董高雅 ,陽(yáng)小龍

(1.北京科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,北京 100083;2.北京科技大學(xué) 順德創(chuàng)新學(xué)院,廣東 佛山 528399)

人工電磁超表面是一種人為設(shè)計(jì)的電磁諧振結(jié)構(gòu),以周期性或非周期性方式排列來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的電磁波調(diào)控特性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞人工電磁超表面開(kāi)展了廣泛研究[1-26]。

在電子對(duì)抗和無(wú)線通信系統(tǒng)中,在放大有用電磁信號(hào)的同時(shí)還需要抑制電磁干擾信號(hào),即針對(duì)空間不同類型的電磁波進(jìn)行非互易式調(diào)控。由洛倫茲定律可知: 傳統(tǒng)對(duì)稱式的人工電磁超表面為線性媒質(zhì)[1-2],針對(duì)電磁波進(jìn)行互易式調(diào)控。只有通過(guò)特定方式打破人工電磁超表面的時(shí)間反演對(duì)稱性或空間反演對(duì)稱性,才能實(shí)現(xiàn)電磁波的非互易式調(diào)控。目前利用磁光效應(yīng)[3-8]、非線性[9-11]、時(shí)空調(diào)制[12-18]、加載晶體管[19-25]等方式設(shè)計(jì)非互易電磁超表面,從而實(shí)現(xiàn)電磁波的非互易式調(diào)控。但是上述方法都有各自的缺點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō): 磁體具有體積笨重、成本高、重量大等缺點(diǎn),基于磁光效應(yīng)設(shè)計(jì)的非互易電磁超表面存在體積大、重量大、成本高等缺點(diǎn);基于非線性方法構(gòu)建的非互易電磁超表面對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的依賴性極強(qiáng);基于時(shí)空調(diào)制方法構(gòu)建的非互易超表面復(fù)雜度非常高;基于功率放大器構(gòu)建的非互易電磁超表面經(jīng)濟(jì)成本較高,但具有體積集成、重量輕、復(fù)雜度較低等優(yōu)點(diǎn)。

2017 年,加拿大肯高迪亞大學(xué)的Sajjad Taravati團(tuán)隊(duì)基于“貼片-電路-貼片”的三明治結(jié)構(gòu)提出透射型非互易超表面[23]。在5.8～6.0 GHz 頻段內(nèi),該非互易超表面在單一方向引入傳輸增益(17 dB),在相反方向引入傳輸損耗(-10 dB),其對(duì)應(yīng)的非互易系數(shù)為27 dB。隨后,東南大學(xué)程強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)利用功率放大器構(gòu)建反射型非互易超表面[24]。即在一個(gè)超構(gòu)單元中放置兩個(gè)貼片結(jié)構(gòu),并在兩個(gè)貼片結(jié)構(gòu)之間加載晶體管,提出反射增強(qiáng)型超表面。在3.85～4.3 GHz 頻段內(nèi),該超表面針對(duì)特定入射方向的電磁波實(shí)現(xiàn)5.8 dB 的反射增益。此外,學(xué)者圍繞不同極化類型電磁波的非互易式調(diào)控開(kāi)展深入研究。2021 年,華南理工大學(xué)車文荃教授團(tuán)隊(duì)提出雙極化非互易空間放大有源超表面[25]。該超構(gòu)單元中的貼片結(jié)構(gòu)由兩個(gè)正交的T 型微帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合饋電,并將兩個(gè)晶體管放置在一對(duì)正交微帶線上,從而針對(duì)雙極化電磁波進(jìn)行空間放大。在4.88～5.19 GHz 頻段內(nèi),該超表面針對(duì)橫電波和橫磁波的空間放大系數(shù)均大于0 dB,且最大的放大系數(shù)為10.4 dB,對(duì)應(yīng)的反向傳輸系數(shù)為-20 dB。然而,上述非互易超表面的工作帶寬均小于0.5 GHz。為了進(jìn)一步展寬非互易超表面的工作帶寬,東南大學(xué)的崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)利用正交沙漏型槽結(jié)構(gòu)對(duì)貼片進(jìn)行耦合饋電[26]。在5.0～6.0 GHz 頻段范圍內(nèi),該放大型可重構(gòu)智能超表面實(shí)現(xiàn)的增益為7.7～12.2 dB,實(shí)現(xiàn)的傳輸損耗為2.5 dB。綜上,目前非互易超表面所實(shí)現(xiàn)的最寬工作帶寬為1.0 GHz,且沒(méi)有研究如何在超寬帶非互易超表面中引入阻帶,從而避免與窄帶通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)及電子對(duì)抗對(duì)非互易超表面的工作頻帶提出了新的需求: (1) 超寬的工作頻段;(2) 在超寬工作頻段內(nèi)引入阻帶,以避免與現(xiàn)有的ISM、NBIOT(Narrow Band Internet of Things,窄帶物聯(lián)網(wǎng)) 等窄帶通信系統(tǒng)形成干擾。此外,在無(wú)線通信系統(tǒng)及電子對(duì)抗的實(shí)際應(yīng)用中,既存在以單極化為主的通信場(chǎng)景,又存在以雙極化為主的通信場(chǎng)景。針對(duì)上述實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的具體需求,本文基于“貼片-功率放大器-貼片”三明治結(jié)構(gòu)提出了一系列非互易超表面。首先,闡述非互易超表面的電磁波調(diào)控模型;其次,基于貼片結(jié)構(gòu)和功率放大器提出適用于單極化通信場(chǎng)景的寬帶非互易超表面,該超表面具有工作頻段寬、非互易性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);之后,利用耦合結(jié)構(gòu)和短路枝節(jié)在上述寬帶超表面中引入阻帶,從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工作頻段,并有效避免該非互易超表面與窄帶通信系統(tǒng)(ISM)的干擾;最后,調(diào)整功率放大器的位置及數(shù)量,提出適用于雙極化通信場(chǎng)景的寬帶非互易超表面,并再次采用耦合結(jié)構(gòu)和短路枝節(jié)在上述寬帶超表面中引入阻帶。綜上,本文提出的非互易超表面具有工作頻段寬、避免與窄帶通信系統(tǒng)干擾、應(yīng)用場(chǎng)景可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。因此,該非互易超表面在超寬帶無(wú)線通信及電子對(duì)抗領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

