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Terahertz (THz) wave has the advantages of low photon energy, high resolution, large communication bandwidth, etc. It has broad application prospects in security detection, high-resolution imaging, high-speed communication, and other fields. In recent years, as a new way to control THz wave, THz metasurface functional devices have attracted extensive attention of researchers. In this work, vanadium dioxide (VO2), a phase change material, is introduced into the coding metasurface. By regulating a circularly polarized wave and the orthogonal linearly polarized waves independently, a multi-function coding metasurface that can work at dual frequency points is obtained. It is composed of three layers. The top layer is a metal-VO2 composite structure. The middle is a polyimide dielectric layer. The bottom is a metal ground. Under certain conditions, the double split ring resonator (DSRR) and the cross structure in the top layer are relatively independent. Designing the coding sequences for them enable the coding metasurface to have multiple functions. The electromagnetic simulation software CST is used to establish model and conduct simulation, and the obtained results are as follows. When the VO2 is in an insulating state and a circularly polarized wave at 0.34 THz is incident vertically, the characteristics of coding metasurface elements are mainly affected by the DSRR. The DSRR is rotated to meet the requirements of 3-bit Pancharatnam-Berry phase coding. The coding sequence is designed to generate vortex beams with the topological charge l = ±1 at a specific angle. The VO2 state is changed into a metallic state, and the DSRR can be equivalent to a metal ring. When the orthogonal linearly polarized wave at 0.74 THz is incident vertically, the characteristics of coding metasurface elements are mainly affected by the cross structure. Because of its anisotropy, four different 2-bit coding metasurface elements can be obtained respectively by changing the length of the horizontal arm and the vertical arm. The design of appropriate coding sequences can reduce the radar cross section of the x-polarized wave and the beam splitting of the y-polarized wave, and the results have broadband characteristics. Multiple coding sequences can be designed by special characteristics of the coding metasurface, then various expected functions can be realized on the same metasurface. It solves the problem of single function of ordinary metasurface devices to a certain extent, and paves a novel way to the development of THz multi-function systems.
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Keywords:
- terahertz /
- coding metasurface /
- vanadium dioxide /
- multi-function
1. 引 言
随着太赫兹电磁超材料功能器件的发展, 已经在通信、成像、生物检测等诸多领域展现出广阔的应用前景[1-6]. 而随着多场景应用需求的增加, 迫切希望此类器件具有多种功能且能工作于多个频段 [7-10].
超表面作为二维形式的电磁超材料, 具有低剖面、低损耗、高效率等优点. 2014年, 在超表面的基础上, “编码超表面”的概念[11]提出, 通过数字化控制手段, 实现了对电磁波的高效调控, 大大降低了超表面功能器件的设计难度, 成为了研究的热点.
但是, 一般的编码超表面一旦设计完成, 其功能也随之固定, 无法满足多场景应用的需求. 为了解决上述问题, 主要采用3种方式设计多功能编码超表面: 1)使编码超表面可在多个工作频点, 进而设计不同功能[12-14]. 这类编码超表面一般需要设计多层结构或将不同结构合理地嵌套组合, 使其在不同工作频点分别产生谐振响应. 2)引入特定的结构(例如: 对正交线极化(linearly polarized, LP)波中的x和y极化波分别独立调控的各向异性十字结构[15]; 对左旋圆极化(left-circularly polarized, LCP)波和右旋圆极化 (right-circularly polarized, RCP) 波分别独立调控的自旋解耦结构[16]), 使编码超表面在不同极化态的波源入射时 [15-17], 表现出不同的功能. 3)将可调材料[18-21] (石墨烯、液晶、相变材料等)引入编码超表面的设计中, 实现不同功能的切换. 特别地, 二氧化钒(VO2)作为一种相变材料, 具有相变方式灵活, 加工制备简单等优势, 被广泛应用于太赫兹可调功能器件的设计中[22], 典型的结构如Li等[20]提出的将金属结构和VO2结合, 通过改变VO2的相变状态, 实现多功能.
