超構(gòu)天線：原理、器件與應(yīng)用?

馬曉亮 李雄 郭迎輝 趙澤宇 羅先剛

(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所,微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610209)

超構(gòu)天線：原理、器件與應(yīng)用?

馬曉亮 李雄 郭迎輝 趙澤宇 羅先剛?

(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所,微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610209)

(2017年4月17日收到;2017年5月14日收到修改稿)

自從電磁波被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用以來,利用各種材料或者結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)電磁波的輻射行為、構(gòu)造高性能的電磁輻射器件一直是研究人員的追求目標(biāo).經(jīng)過百余年的發(fā)展,電磁輻射器件的方向性提高、帶寬拓展等技術(shù)逐漸達(dá)到瓶頸.受自然材料電磁特性的限制,微帶天線、喇叭天線等傳統(tǒng)電磁輻射器件存在體積重量大、工作帶寬窄、無法快速動(dòng)態(tài)調(diào)控等缺陷,難以滿足日益發(fā)展的通信技術(shù)的需求.近年來出現(xiàn)的亞波長結(jié)構(gòu)可在深度亞波長尺度下調(diào)控電磁波的傳輸行為,出現(xiàn)了多種奇異的電磁現(xiàn)象,完善了傳統(tǒng)的電磁學(xué)理論,在一定程度上突破了傳統(tǒng)材料電磁特性的限制,形成全新的電磁輻射技術(shù),有效解決了傳統(tǒng)天線存在的口徑大、厚度高、帶寬窄等難題,促進(jìn)了電磁學(xué)、光子學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展.這種基于超構(gòu)材料的新型天線可以被稱為超構(gòu)天線,具有高方向性、低副瓣、超寬帶、可重構(gòu)等傳統(tǒng)天線難以實(shí)現(xiàn)的功能.本文主要回顧了近年來基于亞波長超構(gòu)材料的超構(gòu)天線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和取得的成果,介紹了超構(gòu)材料在亞波長尺度下對電磁波振幅、相位、偏振態(tài)等的衍射調(diào)控機(jī)理,以及在此基礎(chǔ)上形成的新型輻射器件,例如相控陣天線、高方向性天線、低雷達(dá)散射截面天線,基于亞波長結(jié)構(gòu)的多種偏振調(diào)控器件及其在天線中的應(yīng)用等.在衍射極限尺度下,這種亞波長結(jié)構(gòu)的調(diào)控行為可有效提升電磁輻射器件的方向性、帶寬,并可重構(gòu)天線的工作頻率、偏振態(tài)等性能.

亞波長結(jié)構(gòu),超構(gòu)材料,超構(gòu)天線,衍射調(diào)控

1 引 言

1886年,赫茲在德國卡爾斯魯厄工學(xué)院建立了世界上第一套實(shí)驗(yàn)室中的天線系統(tǒng),驗(yàn)證了電磁波用于無線傳輸?shù)目赡?為信息傳遞方式的改變提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ).20世紀(jì)初,古利莫·馬可尼成功地將天線從實(shí)驗(yàn)原型樣機(jī)應(yīng)用于商業(yè)通信,使人類社會(huì)正式進(jìn)入無線通信時(shí)代.經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,無線通信技術(shù)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚慕M成部分,使人們探索世界的腳步越走越遠(yuǎn),也為人類探索宇宙深處提供了基本保證.作為無線通信技術(shù)的核心,天線等輻射器件的性能成為決定無線通信能力的關(guān)鍵因素之一.經(jīng)過百余年的發(fā)展,人們設(shè)計(jì)和制造了多種不同結(jié)構(gòu)和功能的天線,包括偶極子天線、微帶天線、喇叭天線、螺旋線天線等;天線的功能和工作頻段也在不斷拓展,微波天線、太赫茲天線甚至光學(xué)天線都已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用.

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、雷達(dá)探測技術(shù)等對定向通信、保密通信等的需求不斷增加,高方向性天線、波束掃描天線以及多頻段、多偏振態(tài)天線等具有特殊功能的天線正在成為基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用的熱點(diǎn).傳統(tǒng)技術(shù)手段中,天線方向性的提高依賴于天線口徑的增大,因此應(yīng)用于雷達(dá)探測、遠(yuǎn)距離通信的天線體積和重量龐大,不利于在空基、天基等系統(tǒng)中的應(yīng)用.近些年發(fā)展起來的相控陣天線技術(shù),通過在天線陣列單元中加載傳輸/接收（T/R）組件,實(shí)現(xiàn)對天線輻射波束掃描和波束賦形.然而T/R組件的體積和重量也較大,成本較高.受制于傳統(tǒng)電磁學(xué)理論和自然界材料電磁特性的限制,往往不得不接受這種以犧牲體積和重量的方式獲得天線方向性的提升以及波束掃描等能力;而從硬件上來說,傳統(tǒng)技術(shù)手段難以實(shí)現(xiàn)工作頻率、輻射偏振態(tài)等可動(dòng)態(tài)調(diào)控的天線.另外,傳統(tǒng)技術(shù)手段中,對天線等輻射器件的隱身大多通過頻率選擇表面天線罩以及機(jī)械控制天線非工作狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)向等方式,以降低輻射器件被雷達(dá)探測的概率,但是這種方法難以兼顧天線正常工作狀態(tài)下的隱身.這也是輻射技術(shù)和隱身技術(shù)存在的難以解決的矛盾.

隨著對電磁波衍射行為的深入研究,人們發(fā)現(xiàn)在衍射極限尺寸下的深度亞波長結(jié)構(gòu)中存在一些異常的衍射現(xiàn)象.1998年,法國Louis Pasteur大學(xué)的Ebbesen等[1]發(fā)現(xiàn),電磁波通過由直徑小于波長的小孔組成的陣列結(jié)構(gòu)時(shí),其透射率明顯高于傳統(tǒng)基爾霍夫衍射理論得到的衍射場強(qiáng)度,并將該現(xiàn)象稱為異常透射現(xiàn)象(extraordinary optical transmission,EOT).通過對其物理本源的分析,發(fā)現(xiàn)在光波照射下,金屬和介質(zhì)的交界面處產(chǎn)生表面等離子體,且表面等離子體在沿金屬-介質(zhì)界面?zhèn)鞑ヒ约岸屋椛涞倪^程中發(fā)生衍射,衍射波在遠(yuǎn)場發(fā)生干涉,形成了異常電磁透射現(xiàn)象.在傳統(tǒng)理論中,電磁波在通過亞波長小孔后,將發(fā)生全方向的衍射.而通過在亞波長小孔周圍設(shè)計(jì)一系列周期性的溝槽結(jié)構(gòu),可大大壓縮透射波的波束角度,實(shí)現(xiàn)異常的定向輻射[2].研究結(jié)果表明,溝槽結(jié)構(gòu)對表面波的衍射調(diào)控在這種異常定向輻射現(xiàn)象中起到了決定性的作用.基于亞波長結(jié)構(gòu)衍射調(diào)控性能的電磁輻射技術(shù),為逼近甚至突破傳統(tǒng)電磁輻射器件的方向性與口徑之間的依賴關(guān)系提供了新的技術(shù)途徑.

上述具有代表性的異常衍射現(xiàn)象,證明了亞波長結(jié)構(gòu)中存在某些特定的物理機(jī)理,可以使電磁波在通過亞波長金屬結(jié)構(gòu)后,表現(xiàn)出自然界的材料或者結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)的調(diào)控作用,為利用亞波長結(jié)構(gòu)構(gòu)造高效電磁輻射器件創(chuàng)造了可能性.在上述亞波長結(jié)構(gòu)現(xiàn)象和理論指導(dǎo)下,研究人員提出了多種基于亞波長結(jié)構(gòu)的新型電磁輻射理論,并構(gòu)造出一系列高性能電磁輻射器件,包括寬帶天線、小型化天線、超寬帶偏振調(diào)控天線、可重構(gòu)電磁輻射器件,以及納米尺寸的激光器等,促進(jìn)了電磁輻射技術(shù)的快速發(fā)展.基于亞波長超構(gòu)材料的新型天線具有傳統(tǒng)天線器件難以實(shí)現(xiàn)的電磁功能,因此也被稱為超構(gòu)天線(meta-antenna)[3,4].

本文對近年來發(fā)展迅速的亞波長結(jié)構(gòu)輻射技術(shù)進(jìn)行綜述,主要從以下幾方面介紹了亞波長結(jié)構(gòu)對電磁輻射性能的調(diào)控：1)亞波長超構(gòu)材料及其在高方向性和低雷達(dá)散射截面(radar scatting sections,RCS)天線中的應(yīng)用;2)相位調(diào)制型亞波長超構(gòu)材料及相控陣天線技術(shù);3)亞波長結(jié)構(gòu)偏振調(diào)控技術(shù)及其在天線中的應(yīng)用.綜述內(nèi)容包括亞波長結(jié)構(gòu)對電磁波的調(diào)控機(jī)理、調(diào)控方法和應(yīng)用等方面,并對亞波長結(jié)構(gòu)的電磁輻射技術(shù)的發(fā)展趨勢做了分析和展望.

