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各向异性人工电磁超表面:开启极化调控新时代

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代科技领域,极化调控作为电磁波操控的关键环节,在通信、雷达、遥感等众多领域发挥着举足轻重的作用。在通信系统中,极化状态对信号传输的质量和效率有着直接影响。以卫星通信为例,由于信号在长距离传输过程中会受到大气层等多种因素的干扰,圆极化波因其对极化方向变化不敏感的特性,被广泛应用于卫星通信,以确保信号的稳定传输。在5G乃至未来的6G通信时代,随着对高速率、大容量数据传输需求的不断增长,极化复用技术成为提高频谱利用率的重要手段,通过利用正交极化方式,在同一频段内实现多路信号的复用传输,大大提升了通信系统的信息传输能力。

雷达技术中,极化信息对于目标探测与识别至关重要。传统单极化雷达如同只能获取黑白图像的相机,仅能得到目标的部分信息;而全极化雷达则像“彩超”,能够精确获取目标电磁散射信息并进行精细化解译与识别处理。当目标受到电磁波照射时,会产生“变极化效应”,散射波的极化状态相对于入射波会发生改变,且这种变化与目标的姿态、尺寸、结构、材料等物理属性密切相关。通过分析这种极化变化,雷达可以提取目标所蕴含的丰富物理信息,从而提升雷达的抗干扰、目标检测、分类和识别等性能。例如,在军事领域,全极化雷达能够更准确地识别伪装目标和隐身目标,为国防安全提供有力保障;在民用领域,全极化雷达可用于地质勘探、气象监测等,提高对自然环境的探测精度。

然而,传统的极化调控方法和材料在面对日益复杂的应用需求时,逐渐暴露出诸多局限性。传统转极化器通常由多层具备旋光性或双折射特性的材料级联而成,这种结构不仅导致整体器件体积庞大、重量增加,而且加工工艺复杂,成本高昂。同时,由于其结构固定,难以实现动态调控,无法适应信号快速变化和多样化的应用场景。在当今追求小型化、智能化和多功能化的科技发展趋势下,传统极化调控手段已难以满足实际需求,亟待寻求新的技术和材料来突破这些瓶颈。

各向异性人工电磁超表面作为一种新型的人工电磁材料,为极化调控领域带来了新的曙光。它是由亚波长尺度的人工结构单元按特定规律排列组成的二维平面结构,通过巧妙设计这些单元的形状、尺寸、排列方式以及材料特性,能够实现对电磁波的幅度、相位、极化等特性的灵活调控,展现出天然材料所不具备的超常电磁特性。与传统材料相比,各向异性人工电磁超表面具有结构轻薄、易于加工制造、设计灵活等显著优势。其轻薄的结构特点使其在对空间和重量限制严格的应用场景中具有巨大优势,如卫星通信设备、无人机搭载的雷达系统等;易于加工制造的特性则降低了生产成本,有利于大规模生产和应用;而设计灵活则体现在可以根据不同的应用需求,精确设计超表面的结构和参数,实现特定的极化调控功能,如极化旋转、极化转换、极化分束等。

各向异性人工电磁超表面在极化调控方面的独特优势,为解决通信、雷达等领域的实际问题提供了新的思路和方法,有望推动这些领域朝着更高性能、更小型化、更智能化的方向发展。对各向异性人工电磁超表面在极化调控中的应用研究具有重要的科学意义和实际应用价值,不仅有助于深入理解电磁波与人工结构的相互作用机理,丰富电磁学理论,还能为相关领域的技术创新和产品升级提供关键技术支持,促进通信、雷达、遥感等产业的发展,提升国家在相关领域的科技竞争力。

1.2国内外研究现状

近年来,各向异性人工电磁超表面在极化调控领域的研究呈现出蓬勃发展的态势,国内外众多科研团队围绕其展开了深入探索,取得了一系列丰硕成果。

在国外,美国哈佛大学的研究团队通过精心设计超表面单元结构,实现了对太赫兹波的高效极化转换。他们利用各向异性超材料的特性,构建了一种基于开口谐振环结构的超表面,在太赫兹频段成功实现了线极化波到圆极化波的高转换效率,转换效率高达90%以上,为太赫兹通信、成像等领域提供了新的极化调控手段。英国伦敦帝国理工学院的科研人员则致力于可重构各向异性超表面的研究,通过在超表面中集成微机电系统(MEMS)开关,实现了对电磁波极化状态的动态调控。当MEMS开关处于不同状态时,超表面的等效电磁参数发生改变,从而实现了极化旋转角度的动态可调,为智能天线、自适应通信系统等应用提供了可能。

国内在这一领域的研究也毫不逊色。东南大学的崔铁军院士团队在各向异性超表面极化调控方面取得了多项重要突破。他们提出了一种基于时空编码的各向异性超表面设计方法,通过对超表面单元的时间和空间编码进行精确控制,实现了极化态和散射方向图的联合调控,能够按需产生一系列不同任意极化特性的远场多波束。该研究成果为极化成像、信息加密和无线通信等领域带来了新的技术思路,有望推动相关领域的技术升级。南京大学的冯一军教授团队应用时空编码各向异性超表面动态构建任意极化多波束,通过超表面各基本单元上独立加载的时空编码控

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