目前, 研究者们一般仅采用上述提及的一种或两种方式实现对太赫兹波的调控, 设计的编码超表面功能相对单一. 基于此, 本文拟结合上文提及的多功能编码超表面设计方法, 通过巧妙引入相变材料VO2, 在不同极化态波源的入射下, 获得了一种可工作在双频点的多功能编码超表面. 编码超表面中的双裂环谐振器和十字结构相对独立, 通过控制VO2从绝缘态相变为金属态, 便可使其完成3-bit Pancharatnam-Berry (PB)相位编码到各向异性2-bit相位编码的转换. 通过设计合适的编码序列, 进而使编码超表面具备了可切换的3种功能, 包括涡旋波束生成、雷达散射截面 (radar cross section, RCS)缩减、波束分束. 所设计的多功能编码超表面结构简单且易于集成, 在太赫兹高速通信和电磁隐身等领域具有一定的应用前景.
2. 理论分析
编码超表面调控电磁波的机理类似相控阵天线理论[11]: 以N×N个相同尺寸为D的单元构成的编码超表面为例, 在平面波垂直入射下, 编码超表面的远场方向函数可用(1)式表示:
f(θ,φ)=fe(θ,φ)N∑m=1N∑n=1exp(−i{φ(m,n)+kDsinθ[(m−1/2)cosφ+(n−1/2)sinφ]}), (1) 其中fe(θ, φ)是单个单元的远场函数, θ和φ为任意方向的俯仰角和方向角, 自由空间波数k = 2π/λ, φ(m, n)表示位置在(m, n)处单元的相位.
编码超表面的方向性系数可表示为
Dir(θ,φ)=4π |f(θ,φ)|2∫2π 0∫π /20|f(θ,φ)|2sinθdθdφ. (2) 1-bit 编码超表面φ(m, n)只有0°/180°两 种相位, 对应二进制数0/1; 2-bit 编码超表面 φ(m, n)只有0°/90°/180°/270°四种相位, 对应二进制数00/01/10/11, 以此类推. 采用(2)式可计算出任意编码序列下超表面的散射方向图, 最终可通过设计不同的编码序列以实现预期的功能.
3. 编码超表面单元设计与分析
3.1 编码超表面单元结构设计
双裂环谐振器是PB相位超表面中的常见结构[23,24], 可实现对CP波的调控; 十字结构是各向异性超表面中的典型结构[15,25], 可实现对x极化波和y极化波的独立调控. 通过将这两种结构简单组合后, 即可实现双频点工作. 本文希望在此基础上, 结合引入可调材料和不同极化态的波源入射这两种方法, 从而获得具有更多功能的超表面. 而这3种方法的巧妙结合, 是通过引入相变材料VO2并将其嵌入双裂环谐振器的两个裂口处实现的. 即当VO2处于绝缘态, 某一频率入射的CP波受到双裂环谐振器的影响; 当VO2处于金属态, 嵌入的VO2将双裂环变成了金属圆环, 消除了组合结构中双裂环谐振器的影响, 另一频率入射的正交LP波仅受到十字结构的影响. 因此, 提出的基于VO2的太赫兹双频编码超表面具有3种功能, 且这3种功能可通过编码序列的设计而灵活更改, 对太赫兹波的调控更加自由.
所设计的编码超表面单元如图1所示. 单元由3层结构组成: 顶层由电导率为3.56×107 S/m的金属铝[23]双裂环谐振器和十字结构组合而成, 其中金属铝双裂环谐振器的内、外半径分别为r1 = 60 μm和r2 = 75 μm, 并且有两个β = 5°的开口, 其中填充VO2[20], 填充VO2的双裂环谐振器能以一定角度α进行旋转; 金属铝十字结构由两个矩形垂直交叉形成, 矩形宽度w = 15 μm, 水平臂长和垂直臂长分别为lx和ly; 金属铝和VO2厚度t = 200 nm. 中间介质层为厚度h = 70 μm 的聚酰亚胺(PI)[20], 其介电常数εr = 3.5, 损耗角正切tanδ = 0.0027. 底层为厚度t = 200 nm的正方形金属铝, 其边长d = 164 μm.