1 非互易超表面的電磁波調(diào)控模型

圖1 非互易超表面的電磁波調(diào)控特性Fig.1 The electromagnetic wave modulation characteristics of nonreciprocal metasurface

當(dāng)電磁波沿+z軸傳輸,非互易超表面所對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣:

當(dāng)電磁波沿-z軸傳輸,非互易超表面所對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣:

在式(1)和(2)中,t代表時(shí)刻 (t∈t1,t2,t3,…);±代表電磁波的傳輸方向,其+代表電磁波沿著+z方向傳播,-代表電磁波沿著-z方向傳播。

不同極化類型的電磁波入射到人工電磁超表面呈現(xiàn)出不同的傳輸特性,這種現(xiàn)象被稱之為極化非互易性,針對(duì)透射型超表面的極化非互易系數(shù)的定義如式(3)所示。基于手征結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的非互易超表面具有極化非互易性。

式中:u,v代表電磁波的極化類型,具體包括水平極化、垂直極化、左旋圓極化和右旋圓極化。電磁波在不同時(shí)刻下入射到人工電磁超表面呈現(xiàn)出不同的傳輸特性,這種現(xiàn)象被稱之為時(shí)間非互易性,針對(duì)透射型超表面的時(shí)間非互易系數(shù)定義如等式(4)所示,基于可調(diào)元件設(shè)計(jì)的非互易超表面具有時(shí)間非互易性。

電磁波沿相反方向入射到人工電磁超表面呈現(xiàn)出不同的傳輸特性,這種現(xiàn)象被稱之為空間非互易性,針對(duì)透射型超表面的空間非互易系數(shù)定義如式(5)所示?；诰w管設(shè)計(jì)的非互易超表面具有空間非互易性。

2 應(yīng)用于單極化通信場(chǎng)景的非互易超表面設(shè)計(jì)

在單極化通信場(chǎng)景中,通常以特定類型的極化電磁波作為信號(hào)載體,其對(duì)應(yīng)的交叉極化電磁波為干擾信號(hào)的載體。因此,僅需針對(duì)特定方向特定極化類型的電磁波進(jìn)行有效傳輸及放大,并抑制交叉極化電磁波的傳輸。本文提出一系列適用于單極化通信場(chǎng)景的非互易超表面,其對(duì)應(yīng)的電磁波調(diào)控特性可以總結(jié)為: 當(dāng)y極化電磁波沿+z方向傳輸并通過(guò)超表面,將會(huì)產(chǎn)生一定的增益,且沒(méi)有偏振變化;當(dāng)y極化電磁波沿-z方向傳輸并通過(guò)超表面,將產(chǎn)生一定的抑制,且沒(méi)有偏振變化。當(dāng)x極化電磁波沿-z、+z方向傳輸并通過(guò)超表面,表現(xiàn)出相似的傳輸特性。即,并以dB 的形式表述超表面針對(duì)y極化電磁波的空間非互易系數(shù):。

