研究背景
電磁超表面作為一種獨特的二維人工材料，可以通過其獨特的物理特性在場域對電磁波的頻率、振幅、極化等多個維度進行操控。針對不同頻段的電磁波，超表面能夠呈現出傳輸和帶外抑制的差異化響應從而提升系統的電磁兼容性和抗電磁干擾能力。在研究之初，這類超表面的功能單一且固定，只能工作在設計時既定的模式，無法實時的進行功能的調節。隨著研究的不斷深入，學者們通過加載PIN二極管等控制元件的方式使其能夠在傳輸和屏蔽等多種模式之間進行動態切換，以適應應用場景的變化。然而，基于現有的研究工作，這些可重構的超表面屏蔽裝置往往表現出有限的工作帶寬，并且在大角度的電磁波照射下難以保持功能的穩定性。
文章概述
近日，上海交通大學朱衛仁課題組科研團隊利用雙極化可重構超表面實現了對大角度斜入射不敏感的超寬帶傳輸/屏蔽動態切換裝置。基于PIN二極管，該超表面主要工作在四種電可調諧模式：傳輸或屏蔽TE和TM極化波，以及選擇性傳輸TE極化波或TM極化波。除了控制電磁波的極化，所提超表面的工作帶寬能夠覆蓋0.1 GHz至4 GHz (相對帶寬為190%)。與此同時，超表面在傳輸模式下的傳輸損耗低于1dB，而在屏蔽模式下傳輸損耗高于15dB。在設計過程中，超表面的亞波長單元采用了小型化的設計，其整體的剖面高度約為中心頻率的1/150。小型化的單元設計同時賦予了超表面極為優異的角度穩定性。在0.1-1.6 GHz的頻率范圍內，超表面對入射角度高達80°的TE和TM電磁波均能保持高水平的傳輸和屏蔽效率。在1.6 GHz-4 GHz頻率范圍內，超表面的四種基本工作模式能夠在60°以內的斜入射條件下保持穩定。
圖1 所提可重構超表面的結構和功能示意圖
圖2 超表面在 a)“00”, b)“11”, c)“01” 和 d)“10”四種工作模式下的正向傳輸系數仿真結果。超表面的正向傳輸系數在 e)“00”, f)“11”, g)“01” 和 h)“10”四種模式下隨著頻率和極化角度的變化圖。
圖3 TE極化波照射下超表面在 a)傳輸和b)屏蔽模式下正向傳輸系數隨入射角度的變化圖。TM極化波照射下超表面在 c)傳輸和 d)屏蔽模式下正向傳輸系數隨入射角度的變化圖。
基于電磁超表面，該研究提出了一種有效的多極化、超寬帶以及大入射角度穩定的傳輸/屏蔽可重構抗電磁干擾策略。所提出的超表面結構在電磁兼容、天線和傳感器等領域展現出巨大應用潛力。
期刊簡介
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