图 1 编码超表面单元示意图 (a) 单元结构; (b) 旋转结构Fig. 1. Schematic diagram of the coding metasurface unit cell: (a) Unit cell structure; (b) rotation structure.在编码超表面单元设计中加入了VO2材料, VO2作为一种过渡金属氧化物, 具有绝缘态-金属态相变的性质. 控制其相变的方式是灵活多变的, 包括温控、光控、电控等[26-28]. 当VO2处于绝缘态时, 其介电常数εi = 9, 电导率σ = 200 S/m; 当VO2处于金属态时, 其介电常数用Drude模型[29]来表征:
εm(ω)=ε∞−ω2p(σ)ω2 + iγω, (3) 其中高频极限介电常数
ε∞=12 , 碰撞频率γ = 5.75×1013 rad/s, ωp(σ)是与 VO2电导率相关的等离子体频率. 本文中金属态 VO2的电导率设置为2×105 S/m[20,30]. 此外, 在实际制备中, VO2较难实现完全的金属态, 其电导率也可能是104 S/m数量级, 会对编码超表面性能产生一定的影响. 仿真结果表明, 金属态 VO2取较低电导率时, 对本文所提出的编码超表面性能影响不大.3.2 编码超表面单元性能分析
3.2.1 VO2处于绝缘态, f1 = 0.34 THz的电磁波垂直入射
当VO2处于绝缘态时, 顶层即为双裂环谐振器和十字结构的组合. 如果顶层仅有双裂环谐振器结构, 那么基于PB相位理论, 对于反射型超表面[31]: 当入射波为CP波时, 反射波的极化方式与入射波的极化方式相同. 且超表面单元顶层双裂环谐振器旋转角度为α, 相应的相移为±2α , 其中+为LCP 波, –为RCP波. 以22.5°为步长, 旋转双裂环谐振器角度α = 0°, 22.5°, 45.0°, 67.5°, 90.0°, 112.5°, 135.0°, 157.5°便可获得8个满足3-bit PB相位编码要求的单元, 分别编码为000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. 但是, 本文所提出的单元结构中, 顶层除了双裂环谐振器结构外, 还存在十字结构. 经过建模仿真发现, 当CP波垂直入射时, 十字结构的尺寸变化对单元特性基本不起作用, 唯有双裂环谐振器结构会影响单元特性. 此处, 以任意4组十字结构参数(lx = ly = 56 μm, lx = ly = 81 μm, lx = ly = 89.5 μm, lx = ly = 110 μm)为例, 给出双裂环谐振器和十字结构的变化对单元特性的影响. 图2给出了f1 = 0.34 THz的CP波垂直入射时, 编码超表面单元在不同十字结构参数下的同极化反射幅度和反射相位. 从图2可以看出: 在十字结构取不同参数时, 不论是LCP波还是RCP波垂直入射时, 编码超表面单元的同极化反射幅度均超过0.95, 说明所设计的编码超表面单元具有较高的同极化反射效率; 当LCP波和RCP波分别垂直入射时, 编码超表面单元的同极化反射相位差依次分别约为+45°和–45°, 与理论分析相符. 并且在十字结构取不同参数的情况下, 编码超表面单元的反射相位基本重合, 说明该结构对单元的特性几乎不起作用. 换而言之, 当VO2处于绝缘态, 在f1 = 0.34 THz的CP波垂直入射的情况下, 顶层双裂环谐振器和十字结构的组合结构中, 仅前者对入射的太赫兹波起调控作用, 影响单元特性. 因此, 在该情况下如图3所示, 通过旋转双裂环谐振器角度α = 0°, 22.5°, 45.0°, 67.5°, 90.0°, 112.5°, 135.0°, 157.5°, 便获得了符合3-bit 编码超表面要求的8个编码超表面单元. 而中间用虚线标注的十字结构, 其水平臂长lx和垂直臂长ly的变化几乎不能影响单元特性(具体lx和ly的大小, 根据后续设计需要逐一确定). 为了便于区分每种单元, 将双裂环谐振器旋转得到的000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111单元分别记为0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7单元.