2 基于超構(gòu)材料的高性能天線輻射調(diào)控技術(shù)

相比于自然界存在的材料,超構(gòu)材料具有更加優(yōu)異的電磁調(diào)控能力,在電磁波的振幅、相位調(diào)控方面具有前所未有的靈活性,并且其色散特性可人為設(shè)計(jì),為構(gòu)造具有高方向性、低副瓣、寬頻帶等特性的高性能天線提供了技術(shù)基礎(chǔ).本節(jié)主要介紹亞波長結(jié)構(gòu)在提高天線的方向性、降低天線的RCS水平等方面的應(yīng)用.

2.1 基于亞波長結(jié)構(gòu)的高方向性天線

天線的方向性系數(shù)是表征天線定向輻射能力的一個(gè)重要指標(biāo),是指天線在某一方向上輻射的能量與全向天線在該方向上的輻射能量的比值.方向性越高,說明在相同的輻射功率條件下,天線信號的傳輸距離越遠(yuǎn),因此提高天線的方向性是天線領(lǐng)域研究人員的一個(gè)重要目標(biāo).傳統(tǒng)技術(shù)中,天線方向性的提升主要通過增加天線的口徑來實(shí)現(xiàn),進(jìn)而導(dǎo)致天線的體積和重量相應(yīng)增加,不利于天線系統(tǒng)的集成化.

亞波長超構(gòu)材料的出現(xiàn)為提高天線的方向性提供了全新的技術(shù)途徑.主要的技術(shù)方案包括在天線上加載光子晶體(photonic crystal)[5-9]、零折射率材料[10-13],以及構(gòu)造法布里-珀羅共振腔等方式.光子晶體是指由介電常數(shù)呈周期性分布的電介質(zhì)組成的人工結(jié)構(gòu)材料,根據(jù)組成光子晶體的介質(zhì)材料的排布方式,可分為一維、二維和三維光子晶體.圖1(a)為二維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖,其由周期性排布的介質(zhì)棒組成,在該結(jié)構(gòu)中引入缺陷態(tài),可產(chǎn)生與自然界晶體的電子能帶類似的光學(xué)帶隙(photonic band-gap)(圖1(b)).入射的電磁波將被局域在該缺陷態(tài)中傳播,從而實(shí)現(xiàn)對電磁波傳播方向的定向調(diào)控.通過人為設(shè)計(jì)光子晶體的介電常數(shù)分布,構(gòu)造所需頻段的光子帶隙,可使處于帶隙中的電磁波沿著人為設(shè)定的方向傳播.將這種光子晶體引入到傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)中,可以有效壓縮天線的輻射方向角,達(dá)到控制電磁輻射、構(gòu)造高方向性天線的目的.在圖1(a)所示的光子晶體中嵌入單極子天線,光子晶體可將傳統(tǒng)天線輻射的全向電磁波轉(zhuǎn)換為沿單一方向輻射的定向電磁波,天線的輻射方向圖見圖1(c)[6].天線的E面和H面的半功率波束寬度都為13°,計(jì)算得到天線的方向性系數(shù)由1.6 dB增加到23.9 dB.

加載一維光子晶體作為覆層的新型貼片天線結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示[7].圖1(e)和圖1(f)分別為加載光子晶體覆層之前和之后的天線輻射方向圖.從圖中可以看出,加載光子晶體覆層結(jié)構(gòu)后,貼片天線的E面和H面的輻射波束與未加光子晶體覆層時(shí)相比得到了明顯的壓縮；天線的方向性系數(shù)由8 dB提高到20 dB.

圖1 基于光子晶體的高方向性天線 (a)典型的二維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖;(b)光子晶體能帶結(jié)構(gòu)示意圖;(c)嵌入三維光子晶體的單極子天線輻射方向圖[6];(d)加載光子晶體覆層的貼片天線;(e),(f)分別為未加載和加載光子晶體覆層時(shí)天線E面和H面的方向圖[7].Fig.1.High directivity antennas based on photonic crystals：(a)Scheme of the two-dimensional photonic crystal; (b)photonic band-gap of 2-D photonic crystal;(c)radiation pattern of monopole antenna inserted in 3-D photonic crystal[6];(d)patch antenna with photonic crystal clad;(e),(f)are the radiation patterns of the patch without and with photonic crystal clad[7].

除了光子晶體之外,具有近零折射率的亞波長超構(gòu)材料也可用于構(gòu)造高方向性天線.根據(jù)斯涅耳定律可知,當(dāng)材料的折射率為零時(shí),對于任意的入射角,折射角都等于零,如圖2(a)所示.然而自然界中折射率為零的材料是不存在的,利用超構(gòu)材料對電磁波的調(diào)控特性,可以構(gòu)造具有任意等效折射率的人工電磁媒質(zhì).Pendry等提出合理利用電諧振結(jié)構(gòu)[14]和磁諧振結(jié)構(gòu)[15],可以構(gòu)造出具有負(fù)折射率特性的超構(gòu)材料.利用相似的原理,可以構(gòu)造折射率等于零或者接近零的超構(gòu)材料.

在天線輻射面上覆蓋零折射率材料后,天線的輻射場將沿著材料的法線方向傳播,從而提高天線的方向性.例如,將傳統(tǒng)的單極子天線嵌入具有零折射率的多層超構(gòu)材料中,如圖2(b)所示,單極子天線的全向輻射特性會(huì)被零折射率材料調(diào)制為定向輻射.加載零折射率材料后,天線的E面和H面的半功率波束寬度分別為8.9°和18.3°,方向性系數(shù)由原來單極子天線的1.64 dB增加到25.7 dB[16],如圖2(c)所示.零折射率超構(gòu)材料還可以加載到傳統(tǒng)的喇叭天線的輻射口徑面上,進(jìn)一步提高喇叭天線的輻射性能.圖2(d)為加載了零折射率材料的喇叭天線結(jié)構(gòu)示意圖,其中的零折射率材料由二維金屬線“漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)”組成[13].從圖2(e)所示的天線遠(yuǎn)場方向圖可以看出,在零折射率超構(gòu)材料的工作頻率處,加載了近零折射率亞波長結(jié)構(gòu)的喇叭天線的輻射波束寬度變窄,輻射方向性系數(shù)明顯提高,其方向性與口徑之間的關(guān)系接近理論的衍射極限.通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計(jì),這種二維漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)可在不同諧振頻點(diǎn)處針對不同的偏振態(tài)具有零折射率.將這種雙工作頻點(diǎn)和雙偏振態(tài)的零折射率材料作為覆層加載到傳統(tǒng)微帶天線上,可構(gòu)造高方向性的多功能天線,如圖2(f)所示[17].圖2(g)和圖2(h)為該天線在高頻諧振頻點(diǎn)處y偏振下的E面和H面輻射方向圖.從圖中可以看出,加載零折射率材料后,天線的增益水平由原來的6 dB增加到19 dB,輻射性能得到顯著提升.圖2(i)和圖2(h)為具有梯度折射率分布的超構(gòu)材料,其單元結(jié)構(gòu)由不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的矩形金屬環(huán)組成,其等效折射率變化范圍覆蓋1.2—3.7,且材料中心處的等效折射率最高,沿徑向遞減[11].測試結(jié)果顯示,該超構(gòu)材料可在65%的工作帶寬范圍內(nèi)將傳統(tǒng)天線的增益提高8 dB.通過具有更高空間填充效率的分形幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)造零折射率超構(gòu)材料,可有效降低超材料單元的尺寸,增加材料的均勻性,提高超構(gòu)材料等效電磁參數(shù)以及天線設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性[18].

圖2 基于零折射率超構(gòu)材料的高方向性天線 (a)零折射率材料中的折射示意圖;(b),(c)分別為嵌入零折射率材料中的單極子天線及其輻射方向圖[16];(d),(e)加載零折射率超構(gòu)材料的喇叭天線及其方向圖[13];(f),(g),(h)為加載零折射率材料的雙偏振貼片天線及其x偏振和y偏振方向圖[17];(i),(j)基于梯度折射率超構(gòu)材料的天線及其增益曲線[11].Fig.2.High directivity antennas based on zero refraction index metamaterials：(a)Refraction in zero-index materials;(b)and(c)are the monopole antenna inserted in zero-index metamaterial and its radiation pattern[16];(d)and (e)are the horn antenna with zero-index metamaterial clad and its radiation pattern[13];(f)–(h)are respectively the dual polarization patch antenna with zero-index metamaterial clad and the radiation pattern of x-polarization and y-polarization[17];(i)and(j)are the antenna with gradient-index metamaterial cover and its gain spectra[11].

除了上述兩種調(diào)制天線輻射性能的亞波長結(jié)構(gòu)之外,還有基于部分反射表面[19]、頻率選擇表面[20-22]以及漸變折射率超構(gòu)材料[23,24]的新型平面天線,前兩者的原理是通過在超構(gòu)材料與平面天線的接地板之間構(gòu)造法布里-珀羅(F-P)諧振腔結(jié)構(gòu),達(dá)到對電磁波的輻射方向進(jìn)行調(diào)控的目的.通過亞波長結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以設(shè)計(jì)具有任意工作頻段的反射表面,此外還可通過人工磁導(dǎo)體等超構(gòu)材料的反射相位調(diào)控性能實(shí)現(xiàn)對諧振腔高度的壓縮,從而降低天線整體的剖面高度.

