上海交通大学朱卫仁课题组AMT：双极化可重构超表面实现超大角度稳定的超宽带传输/屏蔽动态切换

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论文信息

研究背景

电磁超表面作为一种独特的二维人工材料，可以通过其独特的物理特性在场域对电磁波的频率、振幅、极化等多个维度进行操控。针对不同频段的电磁波，超表面能够呈现出传输和带外抑制的差异化响应从而提升系统的电磁兼容性和抗电磁干扰能力。在研究之初，这类超表面的功能单一且固定，只能工作在设计时既定的模式，无法实时的进行功能的调节。随着研究的不断深入，学者们通过加载PIN二极管等控制元件的方式使其能够在传输和屏蔽等多种模式之间进行动态切换，以适应应用场景的变化。然而，基于现有的研究工作，这些可重构的超表面屏蔽装置往往表现出有限的工作带宽，并且在大角度的电磁波照射下难以保持功能的稳定性。

文章概述

近日，上海交通大学朱卫仁课题组科研团队利用双极化可重构超表面实现了对大角度斜入射不敏感的超宽带传输/屏蔽动态切换装置。基于PIN二极管，该超表面主要工作在四种电可调谐模式：传输或屏蔽TE和TM极化波，以及选择性传输TE极化波或TM极化波。除了控制电磁波的极化，所提超表面的工作带宽能够覆盖0.1 GHz至4 GHz (相对带宽为190%)。与此同时，超表面在传输模式下的传输损耗低于1dB，而在屏蔽模式下传输损耗高于15dB。在设计过程中，超表面的亚波长单元采用了小型化的设计，其整体的剖面高度约为中心频率的1/150。小型化的单元设计同时赋予了超表面极为优异的角度稳定性。在0.1-1.6 GHz的频率范围内，超表面对入射角度高达80°的TE和TM电磁波均能保持高水平的传输和屏蔽效率。在1.6 GHz-4 GHz频率范围内，超表面的四种基本工作模式能够在60°以内的斜入射条件下保持稳定。

图1 所提可重构超表面的结构和功能示意图

图2 超表面在 a)“00”, b)“11”, c)“01” 和 d)“10”四种工作模式下的正向传输系数仿真结果。超表面的正向传输系数在 e)“00”, f)“11”, g)“01” 和 h)“10”四种模式下随着频率和极化角度的变化图。

图3 TE极化波照射下超表面在 a)传输和 b)屏蔽模式下正向传输系数随入射角度的变化图。TM极化波照射下超表面在 c)传输和 d)屏蔽模式下正向传输系数随入射角度的变化图。

基于电磁超表面，该研究提出了一种有效的多极化、超宽带以及大入射角度稳定的传输/屏蔽可重构抗电磁干扰策略。所提出的超表面结构在电磁兼容、天线和传感器等领域展现出巨大应用潜力。

期刊简介

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