图 2 CP波垂直入射下, 编码超表面单元的同极化反射幅度和反射相位 (a) LCP波; (b) RCP波Fig. 2. Co-polarized reflection amplitude and reflection phase of eight unit cells under the vertical incidence of CP wave: (a) LCP wave; (b) RCP wave.3.2.2 VO2处于金属态, f2 = 0.74 THz的电磁波垂直入射
当VO2处于金属态时, 双裂环谐振器可等效为一个具有准各向同性的金属圆环[24], 此时顶层即为金属圆环和十字结构的组合. 经仿真发现, 在正交LP波垂直入射下, 对于本文中具有准各向同性的金属圆环, 其旋转角度α几乎不会影响单元特性, 所以在顶层双裂环谐振器和十字的组合结构中, 将由后者对入射的太赫兹波起调控作用.
根据文献[15, 25]报道, 通过分别调节十字结构的水平臂长和垂直臂长, 可以独立调控入射的x极化波和y极化波, 其具有各向异性特点. 对于2-bit编码超表面而言, 构成其的单元共有4个. 为了实现对入射的x极化波产生2-bit相位响应, 本文设计4种不同尺寸的lx, 即: lx = 56, 81, 89.5, 110 μm. 同样地, 为了实现对入射的y极化波产生2-bit相位响应, 也分别设计4种不同尺寸的ly, 即: ly = 56, 81, 89.5, 110 μm. 此时, 本文提出的十字结构存在16种不同的尺寸, 但是因为x极化波入射时, 其反射幅度与反射相位仅和十字结构中lx有关; y极化波入射时, 其反射幅度与反射相位仅和十字结构中ly有关. 因此, 对于前者, 可等效于只存在4种不同lx的单元, 如图4(a)所示, 将其命名为单元0(x), 1(x), 2(x), 3(x), 虚线标注的金属圆环和垂直臂长ly (ly为56, 81, 89.5, 110 μm中的某一个)几乎不影响单元特性; 对于后者, 等效于只存在4种不同ly的单元, 如图4(b)所示, 将其命名为0(y), 1(y), 2(y), 3(y), 虚线标注的金属圆环和水平臂长lx (lx为56, 81, 89.5, 110 μm中的某一个)几乎不影响单元特性.
图 4 2-bit编码超表面单元 (a) x极化波垂直入射, 4种不同lx的单元; (b) y极化波垂直入射, 4种不同ly的单元Fig. 4. 2-bit coding metasurface unit cells: (a) Four different lx unit cells under the vertical incidence of x-polarized wave; (b) four different ly unit cells under the vertical incidence of y-polarized wave.对不同参数的单元进行仿真分析, 图5展示了在x极化波和y极化波垂直入射下, 单元0(x), 1(x), 2(x), 3(x)和0(y), 1(y), 2(y), 3(y)在0.5—0.9 THz的反射幅度和反射相位. 可观察到在f2 = 0.74 THz的x极化波垂直入射下, 单元0(x), 1(x), 2(x), 3(x)的反射幅度均超过0.85, 相位差依次约为90°, 满足2-bit相位编码的要求; 同样地, 在f2 = 0.74 THz的y极化波垂直入射下, 单元0(y), 1(y), 2(y), 3(y)的反射幅度均超过0.85, 相位差依次约为90°, 满足2-bit相位编码的要求. 因此, 在f2 = 0.74 THz的x极化波和y极化波垂直入射的情况, 可以针对单元0(x), 1(x), 2(x), 3(x)和0(y), 1(y), 2(y), 3(y)分别设计编码序列, 从而构成具有不同功能的编码超表面.
图 5 LP波垂直入射下, 单元的反射幅度和反射相位 (a) x极化波; (b) y极化波Fig. 5. Reflection amplitude and reflection phase of unit cells under the vertical incidence of LP wave: (a) x-polarized wave; (b) y-polarized wave.综上分析可知, 所设计的编码超表面单元顶层结构由两部分(双裂环谐振器和十字结构)构成, 由于相变材料VO2的引入使得两部分结构在不同频点的太赫兹波入射时, 相对独立. 即: 当VO2处于绝缘态, f1 = 0.34 THz的CP波垂直入射时, 十字结构基本不起作用, 因此通过旋转双裂环谐振器, 获得了8个对CP波响应的3-bit编码超表面单元结构. 而当VO2处于金属态, f2 = 0.74 THz的正交LP波垂直入射时, 金属圆环基本不起作用. 由于十字结构具有各向异性, 通过改变十字结构中水平臂长lx, 获得了4个对x极化波响应的2-bit编码超表面单元结构. 同样通过改变十字结构中垂直臂长ly, 获得了4个对y极化波响应的2-bit编码超表面单元结构.