為了針對(duì)單極化電磁波進(jìn)行非互易式調(diào)控,本文基于接收、放大和再輻射的方案提出一系列“貼片-功率放大器-貼片” 形式的超構(gòu)單元,其示意圖如圖2所示。第一個(gè)貼片天線接收來(lái)自超表面一側(cè)的入射電磁波并將其饋送到功率放大器電路中,而第二個(gè)貼片天線收集離開(kāi)功率放大器電路的電磁波并將其輻射到超表面的另一側(cè)。其中接收天線和再輻射天線分別刻蝕在上層介質(zhì)板的頂表面和下層介質(zhì)板的底表面,并由微帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電。其中介質(zhì)板為FR4 板材,相對(duì)介電常數(shù)為4.4,損耗角正切為0.02,板材厚度為2.0 mm。在頂層和底層中分別嵌入一個(gè)功率放大器芯片以及必要的外圍電路。此外,頂層的金屬結(jié)構(gòu)與底層的金屬結(jié)構(gòu)均關(guān)于AA’ 軸對(duì)稱,且頂層的金屬結(jié)構(gòu)與底層的金屬結(jié)構(gòu)關(guān)于中間的金屬層鏡像對(duì)稱。由圖2可知: 超構(gòu)單元A 由貼片結(jié)構(gòu)和功率放大器組成;超構(gòu)單元B 由貼片結(jié)構(gòu)、功率放大器和耦合結(jié)構(gòu)組成;超構(gòu)單元C 由貼片結(jié)構(gòu)、功率放大器、耦合結(jié)構(gòu)和短路結(jié)構(gòu)組成。上述功率放大器中的晶體管采用Mini 公司的GV84+,其對(duì)應(yīng)的外圍電路如圖3 所示。其中Cin=44.0 pF,Cout=44.0 pF,Cb1=1.0 nF,Cb2=4.7 pF和Rb=32.0 Ω,一個(gè)5.0 V 直流電源通過(guò)直流網(wǎng)絡(luò)為功率放大器提供40 mA 的直流信號(hào)。

圖2 (a) 超構(gòu)單元A 的側(cè)視圖;(b) 超構(gòu)單元A 的俯視圖;(c) 超構(gòu)單元B 的側(cè)視圖;(d) 超構(gòu)單元B 的俯視圖;(e) 超構(gòu)單元C 的側(cè)視圖;(f) 超構(gòu)單元C 的俯視圖Fig.2 (a) The side view of metasurface unit A;(b) The top view of metasurface unit A;(c) The side view of metasurface unit B;(d) The top view of metasurface unit B;(e) The side view of metasurface unit C;(f) The top view of metasurface unit C

圖3 功率放大器的外圍電路Fig.3 The peripheral circuit of power amplifier

基于HFSS 軟件優(yōu)化超構(gòu)單元A、B 和C,優(yōu)化后的電路參數(shù)展示在表1,2 和3 中,其對(duì)應(yīng)的S參數(shù)(散射參數(shù))仿真結(jié)果如圖4 所示。由圖4(a)可知: 以y極化電磁波為主極化的通信場(chǎng)景中,在1.0～4.0 GHz 頻段內(nèi),當(dāng)y極化電磁波沿+z軸傳輸時(shí),其對(duì)應(yīng)的傳輸增益均大于17.3 dB(≥17.3 dB);當(dāng)y極化電磁波沿-z軸傳輸時(shí),其對(duì)應(yīng)的傳輸損耗均高于44.6 dB(≤-44.6 dB)。關(guān)于交叉極化(x極化電磁波)的調(diào)控特性如下: 在0～0.5 GHz 頻段范圍內(nèi),當(dāng)x極化電磁波沿+z、-z軸傳輸時(shí),其對(duì)應(yīng)的傳輸損耗類似,且均大于65.2 dB(≤-65.2 dB,≤-65.2 dB)。綜上,在單極化通信場(chǎng)景中,該超表面針對(duì)主極化電磁波進(jìn)行非互易式調(diào)控,其對(duì)應(yīng)的空間非互易系數(shù)為61.9 dB(即17.3-(-44.6)=61.9 dB)。針對(duì)交叉極化電磁波進(jìn)行互易式調(diào)控,且傳輸損耗大于65.2 dB。