通過零折射率超構(gòu)材料和光子晶體的方法構(gòu)造高方向性天線,在降低天線口徑尺寸等方面具有重要價(jià)值.這種方法的主要缺陷在于其工作帶寬一般較窄,適用于偶極子天線、微帶天線等方向性較低且工作頻帶較窄的天線.而具有漸變折射率的超構(gòu)材料,可有效避免零折射率材料具有的窄帶缺陷,將其與傳統(tǒng)天線技術(shù)相結(jié)合,可在寬帶范圍內(nèi)提高天線的輻射方向性.

2.2 基于亞波長結(jié)構(gòu)的低RCS天線

隨著電子對抗技術(shù)的發(fā)展,各國對飛行器的隱身性能需求越來越迫切,雷達(dá)探測與目標(biāo)(尤其是飛行器)的隱身技術(shù)已成為電子對抗中最主要的對抗領(lǐng)域之一.而隨著飛行器RCS的不斷減小,機(jī)載天線系統(tǒng)對飛行系統(tǒng)RCS的貢獻(xiàn)越來越大.傳統(tǒng)的電磁吸收材料不具有頻率選擇功能,加載到天線上用以降低天線的RCS會(huì)同時(shí)降低天線的輻射性能,從而導(dǎo)致天線的RCS縮減與輻射性能之間的矛盾.超構(gòu)材料的出現(xiàn)為解決這一矛盾提供了有效的技術(shù)途徑.通過在傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)中加載具有頻率選擇特性的電磁吸收結(jié)構(gòu),可以在實(shí)現(xiàn)對外界入射的電磁波吸收的同時(shí),不影響天線本身的輻射性能,從而提高天線的隱身能力.實(shí)現(xiàn)天線RCS縮減的超構(gòu)材料主要包括電磁吸收型結(jié)構(gòu)和電磁散射型結(jié)構(gòu),其中電磁吸收結(jié)構(gòu)將入射的電磁波轉(zhuǎn)換為表面波并且通過材料自身的阻抗特性轉(zhuǎn)換為歐姆損耗等形式,從而降低天線的反射波能量[25,26];而電磁散射型超構(gòu)材料是將入射的電磁波散射到非威脅方向,降低天線在來波方向上的反射強(qiáng)度,達(dá)到降低天線RCS的目的[27,28].

圖3給出了部分利用超構(gòu)材料解決天線RCS降低和輻射性能之間矛盾的實(shí)例.圖3(a)為利用電磁吸收型亞波長結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線RCS縮減并提高天線輻射增益的微帶天線結(jié)構(gòu)[25].作為天線覆層的超構(gòu)材料包含兩層結(jié)構(gòu),上表面為具有電磁吸收功能的亞波長方形金屬環(huán)結(jié)構(gòu),每個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)中加載了四個(gè)電阻,調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的表面阻抗以實(shí)現(xiàn)寬帶的電磁吸收.材料的下表面為具有帶通特性的部分反射表面,其與天線的接地板形成F-P腔結(jié)構(gòu),從而在諧振頻點(diǎn)處提高天線的輻射增益.加載亞波長結(jié)構(gòu)后,在6—14 GHz范圍內(nèi)天線的RCS水平降低了4 dB(圖3(b)),天線的增益在11.4 GHz處由7 dB增加到13 dB,大幅提升了天線的輻射性能和隱身能力,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在工作頻帶范圍內(nèi)降低天線的RCS(圖3(c)).

圖3(d)所示為基于散射調(diào)控型超構(gòu)材料的低RCS天線[27].在波導(dǎo)縫隙天線的出射面上加載二維相位調(diào)控型亞波長結(jié)構(gòu),通過在二維方向上構(gòu)造反射式相位梯度,將入射的電磁波反射到其他方向,從而降低天線正方向的RCS.天線的正向反射率如圖3(e)所示,在4.0—8.0 GHz范圍內(nèi)大幅度降低了天線正向的反射率.此外,引入超構(gòu)表面后,天線的等效口徑效率得以提升,因此其增益水平在5.4—5.9 GHz范圍內(nèi)提升了2 dB以上.圖3(g)為同時(shí)具有天線RCS縮減以及工作頻率動(dòng)態(tài)調(diào)控復(fù)合功能的新型微帶天線[28].天線的覆層材料與圖3(a)中的超構(gòu)材料覆層相似,為電磁吸收材料和部分反射表面雙層結(jié)構(gòu)的超構(gòu)材料,可實(shí)現(xiàn)天線RCS的縮減;而在天線的接地板上加載反射相位可調(diào)控的超構(gòu)表面,該動(dòng)態(tài)超構(gòu)表面與覆層材料中的部分反射表面構(gòu)成可動(dòng)態(tài)調(diào)諧的F-P腔結(jié)構(gòu),可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)天線的最大輻射增益對應(yīng)的頻率.結(jié)果顯示該天線在7—14 GHz范圍內(nèi)RCS得到明顯縮減,如圖3(h)所示,同時(shí)天線的輻射增益峰值對應(yīng)的頻率可在9—10 GHz范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié).

除了上述的高方向性和低RCS天線之外,亞波長超構(gòu)材料在降低天線的副瓣、提高天線的工作帶寬和降低天線的尺寸等方面也有明顯的優(yōu)勢.例如利用超構(gòu)材料構(gòu)造的軟表面[29],加載到傳統(tǒng)喇叭天線垂直于電場方向的內(nèi)壁,通過超構(gòu)材料的寬帶的阻抗匹配特性,在超過一個(gè)倍頻的寬帶范圍內(nèi)降低天線的副瓣水平,同時(shí)該超構(gòu)材料的等效折射率的虛部極小,帶來的損耗可以忽略不計(jì),因此不會(huì)引入額外的電磁損耗.此外,亞波長結(jié)構(gòu)材料的色散可調(diào)控特性在拓展傳統(tǒng)窄帶天線的工作帶寬方面也有重要應(yīng)用價(jià)值[30].例如通過左右手復(fù)合材料構(gòu)造的寬帶微帶圓極化天線,可將傳統(tǒng)微帶天線的相對工作帶寬拓展到45%以上[31].超構(gòu)材料的等效電磁參數(shù)可人為設(shè)計(jì)的特性在降低天線的尺寸、構(gòu)造小型化天線方面也取得了良好的應(yīng)用效果.例如利用高等效介電常數(shù)的超構(gòu)材料作為天線的襯底材料,可有效降低天線的尺寸[32,33];基于超構(gòu)材料構(gòu)造的人工磁導(dǎo)體,其反射相位與金屬反射相位相比相差180°,將該材料作為諧振腔的反射面,可以大大降低諧振腔的高度[19,34].

圖3 基于亞波長超構(gòu)材料的低RCS天線 (a)基于電磁吸收型超構(gòu)材料的低RCS天線;(b),(c)分別為圖(a)中天線的RCS曲線和增益曲線[25];(d)基于電磁散射型超構(gòu)材料的低RCS天線;(e),(f)分別為天線的反射率和增益結(jié)果[27]; (g)可實(shí)現(xiàn)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)控的低RCS天線;(h),(i)分別為天線的RCS曲線和增益曲線[28]Fig.3.Low RCS antenna based on metamaterials：(a)Low RCS antenna based on absorption metamaterial; (b)and(c)are respectively the spectra of RCS and gain[25];(d)low RCS antenna based on scattering metamaterial; (e)and(f)are the re fl ectivity and gain spectra[27];(g)frequency tunable low RCS antenna;(h)and(i)are the RCS and gain spectra[28].

3 相位調(diào)制型超構(gòu)材料及相控陣天線技術(shù)

電磁波在傳播過程中,其相位由介質(zhì)材料的折射率n和傳輸距離l決定,即ΔΦ=2πl(wèi)n/λ,其中λ為波長.可以看出,傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)中,光學(xué)相位的調(diào)控主要通過光程的累積來實(shí)現(xiàn),因此傳統(tǒng)光學(xué)器件必須利用相當(dāng)厚度的材料以及特定的面形實(shí)現(xiàn)對入射光波前的調(diào)控,導(dǎo)致傳統(tǒng)器件的體積和重量較大,難以實(shí)現(xiàn)小型化和集成化.而在微波天線技術(shù)中,相位調(diào)控也是構(gòu)造高性能天線的必要技術(shù).例如微帶陣列天線技術(shù)中,天線單元之間的相位匹配需要通過一定長度的金屬微帶線來實(shí)現(xiàn).這種相位調(diào)控方法使得陣列天線的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,天線的體積難以小型化.

亞波長超構(gòu)材料的出現(xiàn)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)材料在電磁波相位調(diào)控方面的缺陷.通過超構(gòu)材料單元中人為設(shè)計(jì)的亞波長結(jié)構(gòu),將入射的傳播波轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)中的表面波,通過亞波長結(jié)構(gòu)的傳輸相位或者諧振相位調(diào)控方式,甚至是這兩種方式的結(jié)合,可有效調(diào)節(jié)表面波的相位,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對輻射波相位的調(diào)控[35-39].