4. 编码超表面设计及仿真结果分析
将编码超表面单元按照一定的编码序列排列, 即可构成编码超表面. 编码序列不同, 所形成的编码超表面就不同, 其对太赫兹波的调控不同, 形成的波束也不同. 由上文可知, 当VO2处于绝缘态时, 在f1 = 0.34 THz的CP波垂直入射下, 存在8个对CP波响应的3-bit编码超表面单元; 当VO2处于金属态时, 在f2 = 0.74 THz的正交LP波垂直入射下, 分别存在4个对x和y极化波响应的2-bit编码超表面单元. 因此, 通过对其分别设计合适的编码序列, 在特定波源入射和特定VO2状态下, 即可在同一编码超表面上可以获得3种波束, 实现3种功能.
本文所设计的由32×32单元组成的编码超表面如图6所示, 该编码超表面上集成了3种编码序列: 针对CP波垂直入射设计的3-bit编码序列A、针对x极化波垂直入射设计的2-bit编码序列B、针对y极化波垂直入射设计的2-bit编码序列C. 从放大图可见: 在编码超表面中, 每个单元都有一个具有一定旋转角度α的双裂环谐振器结构和不同尺寸水平臂和垂直臂构成的十字结构. 在VO2处于绝缘态时, 按照上文分析, 仅需要关注组合结构中的双裂环谐振器, 如图6(a)所示, 将具有不同旋转角度α的8个单元(如图3所示)按照编码序列A排列, 就构成了3-bit编码超表面; 同样地, 当VO2处于金属态时, 仅需要关注组合结构中的十字结构, 如图6(b)所示: 在x极化波垂直入射时, 将具有不同lx的4个单元(如图4(a)所示)按照编码序列B排列, 就构成了2-bit编码超表面; 如图6(c)所示, 在y极化波垂直入射时, 对将具有不同ly的4个单元(如图4(b)所示)按照编码序列C排列, 就构成了另一种2-bit编码超表面. 接下来对该编码超表面的三种功能进行说明与分析.
图 6 编码超表面及部分示意图 (a) 编码序列A示意图; (b) 编码序列B示意图; (c) 编码序列C示意图Fig. 6. Schematic of the coding metasurface and section: (a) Coding sequence A diagram; (b) coding sequence B diagram; (c) coding sequence C diagram.4.1 涡旋波束
涡旋波束是一种中心场强为零, 相位波前呈螺旋分布的波束, 可用于高速通信及高分辨率成像等领域. 基于涡旋波束应用广泛, 本节拟在VO2处于绝缘态、f1 = 0.34 THz的CP波垂直入射的情况下, 通过对图3所示的8个单元合理排列, 令所形成的编码超表面产生以特定角度出射的涡旋波束. 具体设计过程如下.
涡旋波束中, 拓扑荷数是一个重要的参数. 拓扑荷数l = 1, 表示在一个波长传播距离上波前绕着中心旋转一周相位改变360°. 为了构建拓扑荷数l = 1的涡旋波束, 将图3所示的8个3-bit编码超表面单元按照图7(a)所示的编码序列排列, 相邻单元的相位差45°, 空间平面旋转一周对应360°. 该编码序列在f1 = 0.34 THz的CP波(以LCP波为例)垂直入射下的散射远场如图7(b)所示. 但是, 此方法只能产生垂直出射的涡旋波束, 不能满足按照预设角度出射的需求.