表1 超構(gòu)單元A 的具體參數(shù)值Tab.1 The detailed parameter values of the meta-unit A mm

表2 超構(gòu)單元B 的具體參數(shù)值Tab.2 The detailed parameter values of the meta-unit B mm

表3 超構(gòu)單元C 的具體參數(shù)值Tab.3 The detailed parameter values of the meta-unit C mm

圖4 (a) 超構(gòu)單元A 和B 的仿真S 參數(shù);(b) 超構(gòu)單元B 和C 的仿真S 參數(shù)Fig.4 (a) The simulated S parameters of metasurface units A and B;(b) The simulated S parameters of metasurface units B and C

通過(guò)對(duì)比超構(gòu)單元A 和B 的電路結(jié)構(gòu)及S參數(shù)的仿真結(jié)果可知: 以超構(gòu)單元A 為基礎(chǔ),加載對(duì)稱式耦合結(jié)構(gòu)可以得到超構(gòu)單元B,并引入傳輸零點(diǎn)fTZs。通過(guò)對(duì)比超構(gòu)單元B 和C 的電路結(jié)構(gòu)及S參數(shù)的仿真結(jié)果可知: 在超構(gòu)單元B 的基礎(chǔ)上加載對(duì)稱式短路枝節(jié)構(gòu)建超構(gòu)單元C,并引入傳輸零點(diǎn)fTZ1,fTZ2。通過(guò)引入上述傳輸零點(diǎn),可以在超構(gòu)單元中集成阻帶特性,從而在兩個(gè)頻段內(nèi)針對(duì)電磁波進(jìn)行非互易式調(diào)控。由圖4(b)可知: 基于超構(gòu)單元C 組成的超表面在0.97～2.09 GHz 和2.72～4.00 GHz 兩個(gè)頻段內(nèi)非互易式調(diào)控空間電磁波。具體來(lái)說(shuō): 當(dāng)y極化電磁波沿+z軸傳輸時(shí),其對(duì)應(yīng)的傳輸增益均大于17.3 dB(≥17.3 dB);當(dāng)y極化電磁波沿-z軸傳輸時(shí),其對(duì)應(yīng)的傳輸損耗均高于44.6 dB(≤-44.6 dB)。在上述兩個(gè)頻段中,當(dāng)x極化電磁波沿+z、-z軸傳輸時(shí),其對(duì)應(yīng)的傳輸損耗類似且均大于65.2 dB(≤-65.2 dB,≤-65.2 dB)。

特定頻率下,超構(gòu)單元B 和C 的電場(chǎng)分布展示在圖5。由圖5(a)可知,在fTZs頻率下,超構(gòu)單元B 中耦合結(jié)構(gòu)處的電場(chǎng)強(qiáng)度最高,即傳輸零點(diǎn)fTZs主要由耦合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生;由圖5(b)和(c)可知,在fTZ1和fTZ2的頻率下,超構(gòu)單元C 中短路枝節(jié)的電場(chǎng)強(qiáng)度最高,即傳輸零點(diǎn)fTZ1和fTZ2主要由短路枝節(jié)產(chǎn)生。由超構(gòu)單元B 和C 電場(chǎng)分布圖推導(dǎo)出的結(jié)論與圖4 具有良好的一致性,上述內(nèi)容詳細(xì)闡述了傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理。

3 應(yīng)用于雙極化通信場(chǎng)景的非互易超表面設(shè)計(jì)

在雙極化通信場(chǎng)景中,主極化電磁波和交叉極化電磁波均為信號(hào)載體。因此,需要針對(duì)特定方向的主極化電磁波和交叉極化電磁波進(jìn)行有效的傳輸及放大,并抑制相反方向的主極化電磁波和交叉極化電磁波?；凇百N片-功率放大器-貼片” 的三明治結(jié)構(gòu),本文提出一系列適用于雙極化通信場(chǎng)景的非互易超表面,其對(duì)應(yīng)的電磁波調(diào)控特性可以總結(jié)為: 當(dāng)x極化電磁波和y極化電磁波沿+z方向傳輸并通過(guò)超表面,將會(huì)產(chǎn)生一定的傳輸增益,且沒(méi)有偏振變化;當(dāng)x極化電磁波和y極化電磁波沿-z方向傳輸并通過(guò)超表面,將會(huì)產(chǎn)生一定的抑制,且沒(méi)有偏振變化。即并以dB 的形式表述超表面針對(duì)x極化電磁波和y極化電磁波的空間非互易系數(shù):。