3.1 超構(gòu)材料相位調(diào)控原理

亞波長金屬狹縫結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)傳輸型相位調(diào)控的有效方式,如圖4(a)所示,通過調(diào)控金屬狹縫的寬度,可有效調(diào)節(jié)電磁波的出射相位.這種相位調(diào)控方式主要工作在光波段,其本質(zhì)是通過調(diào)節(jié)在金屬-介質(zhì)界面產(chǎn)生的表面等離子體的傳播常數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對相位的調(diào)控.這種結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于光學(xué)超構(gòu)材料器件中,包括平面光束偏折器件[40-42]、平面透鏡[43-47]等.

而在微波、毫米波等波段,難以在金屬表面激發(fā)出表面等離子體,大多通過另一種方式調(diào)節(jié)電磁波的相位,即構(gòu)造等效諧振電路的方法[35,36,48].通過構(gòu)造出諧振型亞波長結(jié)構(gòu),將其等效為諧振電路形式,如圖4(b)所示,結(jié)構(gòu)中垂直于電場的金屬縫隙可以等效為諧振電路中的電容,平行于電場的金屬線可以等效為電路中的電感.根據(jù)麥克斯韋方程組,可以看出這種具有特定阻抗特性的人工表面結(jié)構(gòu)可以有效調(diào)節(jié)電磁波的相位以及振幅.這種相位調(diào)控型亞波長超構(gòu)材料的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長,可以看作二維表面結(jié)構(gòu),也被稱為超構(gòu)表面(metasurface).

在上述兩種相位調(diào)控機(jī)理的基礎(chǔ)上,可以通過將這兩種相位調(diào)控方法有效結(jié)合,形成更加靈活的相位調(diào)控手段.除此之外,通過在亞波長結(jié)構(gòu)中引入有源材料或者有源器件,可以實(shí)現(xiàn)對電磁波相位的動(dòng)態(tài)調(diào)控.例如,在微波波段的亞波長結(jié)構(gòu)中,加載PIN二極管或者變?nèi)荻O管,可實(shí)現(xiàn)大范圍的相位調(diào)控[37,49,50].在太赫茲波段、紅外波段甚至可見光波段,一些電磁參數(shù)可以動(dòng)態(tài)調(diào)控的材料,例如Ge2Sb2Te5(GST)[51,52]、石墨烯[53-55]、半導(dǎo)體[56-58]等材料,被廣泛應(yīng)用于構(gòu)造動(dòng)態(tài)超構(gòu)材料.

圖4 三種實(shí)現(xiàn)亞波長結(jié)構(gòu)相位調(diào)控的方法 (a)基于表面等離子體的傳輸相位調(diào)控;(b)基于等效電路模型的諧振相位調(diào)控;(c)幾何相位調(diào)控Fig.4.Three methods for phase manipulation using metamamterial：(a)Propagating phase manipulation based on surface plasmon polariton(SPP);(b)resonant phase manipulation based on e ff ective circuit model;(c)geometry phase manipulation.

此外,天線的概念也從微波波段延伸至光波段,產(chǎn)生了用于調(diào)控光波輻射的光天線[59-61].這種光天線也是實(shí)現(xiàn)局域相位調(diào)控的有效方式,其基本原理是亞波長結(jié)構(gòu)與光波相互作用過程中產(chǎn)生的幾何相位[62-66].Berry[67]和Anandan[68]分別從量子力學(xué)和光波偏振轉(zhuǎn)換的角度對幾何相位進(jìn)行了研究和闡述,得到了幾何相位僅與系統(tǒng)演變的幾何路徑相關(guān).如圖4(c)所示的亞波長結(jié)構(gòu),在圓偏振電磁波透過該結(jié)構(gòu)時(shí),出射場中的交叉分量的相位延遲等于結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)軸的夾角α的2倍.

3.2 基于亞波長結(jié)構(gòu)的波束偏折技術(shù)

控制電磁波的傳播方向在光束控制、信息傳輸、電磁隱身等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值.傳統(tǒng)技術(shù)手段中,電磁波傳輸方向的調(diào)控主要通過機(jī)械掃描的方式實(shí)現(xiàn)天線的波束在某個(gè)角度范圍內(nèi)連續(xù)掃描.但是這種機(jī)械伺服系統(tǒng)掃描速度較慢,容易丟失目標(biāo),且體積重量龐大.而光波段,機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置也被用于激光雷達(dá)等光束掃描系統(tǒng)中.此外,透鏡、棱鏡、反射鏡等器件是調(diào)控光束傳播方向的典型器件,然而受傳統(tǒng)折射/反射定律的限制,這些器件的厚度遠(yuǎn)大于波長,且難以實(shí)現(xiàn)波束方向的動(dòng)態(tài)調(diào)控.亞波長超構(gòu)材料的出現(xiàn),改寫了傳統(tǒng)的折射/反射定律,為實(shí)現(xiàn)小型化、平面化的波束調(diào)控提供了有效技術(shù)途徑.

3.2.1 微波波段波束偏折技術(shù)

根據(jù)陣列天線原理,通過調(diào)節(jié)陣列天線中每個(gè)輻射單元的出射相位,可以實(shí)現(xiàn)天線輻射方向的有效控制.其基本原理如圖5(a)所示,當(dāng)相鄰天線之間的相位差為Δφ時(shí),出射波束方向角θ=arcsin[-Δφ/(kd)],其中k為波矢,d為相鄰天線之間的間距.

構(gòu)建亞波長相控陣天線的本質(zhì)是設(shè)計(jì)具有相位調(diào)制功能的亞波長結(jié)構(gòu),在出射平面上形成一定的相位梯度,從而控制出射電磁場的傳播方向.研究人員提出了多種亞波長相位調(diào)制結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)平面輻射波束控制.圖5(b)—(d)分別為幾種典型的諧振式亞波長相位調(diào)控結(jié)構(gòu),包括矩形縫隙諧振結(jié)構(gòu)[69,71]、環(huán)形縫隙結(jié)構(gòu)[36]和工字型諧振結(jié)構(gòu)[70].通過調(diào)節(jié)這幾種亞波長結(jié)構(gòu)的縫隙部分的結(jié)構(gòu)參數(shù),可以有效調(diào)節(jié)其諧振性能,實(shí)現(xiàn)對出射電磁波相位的調(diào)控.微波頻段中,常在上述幾種諧振式亞波長結(jié)構(gòu)中加載PIN二極管、變?nèi)荻O管等元件,可實(shí)現(xiàn)出射相位的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié).

圖5 (a)亞波長結(jié)構(gòu)相控陣工作天線原理示意圖;典型的相位調(diào)制型亞波長結(jié)構(gòu);(b)矩形縫隙諧振結(jié)構(gòu)[69]; (c)環(huán)形縫隙諧振結(jié)構(gòu)[36];(d)工字型諧振結(jié)構(gòu)[70]Fig.5.(a)Scheme of the principle for phased array antennas;typical unit cells of metamaterial for phase manipulation,including(b)square slot structure[69],(c)ring slot structure[36],and(d)I-shape structure[70].

圖6所示為幾種典型的微波波段實(shí)現(xiàn)輻射方向調(diào)控的亞波長天線結(jié)構(gòu),包括靜態(tài)的波束偏折和動(dòng)態(tài)波束掃描亞波長結(jié)構(gòu)天線.圖6(a)中的靜態(tài)波束偏折亞波長結(jié)構(gòu)[37],其單元由金屬薄膜上的環(huán)形縫隙結(jié)構(gòu)組成.將具有不同環(huán)形縫隙半徑和寬度的單元結(jié)構(gòu)按照一定的相位梯度分布排列,實(shí)現(xiàn)將正入射的平面波束偏轉(zhuǎn)到偏離法向17.5°的方向,其遠(yuǎn)場輻射場分布如圖6(b)所示.這種通過單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)的方式構(gòu)造的波束偏折器件,僅能實(shí)現(xiàn)定向的輻射方向調(diào)控,而不能達(dá)到動(dòng)態(tài)波束掃描的目的.通過在單元結(jié)構(gòu)中引入變?nèi)荻O管、PIN二極管等動(dòng)態(tài)調(diào)控元件,可以構(gòu)造超構(gòu)材料相控陣天線.圖6(c)所示為基于變?nèi)荻O管的動(dòng)態(tài)超構(gòu)材料相控陣天線[72],其由6層相位調(diào)控亞波長超構(gòu)材料和微帶天線陣列饋源組成.通過控制每排單元結(jié)構(gòu)中的二極管兩端的電壓值,在超構(gòu)材料的出射面上形成動(dòng)態(tài)可調(diào)的相位梯度,進(jìn)而將饋源天線沿法線方向輻射的電磁波偏轉(zhuǎn)到不同的角度,波束偏轉(zhuǎn)范圍約為30°.