图 7 产生垂直涡旋波束的编码序列及3D远场方向图 (a) 编码序列; (b) 3D远场方向图Fig. 7. Coding sequence of vortex beam generation and 3D far-field pattern: (a) Coding sequence; (b) 3D far-field pattern.为了灵活调控出射涡旋波束的角度, 引入编码超表面的卷积理论[32], 可以将散射波束转向一个预先设计的方向, 实现散射波束方向的灵活调控. 以在xoz面出射角度42°的涡旋波束为例, 如果要使垂直的涡旋波束在xoz面实现一个42°的偏转, 需要一个产生涡旋波束的编码序列和一个能够在xoz面产生42°异常反射角的编码序列, 将两者进行加法卷积运算即可得到满足要求的编码序列. 首先, 设计产生垂直涡旋波束的编码序列, 如图7(a)所示, 并且仿真模拟了其散射远场, 如图7(b)所示. 其次, 设计能够在xoz面产生42°异常反射角的编码序列, 如图8所示, 该编码序列沿X方向按照0123456701234567··· (沿Y方向是相同的单元)排列. 按照广义斯涅尔定理[33]计算可得, 图8所示编码序列的理论出射角度为42.26°, 满足设计要求. 最后, 基于编码超表面的卷积原理, 将图7(a)所示编码序列与图8所示编码序列进行加法卷积运算, 得到能够产生异常反射角度约为42°的涡旋波束编码序列(即编码序列A), 如图9所示.
图 8 沿X方向012346701234567···排列的编码序列Fig. 8. Coding sequence arranged in X direction according to 012346701234567···
图 9 产生异常反射角度为42.26°的涡旋波束编码序列AFig. 9. Coding sequence A for generating vortex beam with abnormal reflection angle of 42.26°.当VO2处于绝缘态时, f1 = 0.34 THz的LCP波垂直入射至按图9所示编码序列排布的编码超表面上, 仿真模拟结果如图10(a)和图10(c)所示. 其展示了以异常反射角42.2°出射拓扑荷数l = –1的涡旋波束, 与上文理论分析的出射角度42°相符. 当VO2处于绝缘态时, 在f1 = 0.34 THz的RCP波垂直入射下, 仿真模拟结果如图10(b)和图10(d)所示, 其展示了以异常反射角42.9°出射拓扑荷数l = +1的涡旋波束. 它与LCP波垂直入射时产生的涡旋波束关于yoz面呈现出高度的对称性, 这是因为编码超表面单元对LCP和RCP波垂直入射的情况, 会产生相反的相位梯度造成的. 而且由于RCP波与LCP波的自旋方向相反, 出射涡旋波束的拓扑荷数也相反. 通过傅里叶卷积运算和入射波源的极化状态的改变, 进一步提高了对涡旋波束操纵的灵活性.
图 10 CP波垂直入射下编码超表面的3D远场方向图和2D远场方向图 (a) LCP波垂直入射下的3D远场方向图; (b) RCP波垂直入射下的3D远场方向图; (c) LCP波垂直入射下的2D远场方向图; (d) RCP波垂直入射下的2D远场方向图Fig. 10. 3D far-field pattern and 2D far-field pattern of coding metasurface under the vertical incidence of CP wave: (a) 3D far-field pattern under the vertical incidence of LCP wave; (b) 3D far-field pattern under the vertical incidence of RCP wave; (c) 2D far-field pattern under the vertical incidence of LCP wave; (d) 2D far-field pattern under the vertical incidence of RCP wave.4.2 RCS缩减
RCS是衡量目标雷达回波能力强弱的一个重要物理量, RCS 缩减的目的是通过各种有效的技术措施降低目标的雷达散射截面积, 因此其在电磁隐身方面发挥着巨大作用. 实现RCS缩减的主要方法: 一是将电磁波吸收[34,35]; 二是将反射的电磁波打散到各个方向, 形成漫反射[36]. 基于RCS缩减的应用前景, 当VO2处于金属态、f2 = 0.74 THz的x极化波垂直入射, 拟将图4(a)所示的4个2-bit编码超表面单元按照特定的编码序列排列, 希望所形成的编码超表面能够产生漫反射的效果, 进而实现RCS缩减的功能.