為了針對(duì)雙極化電磁波進(jìn)行非互易式調(diào)控,本文基于功率放大器和貼片結(jié)構(gòu)提出三個(gè)不同類型的超構(gòu)單元,其對(duì)應(yīng)的側(cè)視圖及俯視圖如圖6 所示。超構(gòu)單元D、E、F 的電路結(jié)構(gòu)與超構(gòu)單元A、B、C 的電路結(jié)構(gòu)類似。值得注意的是: 超構(gòu)單元D、E、F 頂層金屬結(jié)構(gòu)和底層金屬結(jié)構(gòu)中分別嵌入兩個(gè)功率放大器芯片以及必要的外圍電路,且頂層的金屬結(jié)構(gòu)與底層的金屬結(jié)構(gòu)均關(guān)于BB’ 軸對(duì)稱。觀察圖6 可以發(fā)現(xiàn): 超構(gòu)單元D 由貼片結(jié)構(gòu)和功率放大器組成;超構(gòu)單元E由貼片結(jié)構(gòu)、功率放大器和耦合結(jié)構(gòu)組成;超構(gòu)單元F 由貼片結(jié)構(gòu)、功率放大器、耦合結(jié)構(gòu)和短路枝節(jié)組成。上述功率放大器中的晶體管采用Mini 公司的GV84+,其外圍電路如圖3 所示,其對(duì)應(yīng)的具體參數(shù)值展示在第2 節(jié)中。

圖6 (a) 超構(gòu)單元D 的側(cè)視圖;(b) 超構(gòu)單元D 的俯視圖;(c) 超構(gòu)單元E 的側(cè)視圖;(d) 超構(gòu)單元E 的俯視圖;(e)超構(gòu)單元F 的側(cè)視圖;(f) 超構(gòu)單元F 的俯視圖Fig.6 (a) The side view of metasurface unit D;(b) The top view of metasurface unit D;(c) The side view of metasurface unit E;(d) The top view of metasurface unit E;(e) The side view of metasurface unit F;(f) The top view of metasurface unit F

基于HFSS 專業(yè)電磁軟件仿真優(yōu)化超構(gòu)單元D、E和F,優(yōu)化后的電路參數(shù)展示在表4,5 和6 中,優(yōu)化后的S參數(shù)如圖7 所示。由圖7(a)可知: 在以x極化電磁波和y極化電磁波為主的雙極化通信場(chǎng)景中,在0.97～4.05 GHz 頻段內(nèi),當(dāng)x極化電磁波和y極化電磁波沿+z軸傳輸時(shí),其對(duì)應(yīng)的傳輸增益均大于17.6 dB(≥17.6 dB,≥17.6 dB);當(dāng)x極化電磁波和y極化電磁波沿-z軸傳輸時(shí),其對(duì)應(yīng)的傳輸損耗均高于44.6 dB(≤-44.6 dB,≤-44.6 dB)。綜上,在雙極化通信場(chǎng)景中,該超表面同時(shí)針對(duì)相反方向入射的x極化電磁波和y極化電磁波進(jìn)行非互易式調(diào)控,其空間非互易系數(shù)為62.2 dB(即17.6-(-44.6)=62.2 dB)。

表4 超構(gòu)單元D 的具體參數(shù)值Tab.4 The detailed parameter values of the meta-unit D mm

表5 超構(gòu)單元E 的具體參數(shù)值Tab.5 The detailed parameter values of the meta-unit E mm

表6 超構(gòu)單元F 的具體參數(shù)值Tab.6 The detailed parameter values of the meta-unit F mm

圖7 (a) 超構(gòu)單元D 和E 的仿真S 參數(shù);(b) 超構(gòu)單元E 和F 的仿真S 參數(shù)Fig.7 (a) The simulated S parameters of metasurface units D and E;(b) The simulated S parameters of metasurface units E and F