亞波長結(jié)構(gòu)對電磁波的奇異調(diào)制特性在于其電磁調(diào)制能力與人工結(jié)構(gòu)密切相關(guān),通過結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)多種自然界的材料所不具有的復(fù)合功能.在基于亞波長結(jié)構(gòu)構(gòu)造的相控陣天線中,可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使其同時(shí)具有偏振調(diào)控[50,74]、散射特性調(diào)控[75]等能力.圖6(e)所示的亞波長結(jié)構(gòu)相控陣天線[73],將相位調(diào)控結(jié)構(gòu)與圓偏振輻射相結(jié)合,在將饋源天線入射的線偏振電磁波轉(zhuǎn)換為圓偏振電磁波的同時(shí),實(shí)現(xiàn)天線輻射波束在±45°范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)掃描,如圖6(f)所示.圖6(g)為同時(shí)具有偏振動(dòng)態(tài)調(diào)制功能的亞波長結(jié)構(gòu),其單元結(jié)構(gòu)為傳輸陣列(transmitarray)形式[50].單元結(jié)構(gòu)中加載變?nèi)荻O管的移相電路可將輻射相位在0—360°范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)控,進(jìn)而在二維方向上動(dòng)態(tài)偏折天線的輻射波束;而其出射面的微帶天線中加載的PIN二極管可以有效調(diào)節(jié)天線輻射場的偏振態(tài)在左旋圓偏振、右旋圓偏振、水平線偏振和垂直線偏振四種狀態(tài)之間動(dòng)態(tài)切換.圖6(h)為天線在電場面上的遠(yuǎn)場方向圖,可以看出該天線具有±60°的波束動(dòng)態(tài)掃描功能.

3.2.2 可見光波段的波束偏折

從上述舉例中可以看出微波波段的相位調(diào)控主要通過構(gòu)造等效諧振電路以及加載電控元件的形式實(shí)現(xiàn).而在高頻波段,例如光波段、紅外波段等,入射光與亞波長結(jié)構(gòu)中的金屬部分發(fā)生耦合,產(chǎn)生表面等離子體(surface plasmon,SP),通過結(jié)構(gòu)與表面等離子體的相互作用是實(shí)現(xiàn)光波段相位調(diào)控的有效方式.此外,亞波長結(jié)構(gòu)的尺寸為納米量級,沒有對應(yīng)尺寸的電控元件,因此在該波長范圍內(nèi)大多通過電磁可調(diào)諧材料實(shí)現(xiàn)對電磁波相位的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),如石墨烯、半導(dǎo)體材料、相變材料等.

圖7為光波段波束偏折器件結(jié)構(gòu)圖及其波束調(diào)控結(jié)果.圖7(a)為基于SP傳播相位調(diào)制的波束偏折器件[11],其通過調(diào)節(jié)金屬狹縫的寬度調(diào)控狹縫中SP的傳播常數(shù),進(jìn)而調(diào)節(jié)出射面的相位分布,從而實(shí)現(xiàn)定向波束偏折,其不同偏折角度對應(yīng)的遠(yuǎn)場分布如圖7(b)所示,利用不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的亞波長狹縫合理組合,分別實(shí)現(xiàn)了30°,45°,60°和80°的偏折.這種平面相位調(diào)控器件突破了傳統(tǒng)電磁學(xué)理論中折射定律對光學(xué)器件面形的限制,改寫了折射定律[76].隨后,這種利用金屬狹縫結(jié)構(gòu)中SP傳輸相位調(diào)控結(jié)構(gòu)被用于構(gòu)造多種光學(xué)平面聚焦[43]和波束偏折器件[44],在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了該方法的可行性.

通常情況下,這種相位調(diào)控存在較大的色散,不能滿足寬帶的波束偏折的要求.通過將結(jié)構(gòu)的色散特性與材料的色散特性合理結(jié)合,可有效改善該亞波長結(jié)構(gòu)的色散特性[42,77].圖7(c)為基于亞波長金屬狹縫結(jié)構(gòu)的消色差波束偏折器件結(jié)構(gòu)示意圖,利用亞波長結(jié)構(gòu)的色散特性補(bǔ)償了銀材料在光波段的色散后,該器件可以實(shí)現(xiàn)寬帶的消色差波束偏折,如圖7(d)所示,在1000—2000 nm波長范圍內(nèi),正入射的光束被偏折到相同的方向,偏折角為20°.

圖7(e)為基于相變材料GST的紅外波段動(dòng)態(tài)波束偏折器結(jié)構(gòu)示意圖[51],其在一維金屬縫隙中加載相變材料GST.GST材料在溫度變化條件下,其結(jié)構(gòu)會(huì)在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換,對應(yīng)的折射率也會(huì)發(fā)生連續(xù)變化.因此在該波束偏折器不同部位加載一定的溫度梯度,可實(shí)現(xiàn)一維方向的折射率分布,進(jìn)而調(diào)節(jié)出射紅外波的相位梯度.在1.55μm波長處,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的波束掃描,其波束偏折效果如圖7(f)所示.

超構(gòu)材料光學(xué)天線廣泛采用偏振轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的幾何相位,其通過旋轉(zhuǎn)亞波長結(jié)構(gòu)相對于法線的旋轉(zhuǎn)角度,即可實(shí)現(xiàn)對電磁波相位的調(diào)控,而對材料的厚度無特定要求,因此可用于構(gòu)造多種平面器件,實(shí)現(xiàn)對輻射光場的調(diào)控.典型的幾何相位光學(xué)天線結(jié)構(gòu)包括V形結(jié)構(gòu)[62,78-84],矩形/橢圓形結(jié)構(gòu)[85-89]、懸鏈線結(jié)構(gòu)[90-94]等.這些平面光學(xué)器件主要用于光束聚焦、波束偏折、軌道角動(dòng)量(orbital angular momentum,OAM)的產(chǎn)生、光學(xué)全息器件等.

圖8給出了幾種典型的基于幾何相位的光學(xué)天線結(jié)構(gòu)及其對輻射光波的調(diào)控效果.圖8(a)和圖8(b)所示為實(shí)現(xiàn)波束偏折的光學(xué)天線陣列結(jié)構(gòu),其單元結(jié)構(gòu)分別為V形金屬結(jié)構(gòu)[62]和其互補(bǔ)結(jié)構(gòu)[95],通過設(shè)計(jì)V形結(jié)構(gòu)的臂長和張角大小,可以實(shí)現(xiàn)對出射相位的調(diào)節(jié).在該設(shè)計(jì)中,只需設(shè)計(jì)具有0°,45°,90°和135°相位調(diào)制效果的單元結(jié)構(gòu),而將這四種結(jié)構(gòu)繞中心旋轉(zhuǎn)90°,即可將原相位調(diào)控單元的出射相位增加180°.幾何相位的局域相位調(diào)控能力賦予了這種亞波長結(jié)構(gòu)器件具有復(fù)合電磁功能.圖8(c)是一種亞波長橢圓形金屬結(jié)構(gòu)的平面透鏡,根據(jù)其相位分布,該透鏡可以將入射的圓偏振光轉(zhuǎn)換為攜帶軌道角動(dòng)量的光束,同時(shí)實(shí)現(xiàn)出射光束的聚焦[86].2016年,Capasso等[66]提出一種基于介質(zhì)型幾何相位調(diào)控亞波長結(jié)構(gòu)的平面透鏡,其單元結(jié)構(gòu)由沉積在襯底上的矩形二氧化鈦柱構(gòu)成,如圖8(d)所示.與金屬亞波長結(jié)構(gòu)相比,這種介質(zhì)型幾何相位亞波長結(jié)構(gòu)在能量利用率上有明顯的優(yōu)勢,但是其厚度遠(yuǎn)超過金屬亞波長結(jié)構(gòu)的厚度,因此對加工工藝要求較高.該透鏡在可見光波段實(shí)現(xiàn)了170倍的放大成像效果,且該透鏡的能量利用率超過66%.

圖7 光波段典型的波束偏折器件 (a)基于金屬狹縫結(jié)構(gòu)中SP傳播相位調(diào)控的波束偏折器和(b)波束偏折效果[11]; (c)消色差的波束偏折器和(d)不同波長的波束偏折角度[42];(e)基于相變材料GST的紅外動(dòng)態(tài)波束偏折器和(f)動(dòng)態(tài)波束偏折效果[51]Fig.7.Typical beam de fl ector in light wave range：(a)De fl ector based on the SP propagating phase manipulation in metallic slot and(b)its beam de fl ection e ff ect[11];(c)achromatic beam de fl ector and(d)its beam de fl ection at di ff erent wavelength[42];(e)active beam de fl ector based on GST in infrared range and(f)the radiation patterns with di ff erent de fl ection angles[51].