考虑到随机编码序列可有效地将入射的电磁波打散到各个方向, 形成漫反射, 达到RCS缩减的目的. 因此, 设计出2-bit随机编码序列B, 如图11所示. 将图4(a)所示的单元0(x), 1(x), 2(x), 3(x)按照其排列, 就构成了2-bit编码超表面. 当f2 = 0.74 THz的x极化波垂直入射至其上时, 仿真结果如图12所示. 可以观察到许多散乱无序的波束, 呈现出漫反射的特征, 产生了所预期的RCS缩减效果, RCS值为–28.2 dB. 将该编码超表面与同等尺寸的金属板对照, 仿真模拟了其在0.5—1 THz频段内的RCS缩减效果, 如图13所示, 在0.7—0.76 THz的频段内, RCS缩减量均达到10 dB以上, 均可以达到预期的RCS缩减效果.
图 12 0.74 THz处编码超表面的3D远场方向图Fig. 12. 3D far-field pattern of coding metasurface at 0.74 THz.4.3 波束分束
将单元按照某些编码序列排列, 所构成的编码超表面可有效将垂直入射的电磁波分成若干束均匀的波束, 可应用在多信道通信等领域. 基于太赫兹波束分束的潜在应用价值, 当VO2处于金属态、f2 = 0.74 THz的y极化波垂直入射时, 拟将图4(b)所示的4个2-bit编码超表面单元按照特定的编码序列排列, 希望所形成的编码超表面具有波束分束的功能.
考虑到棋盘格编码序列可有效地将垂直入射的电磁波分成四束均匀的波束, 设计如图14所示的2-bit棋盘格编码序列C, 将单元0(y), 1(y), 2(y), 3(y)按照其排列, 就构成了2-bit编码超表面. 对于该2-bit编码超表面, 理论计算得到的4束波束的方位角φ分别为0°, 90°, 180°, 270°. 仿真模拟其在f2 = 0.74 THz的y极化波垂直入射下的散射远场, 如图15所示, 展现出以四主波束均匀出射的效果. 另外, 仿真模拟了其在0.7—0.78 THz频段内的2D散射远场, 如图16所示, 各频点下2D散射远场的方位角φ均匀分布在0°, 90°, 180°, 270°, 与理论计算值一致, 均可以达到预期的四波束均匀分束的效果.
图 15 在f2 = 0.74 THz 的y极化波垂直入射下编码超表面的3D远场方向图Fig. 15. 3D far-field pattern of coding metasurface under the vertical incidence of y-polarized wave at 0.74 THz.
图 16 y极化波垂直入射下编码超表面在极坐标中的2D远场方向图Fig. 16. 2D far-field patterns of coding metasurface in polar coordinates under the vertical incidence of y-polarized wave.5. 结 论
一般的太赫兹电磁超材料功能器件, 其功能单一, 大大限制了应用场景. 本文通过控制可绝缘态-金属态相变的VO2, 对编码超表面中双裂环谐振器、十字结构中水平臂和垂直臂部分进行独立的编码序列设计, 使得该编码超表面在双频点、CP波和正交LP波分别入射时, 实现涡旋波束发生器、RCS缩减和波束分束3种功能之间的切换. 将本文与其他多功能编码超表面进行比较: 文献[15, 24]分别采用各向异性的十字结构和相变材料VO2, 均实现了两种功能, 可见单独采用某一种方法所能实现的功能数有限. 而文献[37]中编码超表面的设计采用八层结构, 可工作于6个频点, 实现了6种功能. 由于其设计思路主要借助结构层数的增多获得多的功能, 结构复杂, 制作难度大. 综上, 本文所提编码超表面不仅结构相对简单, 可实现3种功能, 且通过灵活设计编码序列, 可自由选择所需功能. 此外, 调研表明, 本文所提出的编码超表面结构具有加工可行性, 采用分子束外延法结合金属化工艺等就能实现[26,38]. 另外, 考虑到器件在实际加工中会存在一定的误差, 依次对编码超表面组合结构中的β、环宽a, w, lx和ly进行误差分析. 结果表明: 当β具有±1°的误差, a, w, lx和ly分别具有±1 μm的误差时, 编码超表面单元在VO2相变前后以及CP波和正交LP波分别入射时, 其反射幅度以及反射相位均处于误差允许的范围内, 对编码超表面性能影响不大, 器件具有一定容差性.
