东南大学马慧锋,崔铁军团队AMT: 产生任意极化空间波的高效超表面发射器

摘要：东南大学马慧锋教授和崔铁军院士团队提出一种可产生任意极化空间波的高效超表面发射器，该装置由单极子天线作为馈源，能量先耦合到超表面形成表面波，再经调制转换为任意极化的空间波。作为功能验证，研究人员设计了多种不同极化的超表面发射器。

关键词：Advanced Materials Technologies，超表面发射器，极化调控，表面波，空间波

超表面是由亚波长单元周期/准周期排布构成的新型人工电磁表面，具有低剖面、易加工等优点，能够对电磁波进行多维度调控。然而，目前超表面对电磁波的操控大多是对已经存在的空间电磁波进行调控，工作在反射区域或透射区域，其本身并不能产生空间电磁波。全息人工阻抗表面可视为一种辐射超表面，单元特性由本征阻抗表征，当表面阻抗满足一定的周期排布规律时，能产生空间波辐射，通常被用来设计漏波天线。然而，此类方法具有孔径效率低、交叉极化大等缺点。

针对上述问题，东南大学毫米波国家重点实验室马慧锋教授、崔铁军院士团队提出一种基于相位调控的超表面发射器，可以高效辐射电磁波，并实现了对辐射波极化的完全控制。如图1所示，发射器以单极子天线为馈源，能量首先耦合到超表面上形成表面波，当超表面单元满足合适的相位梯度时，表面波可以被转换为空间波。此外，由于任意极化的空间波都可以看作是左旋圆极化波和右旋圆极化波的组合，在超表面的设计中引入极化调控相位，即可对辐射波的极化进行调控。进一步地，结合口面场叠加原理，可实现不同极化的多波束辐射。研究人员利用传输相位和几何相位将左旋圆极化波和右旋圆极化波解耦，实现所需的辐射相位和极化调控相位，完成超表面辐射器的设计。

研究人员设计并加工了产生径向极化、角向极化、线极化、圆极化单波束辐射以及不同极化双波束辐射的超表面发射器。结果显示，超表面的辐射效率高达95%，交叉极化低于20 dB。此项工作提出了利用单层超表面辐射任意极化空间波的有效方法，具有低剖面，高效率，易集成等优点。调整超表面单元的尺寸并选择合适的馈源(如量子发射体)，该方法可以扩展到更高频段，在新型片上器件的开发中具有广阔的前景。

东南大学毫米波国家重点实验室博士生张泰艺为论文第一作者，马慧锋教授和崔铁军院士为论文通讯作者。相关结果发表在Advanced Materials Technologies上。