上述幾何相位結(jié)構(gòu)均為離散結(jié)構(gòu),得到的相位分布也是離散的,因此難以實(shí)現(xiàn)完美的輻射調(diào)控.受自然界中懸鏈線力學(xué)結(jié)構(gòu)的啟發(fā),本課題組提出了一種可以連續(xù)調(diào)節(jié)幾何相位的亞波長結(jié)構(gòu),可將幾何相位在0—360°之間連續(xù)調(diào)控[91,93].利用該結(jié)構(gòu)構(gòu)造的平面光學(xué)器件在輻射光場質(zhì)量上有明顯的提升.圖8(e)為由這種亞波長懸鏈線結(jié)構(gòu)排布而成的軌道角動(dòng)量光束激發(fā)器件,根據(jù)角向的相位分布,其可以產(chǎn)生攜帶不同拓?fù)浜蓴?shù)的軌道角動(dòng)量光束.入射的圓偏振光通過該器件后輻射的光場分布如圖8(f)所示,仿真結(jié)果和測試結(jié)果均表明該器件可激發(fā)接近完美的OAM光束.局域相位調(diào)控能力在計(jì)算全息器件上具有更為明顯的優(yōu)勢.其設(shè)計(jì)流程為：首先通過點(diǎn)源法計(jì)算出產(chǎn)生任意全息物體的二維相位分布,然后利用不同旋轉(zhuǎn)方向角的亞波長結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)這種二維的相位分布,在特定偏振光照射下,該器件可形成所設(shè)計(jì)的全息光場.圖8(g)為利用矩形縫隙結(jié)構(gòu)構(gòu)造的彩色全息器件,可產(chǎn)生的彩色葉片和太陽神鳥(四川金沙遺址出土)的全息圖(圖8(h))[96].

圖8 典型的幾何相位亞波長結(jié)構(gòu) (a)基于V形結(jié)構(gòu)的幾何相位調(diào)制亞波長結(jié)構(gòu)[62];(b)基于V形縫隙亞波長結(jié)構(gòu)的光束偏折器件[95];(c)同時(shí)實(shí)現(xiàn)軌道角動(dòng)量光束激發(fā)和聚焦的平面透鏡[86];(d)基于介質(zhì)型亞波長結(jié)構(gòu)的平面透鏡[66];(e), (f)基于懸鏈線結(jié)構(gòu)的完美OAM產(chǎn)生器和其輻射光場分布[91];(g),(h)基于幾何相位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維彩色全息器件及其產(chǎn)生的全息圖[96]Fig.8.Typical metamaterials for geometric phase manipulation：(a)Geometric phase manipulation metamaterial based on V-shape structure[62];(b)beam de fl ector based on the V-shape unit cell metamaterial[95];(c)planar lens for orbital angular momentum generation and focusing[86];(d)photo of planar lens based on dielectric metamaterial[66];(e)and(f)are the perfect orbital angular momentum generator based on subwavelength catenary structure and the generated fields[91];(g)and(h)are the three-dimensional holograph generator based on the geometric phase metamaterial and the radiated holograph[96].

隨后,這種幾何相位調(diào)控方法被拓展至太赫茲、微波等低頻波段[97],由于這種幾何相位調(diào)控與器件的厚度無關(guān),特別適用于構(gòu)造超薄的電磁調(diào)控器件,獲得了良好的應(yīng)用效果.通過在結(jié)構(gòu)中加載有源器件,還可構(gòu)造可重構(gòu)的亞波長超表面結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對幾何相位的動(dòng)態(tài)調(diào)控[98].已經(jīng)有研究人員對上述超表面結(jié)構(gòu)的相位調(diào)控原理、方法和應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié),可為超構(gòu)表面相位調(diào)控器件的設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)指導(dǎo)[99].

4 亞波長結(jié)構(gòu)偏振調(diào)控技術(shù)及其在天線中的應(yīng)用

亞波長結(jié)構(gòu)對電磁輻射的強(qiáng)效調(diào)控能力還體現(xiàn)在對電磁波偏振態(tài)的調(diào)控作用中.電磁波的偏振態(tài)在通信領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值,利用電磁波的偏振態(tài)作為信息載體,即偏振位移鍵控技術(shù),可以有效提高通信質(zhì)量.此外,偏振調(diào)控在多通道通信(如衛(wèi)星通信)、立體顯示以及成像技術(shù)(偏振成像)中具有重要應(yīng)用價(jià)值.

傳統(tǒng)的電磁偏振調(diào)制技術(shù)主要利用偏振光柵、半波片、四分之一波片等器件,實(shí)現(xiàn)對入射的電磁波偏振態(tài)的篩選或轉(zhuǎn)換.偏振調(diào)制過程中,材料的厚度至少需要滿足其中k1和k2分別為各向異性介質(zhì)中尋常光(o光)和非常光(e光)的等效波矢.對于將線偏振波轉(zhuǎn)換為圓偏振波的四分之一波片而言,理論上最薄的厚度為d=λ/[8(no-ne)],其中no和ne為o光和e光對應(yīng)的折射率.但受限于自然界材料的折射率以及加工工藝的限制,實(shí)際的四分之一波片的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該理論極限值.并且由厚度與波長的對應(yīng)關(guān)系可以看出,每個(gè)具有特性厚度的波片只對應(yīng)一個(gè)中心工作波長,即這種波片不具有寬帶調(diào)制特性.由于亞波長結(jié)構(gòu)的衍射行為調(diào)制不受材料厚度的制約,具有構(gòu)建超薄偏振調(diào)制材料的優(yōu)勢,因此利用亞波長結(jié)構(gòu)對電磁波衍射行為的異常調(diào)制構(gòu)造偏振調(diào)制材料,可以突破傳統(tǒng)偏振調(diào)制手段對材料厚度的限制,并且可從本源上解決傳統(tǒng)偏振調(diào)制材料工作帶寬窄的問題.目前,國際上利用亞波長結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)對電磁波偏振特性調(diào)制的研究熱點(diǎn)主要圍繞著實(shí)現(xiàn)圓偏振輻射、寬帶偏振轉(zhuǎn)換、多頻點(diǎn)的偏振轉(zhuǎn)換以及動(dòng)態(tài)的偏振調(diào)制等方面.

現(xiàn)階段研究的偏振調(diào)控亞波長結(jié)構(gòu)主要可以分為各向異性結(jié)構(gòu)和手性結(jié)構(gòu)兩大類[36].其中各向異性結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的雙折射材料,其通過設(shè)計(jì)兩個(gè)正交方向上的傳輸相位差異實(shí)現(xiàn)對出射電磁波偏振態(tài)的調(diào)節(jié),如圖9(a)所示.圖9(b)為典型的各向異性的亞波長結(jié)構(gòu)偏振調(diào)控器件,其單元結(jié)構(gòu)由45°傾斜的周期性金屬線結(jié)構(gòu)組成.根據(jù)電場的合成原理,y偏振入射電場分解成與金屬微帶垂直和平行的兩個(gè)電場分量E⊥,E//.根據(jù)等效電路分析可知,在金屬微帶的垂直方向上的周期圖形的等效電抗呈容性,而在平行方向上的周期圖形的等效電抗呈感性.在容性和感性的電路中,電路的反射相位或透射相位符號相反.通過適當(dāng)調(diào)整周期、金屬線尺寸可以使得垂直和平行電場分量的反射或透射的幅相滿足一定的相位差條件,可實(shí)現(xiàn)輻射電磁場的偏振態(tài)調(diào)控.例如±90°和180°的相位差可分別實(shí)現(xiàn)圓偏振出射和交叉線偏振輻射.這種結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于構(gòu)造各種頻段的亞波長偏振調(diào)控材料[100-108].利用亞波長結(jié)構(gòu)構(gòu)造偏振調(diào)控器件已經(jīng)有較長的歷史,早在1973年人們就提出利用亞波長曲折線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對電磁波偏振特性的調(diào)控[109],如圖9(c)所示,而當(dāng)時(shí)超構(gòu)材料的概念尚未被提出.

與透射式偏振調(diào)控亞波長結(jié)構(gòu)相比,反射式結(jié)構(gòu)在能量利用率上具有明顯的優(yōu)勢.絕大部分入射的正交偏振電磁波會(huì)被反射,因此在設(shè)計(jì)反射式偏振調(diào)控亞波長結(jié)構(gòu)時(shí),只需要對正交偏振的相位差值進(jìn)行調(diào)節(jié),因此更有利用拓展器件的響應(yīng)帶寬,突破傳統(tǒng)電磁材料的限制.圖9(d),圖9(f)和圖9(h)為幾種典型的反射式寬帶各向異性亞波長結(jié)構(gòu),其中圖9(d)的單元為工字形結(jié)構(gòu)[101].當(dāng)入射電場沿著y方向時(shí),該結(jié)構(gòu)可以視為串聯(lián)的等效電感L以及等效電容C,其對應(yīng)的表面阻抗可以表示為Zy=jωL+1/(jωC),其中電感來自于金屬線,電容來自于平行金屬貼片.當(dāng)電場方向沿著x方向,該結(jié)構(gòu)可透過全部入射電磁波,進(jìn)而被背面的金屬反射板全反射,其等效阻抗為無窮大.兩個(gè)正交方向上的等效電磁參數(shù)的差異使出射電磁波之間產(chǎn)生180°相位差,且通過色散調(diào)控方法,該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)寬帶偏振調(diào)控.從圖9(e)中的主偏振反射率曲線可以看出,在5.5—16.5 GHz范圍內(nèi)主偏振的反射系數(shù)小于15 dB,其偏振轉(zhuǎn)換帶寬達(dá)到100%.基于類似原理,Grady等[106]提出了太赫茲波段的各向異性偏振調(diào)控亞波長結(jié)構(gòu),如圖9(f)所示.該亞波長結(jié)構(gòu)在0.8—1.8 THz范圍內(nèi)將入射的線偏振電磁波轉(zhuǎn)換為交叉線偏振波(圖9(g)).通過二維方向上的色散調(diào)控,可以進(jìn)一步增加亞波長偏振調(diào)制材料的工作帶寬.如圖9(h)所示的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)[110,114],其在二維正交方向上的阻抗特性可通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)寬帶的匹配,使其在在3.5—16.5 GHz范圍內(nèi)將入射的線偏振電磁波高效地轉(zhuǎn)換為交叉線偏振波,能量利用率接近100%,工作帶寬達(dá)到130%,如圖9(i)所示.