[1] Zi J C, Xu Q, Wang Q, Tian C X, Li Y F, Zhang X X, Han J G, Zhang W L 2018 Appl. Phys. Lett. 113 101104
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图 1 编码超表面单元示意图 (a) 单元结构; (b) 旋转结构
Figure 1. Schematic diagram of the coding metasurface unit cell: (a) Unit cell structure; (b) rotation structure.
图 2 CP波垂直入射下, 编码超表面单元的同极化反射幅度和反射相位 (a) LCP波; (b) RCP波
Figure 2. Co-polarized reflection amplitude and reflection phase of eight unit cells under the vertical incidence of CP wave: (a) LCP wave; (b) RCP wave.
图 3 8个3-bit编码超表面单元
Figure 3. Eight 3-bit coding metasurface unit cells.
图 4 2-bit编码超表面单元 (a) x极化波垂直入射, 4种不同lx的单元; (b) y极化波垂直入射, 4种不同ly的单元
Figure 4. 2-bit coding metasurface unit cells: (a) Four different lx unit cells under the vertical incidence of x-polarized wave; (b) four different ly unit cells under the vertical incidence of y-polarized wave.
图 5 LP波垂直入射下, 单元的反射幅度和反射相位 (a) x极化波; (b) y极化波
Figure 5. Reflection amplitude and reflection phase of unit cells under the vertical incidence of LP wave: (a) x-polarized wave; (b) y-polarized wave.
图 6 编码超表面及部分示意图 (a) 编码序列A示意图; (b) 编码序列B示意图; (c) 编码序列C示意图
Figure 6. Schematic of the coding metasurface and section: (a) Coding sequence A diagram; (b) coding sequence B diagram; (c) coding sequence C diagram.
图 7 产生垂直涡旋波束的编码序列及3D远场方向图 (a) 编码序列; (b) 3D远场方向图
Figure 7. Coding sequence of vortex beam generation and 3D far-field pattern: (a) Coding sequence; (b) 3D far-field pattern.
图 8 沿X方向012346701234567···排列的编码序列
Figure 8. Coding sequence arranged in X direction according to 012346701234567···
图 9 产生异常反射角度为42.26°的涡旋波束编码序列A
Figure 9. Coding sequence A for generating vortex beam with abnormal reflection angle of 42.26°.
图 10 CP波垂直入射下编码超表面的3D远场方向图和2D远场方向图 (a) LCP波垂直入射下的3D远场方向图; (b) RCP波垂直入射下的3D远场方向图; (c) LCP波垂直入射下的2D远场方向图; (d) RCP波垂直入射下的2D远场方向图
Figure 10. 3D far-field pattern and 2D far-field pattern of coding metasurface under the vertical incidence of CP wave: (a) 3D far-field pattern under the vertical incidence of LCP wave; (b) 3D far-field pattern under the vertical incidence of RCP wave; (c) 2D far-field pattern under the vertical incidence of LCP wave; (d) 2D far-field pattern under the vertical incidence of RCP wave.
图 11 2-bit随机编码序列B
Figure 11. 2-bit random coding sequence.
图 12 0.74 THz处编码超表面的3D远场方向图
Figure 12. 3D far-field pattern of coding metasurface at 0.74 THz.
图 13 编码超表面的RCS缩减量
Figure 13. RCS reduction of coding metasurface.
图 14 2-bit棋盘格编码序列C
Figure 14. Coding metasurface C of 2-bit chessboard.
图 15 在f2 = 0.74 THz 的y极化波垂直入射下编码超表面的3D远场方向图
Figure 15. 3D far-field pattern of coding metasurface under the vertical incidence of y-polarized wave at 0.74 THz.
图 16 y极化波垂直入射下编码超表面在极坐标中的2D远场方向图
Figure 16. 2D far-field patterns of coding metasurface in polar coordinates under the vertical incidence of y-polarized wave.
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