空军工程大学管春生、蔡通/哈工大丁旭旻《AM》：用于高级电磁功能的导波与空间波复用型超表面

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-24 08:01

正文

在雷达与通信系统中，信号的来源分为有线和无线两种，有线的信号通过导波来输入，而无线的信号一般来自于自由空间。无论是传统的天线或者超表面器件只能对其中的一种进行调控，如果能实现对导波与空间波的同时复用，就能够进一步拓展现有天线和超表面器件的功能，实现包括隐身天线、多源无线传能以及主/被动示假等在内的多种新型应用。

最近，空军工程大学的管春生讲师和蔡通副教授与哈尔滨工业大学的丁旭旻教授课题组在导波和空间波复用型超表面的研究方面取得突破性进展，提出了一系列基于导波与空间波复用型超表面的先进电磁功能，如低副瓣低散射天线、多功能无线能量传输以及多通道全息成像，如图1所示。所提出的超表面基于极化隔离设计，能够对辐射电磁波实现复振幅调控的同时实现对散射波的全相位调控，而不会产生串扰问题。相关工作以“Guided and Space Waves Multiplexed Metasurface for Advanced Electromagnetic Functionalities in Microwave Region”为题，发表在《Advanced Materials》上。空军工程大学管春生讲师，蔡通副教授，齐齐哈尔大学的朱磊教授为论文的共同第一作者，哈尔滨工业大学的丁旭旻教授为论文的通讯作者，空军工程大学为论文第一单位。

图1 用于高级电磁功能的导波和空间波复用超表面功能示意图。

导波与空间波复用机理

导波与空间波复用型超表面结构分为两个部分，一部分是位于超表面下方的基片集成波导（SIW）结构如图2所示，用来提供导波激励的同时充当反射结构的地板，另一部分是位于SIW上方的多层贴片结构，水平方向的结构的贴片作为辐射贴片可以通过SIW上的缝隙将导波耦合到自由空间中昂，通过对贴片和缝隙尺寸的联合优化，可以同时实现对辐射波的幅度与相位调控；而垂直结构的贴片作为反射贴片，可以调控来自自由空间的入射波的相位。并且通过极化隔离的方式，有效避免了对导波和空间波的相互串扰问题。通过分别设计辐射结构和反射结构，就能实现任意的辐射和反射功能。

图2 超表面单元的设计。

低副瓣低散射天线验证

旁瓣电平是天线设计中的一个重要参数，它直接影响天线的抗干扰能力和信号采集能力。副瓣电平的精确控制一般需要对天线孔径上的幅度分布进行特殊的处理，如泰勒幅度分布和切比雪夫幅度分布。复幅度超表面利用相位补偿能力实现高增益波束，利用调幅能力降低旁瓣电平，在低旁瓣天线设计中具有独特的应用优势。现有基于超表面的低旁瓣超表面天线大多是反射阵和发射阵类型，它们受到外部空间源引入的高剖面的影响。在这里，我们实现了一种基于复幅度导波超表面的低剖面和低副瓣的天线。此外，降低RCS对于达到隐身性能至关重要，特别是在军事应用中。本设计通过对入射空间波的操纵，超表面在两个极化的入射下都实现了良好的散射缩减，如图3所示。

图3 低副瓣低散射天线。

多功能无线传能验证

基于超表面的无线传能是一种很有前途的技术，可以为设备和传感器提供长期和可持续的电力，特别是在物联领域。与已报道的由空间波驱动的设计相比，所提出的制导和空间波多路复用超表面不仅能够收集来自自由空间的能量，还能够通过有线输入辐射能量，从而在无线传能设备中表现出前所未有的能力。聚焦光束和艾里光束是WPT中最常用的光束，它们可以显著提高效率，适合远距离能量传输。此外，艾里光束具有固有的无衍射特性。为了验证我们提出的超表面在无线传能中的能力，设计了一个同时在反射模式下工作的聚焦光束和在辐射模式下产生的艾里光束，并进行了实验验证，如图4所示。

图4 多功能近场无线传能。

多路全息验证

最近，各种超表面被提出使用多路复用技术来实现多通道全息图，包括波长，偏振和轨道角动量模。然而，基于馈源的多路复用鲜见报道。在这里，我们通过复用导波和空间波提出并实现了多通道全息图的功能，如图5所示。

图5 馈源复用的多通道全息。

总结：该研究成果在显著提高超表面集成度的同时，极大地拓展了超表面在操控电磁波方面的能力，有望在隐身雷达，无线传能以及主/被动示假等领域发挥巨大的应用潜力。

来源：高分子科学前沿

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