圖9 各向異性亞波長結(jié)構(gòu)偏振調(diào)控材料 (a)各向異性結(jié)構(gòu)的偏振調(diào)制原理示意圖;(b)金屬線結(jié)構(gòu)亞波長偏振調(diào)控材料結(jié)構(gòu)示意圖;(c)基于曲折線結(jié)構(gòu)的偏振調(diào)控材料[109];(d),(e)分別為基于工字形的寬帶偏振調(diào)制亞波長結(jié)構(gòu)及主偏振反射曲線[101];(f), (g)分別為基于金屬線結(jié)構(gòu)的太赫茲偏振調(diào)控器件及主偏振和交叉偏振反射率曲線[106];(h),(i)分別為基于二維色散調(diào)控的超寬帶偏振調(diào)控材料及其偏振轉(zhuǎn)換效率曲線[110];(j)微波波段各向異性偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控亞波長結(jié)構(gòu)材料[111];(k)基于微機(jī)械系統(tǒng)的偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控亞波長結(jié)構(gòu)材料[112];(l)基于相變材料的太赫茲偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控亞波長結(jié)構(gòu)材料[113]Fig.9.Anisotropic polarization manipulating metamaterials：(a)Principle of polarization manipulation of anisotropic structure;(b)scheme of polarization manipulation metamaterial based on parallel strips;(c)meander-line metamaterial[109]; (d)and(e)are respectively the I-shape metamaterial and its re fl ectivity spectra of co-polarization[101];(f)and(g)are the terahertz metamaterial based on metal strips and its re fl ectance spectra of co-and cross-polarization[106];(h)and(i) are the ultra broadband metamaterial for polarization manipulation with 2-D dispersion management and the spectrum of polarization conversion ratio[110];(j)the active anisotropic metamaterial in microwave band[111];(k)tunable metamaterial based on MEMS[112];(l)terahertz recon fi gurable metamaterial based on phase change material for polarization control[113].

為了滿足偏振成像探測、保密通信等技術(shù)對電磁波多偏振態(tài)的需求,在靜態(tài)的偏振調(diào)制亞波長結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過在亞波長單元中引入有源器件、材料或者微機(jī)械結(jié)構(gòu)等,可動(dòng)態(tài)調(diào)控亞波長結(jié)構(gòu)的偏振調(diào)制性能[52,111-113,115-117].圖9(j)為利用PIN二極管實(shí)現(xiàn)的微波波段偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控超構(gòu)材料,通過調(diào)控單元結(jié)構(gòu)中加載的二極管的工作狀態(tài),該超構(gòu)材料可將入射的線偏振電磁波分別轉(zhuǎn)換為交叉線偏振波、左旋圓偏振波和右旋圓偏振波[111].通過微機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)亞波長結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,可以動(dòng)態(tài)改變亞波長結(jié)構(gòu)的各向異性,從而實(shí)現(xiàn)對電磁波偏振特性的動(dòng)態(tài)調(diào)控.如圖9(k)所示的亞波長結(jié)構(gòu)[112],通過控制相鄰懸臂的電壓差值,可將圖中亮色部分結(jié)構(gòu)在各向同性的十字形結(jié)構(gòu)和各向異性的T字形結(jié)構(gòu)之間調(diào)節(jié),從而動(dòng)態(tài)調(diào)控其輻射電磁波的偏振態(tài).圖9(l)所示的亞波長結(jié)構(gòu)中加載了相變材料二氧化釩(VO2)[113],通過外界溫度的變化,可調(diào)節(jié)相變材料的電阻率,使其介電特性在介質(zhì)相和金屬相之間切換,從而改變亞波長結(jié)構(gòu)的各向異性特征,將入射到該亞波長結(jié)構(gòu)的線偏振電磁波分別轉(zhuǎn)為左旋圓偏振波和右旋圓偏振波.以上介紹的部分各向異性亞波長結(jié)構(gòu)可用于構(gòu)造圓偏振天線,以降低傳統(tǒng)圓偏振天線設(shè)計(jì)的難度.將這些偏振調(diào)控超構(gòu)材料與傳統(tǒng)線偏振天線集成,可構(gòu)造出低損耗、低剖面的新型圓偏振天線,可同時(shí)提高天線的方向性、增益以及降低天線的副瓣電平等[118-120].

除了各向異性亞波長結(jié)構(gòu)之外,手性亞波長結(jié)構(gòu)近些年也被廣泛用于偏振調(diào)控[121-132].手性超構(gòu)材料指單元結(jié)構(gòu)不具有軸對稱特性,即與自身的鏡像結(jié)構(gòu)無法通過平移、旋轉(zhuǎn)等操作相重合.由于其結(jié)構(gòu)的不對稱性,電磁波在通過手性結(jié)構(gòu)材料的過程中存在電場和磁場之間的耦合,產(chǎn)生圓二向色性和旋光性等偏振調(diào)控特性.與各向異性超構(gòu)材料不同的是,手性超構(gòu)材料作用的基模為左旋圓偏振和右旋圓偏振,如圖10(a)所示.手性材料中左旋圓偏振波的折射率nL和右旋圓偏振波的折射率nR在諧振頻點(diǎn)處存在差異,且折射率實(shí)部的差異導(dǎo)致兩種圓偏振波的輻射相位不同,產(chǎn)生旋光性,而折射率虛部的差異使兩種圓偏振波的透過率存在差異,即為圓二向色性的來源.

圖10 手性亞波長結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對電磁波的偏振調(diào)控 (a)手性結(jié)構(gòu)對圓偏振調(diào)控原理示意圖[56];(b)DNA分子為典型的自然界手性材料; (c)雙層十字形手性亞波長結(jié)構(gòu)[133];(d)雙層開口諧振環(huán)型手性亞波長結(jié)構(gòu)[134];(e),(f)分別為螺旋線結(jié)構(gòu)的太赫茲寬帶手性亞波長結(jié)構(gòu)及其圓偏振透射率[122];(g),(h)分別為雙層金屬圓弧線型手性亞波長結(jié)構(gòu)及其圓偏振透射率曲線[125];(i),(j)為基于半導(dǎo)體材料的動(dòng)態(tài)手性亞波長結(jié)構(gòu)及其圓偏振透射率曲線[56];(k),(l)為微波波段動(dòng)態(tài)手性亞波長結(jié)構(gòu)及其不同工作狀態(tài)下的圓偏振透射率曲線[132]Fig.10.Chiral metamaterial for polarization control：(a)Principle of circular polarization manipulation in chiral materials[56]; (b)typical chiral material of DNA molecule;(c)chiral metamaterial of two-layer twisted cross structure[133];(d)chiral metamaterial of two-layer twisted split rings[134];(e)and(f)are the helix chiral metamaterial and its circular polarization transmission in terahertz band[122];(g)and(h)are the chiral metamaterial with two-layer twisted arc structure and its circular polarization transmission[125];(i)and(j)are the recon fi gurable chiral metamaterial using semi-conductor and its circular polarization transmission spectra[56];(k)and(l)are the active chiral metamaterial in microwave band and its circular polarization transmission spectra of di ff erent working states[132].

自然界中存在大量的手性結(jié)構(gòu),例如DNA分子(如圖10(b)所示)、蛋白質(zhì)分子、蔗糖溶液、石英晶體等,對手性材料的研究在生物分子探測、非線性光學(xué)等領(lǐng)域有重要價(jià)值.然而自然界存在的手性材料的手性因子均較弱,即電磁波在這些手性材料中電場和磁場之間的耦合作用極弱,難以滿足實(shí)際的偏振調(diào)控需求.通過構(gòu)造亞波長手性結(jié)構(gòu),可以有效增強(qiáng)材料的手性因子,降低對材料厚度的要求.圖10(c)和圖10(d)為典型的手性亞波長結(jié)構(gòu),分別為兩層十字形[133]和開口諧振環(huán)[134]結(jié)構(gòu),通過將兩層結(jié)構(gòu)依次旋轉(zhuǎn)一定角度形成手性.除了這兩種結(jié)構(gòu)之外,典型的手性亞波長結(jié)構(gòu)還包括U形結(jié)構(gòu)[135-138]、萬字形結(jié)構(gòu)[139-141]、多層金屬線結(jié)構(gòu)等[142].