通過(guò)對(duì)比超構(gòu)單元D 和E 的電路結(jié)構(gòu)(圖6)及S參數(shù)的仿真結(jié)果(圖7(a))可知: 以超構(gòu)單元D 為基礎(chǔ),加載對(duì)稱式耦合結(jié)構(gòu)可以得到超構(gòu)單元E,并引入傳輸零點(diǎn)fTZs。通過(guò)對(duì)比超構(gòu)單元E 和F 的電路結(jié)構(gòu)及S參數(shù)的仿真結(jié)果可知: 在超構(gòu)單元E 的基礎(chǔ)上加載對(duì)稱式短路枝節(jié)得到超構(gòu)單元F,并引入傳輸零點(diǎn)fTZ1,fTZ2。通過(guò)引入上述傳輸零點(diǎn)可以在超構(gòu)單元F中集成阻帶特性,從而在1.00～2.11 GHz 和2.75～3.95 GHz 兩個(gè)頻段內(nèi)針對(duì)x極化電磁波和y極化電磁波進(jìn)行非互易式調(diào)控。由圖7(b)可知: 由超構(gòu)單元F 組成的超表面在1.00～2.11 GHz 和2.75～3.95 GHz 兩個(gè)頻段內(nèi)非互易式調(diào)控空間電磁波,當(dāng)x極化電磁波和y極化電磁波沿+z軸傳輸時(shí),其對(duì)應(yīng)的傳輸增益均大于17.3 dB(≥17.3 dB,≥17.3 dB);當(dāng)x極化電磁波和y極化電磁波沿-z軸傳輸時(shí),其對(duì)應(yīng)的傳輸損耗均高于44.6 dB(≤-44.6 dB,≤-44.6 dB)。

特定頻率下,超構(gòu)單元E 和F 的電場(chǎng)分布展示在圖8。由圖8(a)可知,在fTZs頻率下,超構(gòu)單元E 中耦合結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)強(qiáng)度最高,即傳輸零點(diǎn)fTZs主要由耦合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生;由圖8(b)和8(c)可知,在fTZ1和fTZ2頻率下,超構(gòu)單元F 中短路枝節(jié)的電場(chǎng)強(qiáng)度最高,即傳輸零點(diǎn)fTZ1和fTZ2主要由短路枝節(jié)產(chǎn)生?；诔瑯?gòu)單元E 和F電場(chǎng)分布圖推導(dǎo)出的結(jié)論與圖7 具有良好的一致性。上述內(nèi)容詳細(xì)闡述了傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理。

圖8 (a) 在fTZs頻率下,超構(gòu)單元E 的電場(chǎng)分布圖;(b) 在fTZ1頻率下,超構(gòu)單元F 的電場(chǎng)分布圖;(c) 在fTZ2頻率下,超構(gòu)單元F 的電場(chǎng)分布圖Fig.8 (a) The electric field distribution diagram of metasurface unit E operating at fTZs;(b) The electric field distribution diagram of metasurface unit F operating at fTZ1;(c) The electric field distribution diagram of metasurface unit F operating at fTZ2

本文提出的非互易超表面與已發(fā)表非互易超表面性能的對(duì)比如表7 所示。由表7 可知: 本文所設(shè)計(jì)的非互易超表面的工作帶寬為3.00 GHz,顯著高于目前已發(fā)表的非互易超表面的工作帶寬。此外,本文所提出的設(shè)計(jì)方法不僅適用于單極化通信場(chǎng)景,還適用于雙極化通信場(chǎng)景,其非互易系數(shù)均高于60.0 dB,其非互易性顯著高于已發(fā)表的其他非互易超表面。鑒于本文非互易超表面的性能優(yōu)勢(shì),其在超寬帶無(wú)線通信及電子對(duì)抗領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。

表7 本文非互易超表面與已發(fā)表非互易超表面的性能對(duì)比Tab.7 The performance comparisons of the proposed non-reciprocal metasurfaces and other published non-reciprocal metasurfaces

4 結(jié)論

本文基于“貼片-功率放大器-貼片”的三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一系列非互易超表面電路結(jié)構(gòu),并利用耦合結(jié)構(gòu)和短路枝節(jié)在寬帶非互易超表面中引入阻帶,從而有效避免上述寬帶超表面與現(xiàn)有ISM 窄帶通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。通過(guò)改變功率放大器的數(shù)目及位置依次提出適應(yīng)單極化通信場(chǎng)景和雙極化通信場(chǎng)景的非互易超表面。此外,利用散射參數(shù)、表面電場(chǎng)分布詳細(xì)分析了上述超表面的工作機(jī)理。本文提出的非互易超表面設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)潔,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,非互易系數(shù)高,工作頻帶為超寬帶/雙頻,針對(duì)單極化/雙極化電磁波進(jìn)行非互易式調(diào)控。綜上,本文設(shè)計(jì)的非互易超表面綜合工作性能優(yōu)異,在超寬帶無(wú)線通信及電子對(duì)抗領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。