现多模涡旋波的实时动态切换。本项工作提出的透射式可编程超表面有效改善了反射式数字超表面中普遍存在的效率低、馈源遮挡对涡旋波模态的影响。五种模态涡旋电磁波的测试结果详见图5，其中在零模态时透射超表面系统测量增益最大可达25.68 dB，整体口面效率为29.4 %。

图1 多模OAM波束动态生成的透射式数字超表面系统

图2 透射式超表面单元结构：(a)整体爆炸图，(b)辐射层，(c)偏置层，(d)接收层。

图3 单元散射参数的仿真结果。不同数目偏置线下透射系数的(a)幅值和(b)相位。不同入射角下透射系数的(c)幅值和(d)相位。

图4 (a)偏置层网络布局，(b)逻辑控制板设计原理图，(c)透射式数字超表面整体实物图，(d)透射式数字超表面暗室测试场景图。

图5  透射超表面在不同涡旋模态下的测试结果：(a)模态ℓ =-2，(b)模态ℓ =-1，(c)模态ℓ =0，(d)模态ℓ =+1，(e)模态ℓ =+2.

总 结

与传统的基于反射式数字超表面的动态多模涡旋波技术相比，本文通过设计高透射率1-bit数字超表面来实现涡旋模态的实时动态调控，并有效改善了反射式数字超表面存在的效率低、馈源遮挡效应对涡旋波模态的影响。该透射式数字超表面具有插损小、效率高的优点，且透射系数在不同的入射角下保持了较好稳定性。仿真及实测结果表明，1-bit透射式数字超表面能够有效实现对涡旋电磁波的动态调控，进而为多模涡旋波技术在高速通信及探测识别等领域的广泛应用打下坚实的基础。