圖10(e)為利用雙光子工藝制備的周期性金屬螺旋線結(jié)構(gòu),這種螺旋線結(jié)構(gòu)具有天然的手性,且其旋向決定了其手性特征.該亞波長螺旋線手性結(jié)構(gòu)可在近一個(gè)倍頻程(3—6μm)范圍內(nèi)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的圓二向色性[122].從圖10(f)中的左旋圓偏振(紅色曲線)和右旋圓偏振(藍(lán)色曲線)的透射率曲線可以看出其寬帶偏振調(diào)控效果.傳統(tǒng)的手性亞波長結(jié)構(gòu)大多具有高損耗、交叉偏振態(tài)透過率差值較小的缺陷.圖10(g)所示的雙層弧形金屬線結(jié)構(gòu)有效解決了上述問題,該結(jié)構(gòu)有效結(jié)合了手性和各向異性,提高了能量利用率的同時(shí)明顯增加了兩種圓偏振電磁波在諧振頻點(diǎn)處的透過率差值[125].圖10(h)中的圓偏振透過率曲線顯示其交叉偏振比值大于25 dB,能量利用率大于-2.5 dB.此外,通過增加每一層結(jié)構(gòu)中的弧形金屬線的數(shù)量,可以成倍地增加亞波長結(jié)構(gòu)的工作頻點(diǎn)個(gè)數(shù),為實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)的偏振調(diào)控提供了可行的技術(shù)途徑[126].這種具有多頻點(diǎn)、低損耗特性的手性亞波長結(jié)構(gòu)被拓展至可見光波段[127],并用于非線性成像[143].

與各向異性亞波長結(jié)構(gòu)類似,手性亞波長結(jié)構(gòu)也可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的偏振調(diào)控.但由于其結(jié)構(gòu)的不對稱性,構(gòu)造動(dòng)態(tài)手性亞波長結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度明顯超過各向異性亞波長結(jié)構(gòu).圖10(i)為Zhang等[56]提出的三維手性亞波長結(jié)構(gòu),通過在結(jié)構(gòu)中引入半導(dǎo)體材料,在不同光照強(qiáng)度條件下,半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能分別表現(xiàn)為介質(zhì)和金屬特性,從而在等效結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)亞波長結(jié)構(gòu)手性特性的動(dòng)態(tài)切換.其不同工作狀態(tài)下的圓偏振波透射曲線如圖10(j)所示,其中黑色曲線為沒有光照條件下左旋(實(shí)線)和右旋(虛線)圓偏振透過率;紅色曲線為光照條件下左旋(實(shí)線)和右旋(虛線)圓偏振透過率.顯然通過光照強(qiáng)度的調(diào)控,可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)亞波長結(jié)構(gòu)的手性特征.圖10(k)為微波波段的動(dòng)態(tài)手性亞波長結(jié)構(gòu)[132],通過控制加載在矩形縫隙中的二極管的工作狀態(tài),不僅可以實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)在手性和各向同性之間切換,同時(shí)材料表現(xiàn)為手性結(jié)構(gòu)時(shí),其手性特征還可以在左手特征和右手特征之間切換,并且材料的損耗小于1.5 dB(如圖10(l)所示),可以應(yīng)用于微波通信系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)調(diào)制出射電磁波的偏振狀態(tài).

由于手性亞波長結(jié)構(gòu)中圓偏振電磁波的折射率與手性因子密切相關(guān),Pendry[144]提出通過設(shè)計(jì)具有大手性因子的亞波長結(jié)構(gòu),可構(gòu)造出具有負(fù)折射率以及零折射率的手性亞波長結(jié)構(gòu).前面2.1節(jié)中已經(jīng)介紹,具有近零折射率的亞波長結(jié)構(gòu)可以有效提高天線的輻射方向性.因此手性亞波長結(jié)構(gòu)也可以用于天線技術(shù)中,提高圓偏振天線的輻射性能[145-147].

5 總 結(jié)

本文綜述了基于亞波長結(jié)構(gòu)對電磁波衍射行為調(diào)控的新型輻射技術(shù),包括新型高方向性天線、低RCS天線、相控陣天線技術(shù),基于亞波長結(jié)構(gòu)的偏振調(diào)控技術(shù)等.從文中內(nèi)容可以看出,亞波長結(jié)構(gòu)的電磁調(diào)控能力在提高天線輻射性能、降低天線剖面和尺寸等方面具有明顯的優(yōu)勢.我們將亞波長結(jié)構(gòu)材料的種類、對天線性能的提升效果和對應(yīng)的調(diào)控原理進(jìn)行了總結(jié),列于表1,但亞波長結(jié)構(gòu)材料在天線中的應(yīng)用并非僅有表中的形式.

除上述基于亞波長結(jié)構(gòu)的電磁輻射調(diào)控技術(shù)之外,亞波長結(jié)構(gòu)在紅外輻射、可見光輻射等領(lǐng)域也有極大的應(yīng)用價(jià)值.紅外輻射器件在紅外探測、熱學(xué)成像、熱光伏、被動(dòng)降溫等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,基于亞波長結(jié)構(gòu)的新型熱輻射器件可突破傳統(tǒng)材料的限制,其輻射帶寬、輻射效率等可大幅改善[148-150].

表1 基于亞波長結(jié)構(gòu)的超構(gòu)天線歸納Table 1.Collection of meta-antennas on a sub-wavelength scale.

利用電磁波在亞波長尺度內(nèi)的局域諧振作用,可以極大地增強(qiáng)局域場的強(qiáng)度,產(chǎn)生超越傳統(tǒng)性能的電磁輻射器件,例如表面等離子體激光器[151-153],量子級聯(lián)激光器[154]等新型納米尺度的激光光源.這些基于表面等離子體的納米激光器將亞波長納米結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)與諧振腔集成,通過表面等離子體實(shí)現(xiàn)光場調(diào)控和激發(fā).利用表面等離子體的短波長特性以及局域場增強(qiáng)特性,使光場能量集中在納米線中心區(qū)域,可突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限,構(gòu)造適用于片上系統(tǒng)的集成化光源.上述新型電磁輻射技術(shù)體現(xiàn)了亞波長結(jié)構(gòu)對電磁波衍射效應(yīng)的調(diào)控能力,為高性能電磁輻射器件的設(shè)計(jì)提供了全新的技術(shù)手段,可有效解決傳統(tǒng)技術(shù)對材料特性的依賴.目前基于亞波長結(jié)構(gòu)的電磁輻射器件在寬帶、多功能化、小型化等方面仍存在部分難題尚未解決,但是其相對于傳統(tǒng)輻射技術(shù)的優(yōu)勢是不言而喻的,可以預(yù)期這種新型的電磁輻射技術(shù)的應(yīng)用前景將極為廣闊.

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PACS:78.67.Pt,43.35.Bf,52.40.Fd,42.25.Bs DOI:10.7498/aps.66.147802

Meta-antenna：principle,device and application?

Ma Xiao-Liang Li Xiong Guo Ying-HuiZhao Ze-Yu Luo Xian-Gang?
(State Key Laboratory of Optical Technologies on Nano-Fabrication and Micro-Engineering,Institute of Optics and Electronics,
Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610209,China)

17 April 2017;revised manuscript

14 May 2017)

Since electromagnetic waves were discovered,e ff ectively controlling them has been a goal and radiators with better characteristics have always been chased by researchers.However,limited by the electromagnetic properties of nature materials,traditional radiation technology is reaching its bottleneck.For example,traditional microwave antenna has the disadvantages of large volume,heavy weight,narrow operating frequency band,etc.,and cannot satisfy the development requirement of modern communication systems.Therefore,the state-of-art radiation technology meets the challenge of minimizing the size and broadening the bandwidth of radiators,and constructingmulti-functional and recon fi gurable antennas.In recent years,metamaterials have aroused great interest due to the extraordinary di ff raction manipulation on a subwavelength scale.Fruitful bizarre electromagnetic phenomena,such as negative refraction index,planar optics, perfect lens,etc.have been observed in metamaterials,and the corresponding theories improve the fundamental principle systems of electromagnetics.Based on these novel theories,a series of new radiators has been proposed,which has e ff ectively overcome the difficulties in traditional radiation technology and broken through the limits of natural electromagnetic materials.The relating theory and technology may greatly promote the development of electromagnetics, optics,materials.

In this article,we mainly review the recent progress in the novel electromagnetic radiation technology based on metamaterials,which is named meta-antenna,including the principle of di ff raction manipulation of metamaterial to control the amplitude,phase and polarization of the incident electromagnetic waves.Subsequently,a series of radiation devices is introduced,including the new phased array antenna on the concept of phase manipulating metamaterial,and the high directivity antenna based on zero refraction index metamaterial and photonic crystal,and the low RCS antenna simultaneously has the functions of gain enhancement and stealth ability.Besides,the polarization manipulation characteristics of metamaterial are also reviewed.The anisotropic and chiral metamaterials are analyzed,and several polarizers with broadband characteristics and recon fi gurable ability are introduced.Furthermore,due to the importance as future radiation sources,nanolasers that work on a subwavelengh scale are demonstrated.Finally,we point out the current problems and future trend of the radiation technology based on metamaterials.

subwavelength,metamaterial,meta-antenna,di ff raction manipulation

:78.67.Pt,43.35.Bf,52.40.Fd,42.25.Bs

10.7498/aps.66.147802

?國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號：2013CBA01700)和國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：61405201,61675208)資助的課題.

?通信作者.E-mail：lxg@ioe.ac.cn

?2017中國物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Basic Research Program of China(Grant No.2013CBA01700)and the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61405201,61675208).

?Corresponding author.E-mail：lxg@ioe.ac.cn