基于液態(tài)金屬的跨波段超寬帶極化轉(zhuǎn)換超表面

邵亞楠，李博文，高世博，鄧永波*

（1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

1 引言

極化轉(zhuǎn)換器能夠操控電磁波的極化狀態(tài)，在電磁隱身［1-2］、RCS 縮減［3］、成像［4］、傳感［5］、量子光學(xué)［6］、衛(wèi)星通信［7］、天線設(shè)計(jì)［8］和波束控制［9-10］等方面的微波及光子器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的極化調(diào)控器件利用法拉第效應(yīng)或晶體光學(xué)活性，通過(guò)電磁波在自然界現(xiàn)有的雙折射材料中的傳播積累相位差，存在帶寬窄、損耗高、體積大等問(wèn)題。隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)器件集成度的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)極化調(diào)控器件無(wú)法滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)需求。超表面通過(guò)平面襯底上亞波長(zhǎng)尺度的陣列結(jié)構(gòu)調(diào)控電磁波傳播，具有寬工作頻帶、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外，超表面能夠通過(guò)超薄的結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波振幅、相位和極化狀態(tài)實(shí)現(xiàn)高效地超寬帶調(diào)控，具有優(yōu)異的電磁特性和電磁波調(diào)控能力。因此，超表面為克服傳統(tǒng)極化調(diào)控器件的缺陷、滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)需求提供了一種先進(jìn)的技術(shù)途徑。

目前，研究人員已提出了多種類型的極化轉(zhuǎn)換超表面，可分為反射式與透射式兩類。其中，反射式器件多由基于金屬材料的共振結(jié)構(gòu)陣列與金屬底板構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)寬帶、可調(diào)的線-圓極化轉(zhuǎn)換和線-線極化正交轉(zhuǎn)換［11-18］；透射式器件通常由共振結(jié)構(gòu)陣列與介質(zhì)材料構(gòu)成，多層結(jié)構(gòu)之間的耦合可以進(jìn)一步增大工作帶寬［19］。Zheng 等提出了一種基于超表面的寬帶反射式極化轉(zhuǎn)換器，可將線極化入射電磁波在相對(duì)帶寬為59.6%的6.53～12.07 GHz 頻帶內(nèi)轉(zhuǎn)換為正交極化反射波，在相對(duì)帶寬為13.0%的13.70～15.60 GHz頻帶內(nèi)轉(zhuǎn)換為圓極化反射波［20］。Wang 等提出了一種基于單層介質(zhì)襯底的寬帶廣角反射式線轉(zhuǎn)圓極化轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了55°斜入射角、相對(duì)帶寬為73.6%的15.3～33.1 GHz 頻帶內(nèi)反射波的線-圓極化轉(zhuǎn)換［21］。Jia 等提出了一種具有線轉(zhuǎn)圓極化特性的反射式超寬帶超表面，在相對(duì)帶寬為129%的4.7～21.7 GHz 頻帶內(nèi)將線極化入射波轉(zhuǎn)換為圓極化反射波［22］。Khan 等提出了一種超薄單層反射式多功能超表面，在相對(duì)帶寬為31.6%的8～11 GHz 頻帶內(nèi)將線極化入射波轉(zhuǎn)換為交叉極化反射波，同時(shí)在7.5～7.7 GHz 和11.5～11.9 GHz 兩個(gè)頻段上實(shí)現(xiàn)了線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換［23］。Arnieri 等提出了一種基于雙層結(jié)構(gòu)的寬帶廣角掃描線-圓極化轉(zhuǎn)換的透射式極化轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)帶寬為24%的線-圓極化轉(zhuǎn)換［24］。

上述極化轉(zhuǎn)換電磁超表面，通常采用金、銀、銅、鋁合金等常規(guī)固體金屬材料制作，存在難以共形、易機(jī)械疲勞、無(wú)法重構(gòu)等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，研究人員開(kāi)始關(guān)注無(wú)毒性的液態(tài)金屬材料，如鎵銦合金和鎵銦錫合金。這種金屬材料具有以下性能優(yōu)勢(shì)：（1）高強(qiáng)度、高硬度，液態(tài)金屬的強(qiáng)度是鋁、鎂合金的10 倍以上，不銹鋼、鈦合金的1.5 倍以上；（2）極強(qiáng)的耐磨性和耐腐蝕性；（3）散熱性、電磁性能等方面在輕合金中出類拔萃，而且在加熱條件下不易變形、不易導(dǎo)熱。因此，液態(tài)金屬在天線和光學(xué)設(shè)備、柔性電路、超拉伸電線、傳感器和電子皮膚以及柔性機(jī)器人等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。相比于傳統(tǒng)超表面，基于液態(tài)金屬的超表面具有顯著優(yōu)勢(shì)。Liu 等通過(guò)填充不同結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬，在3 種工作狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)散射截面的減?。?5］。Lim 等提出了一種寬帶極化不敏感的吸波超表面，通過(guò)液態(tài)金屬的流態(tài)變化實(shí)現(xiàn)吸收光譜的切換［26］。盡管這些研究工作取得了一定的進(jìn)展，但基于液態(tài)金屬的極化轉(zhuǎn)換超表面研究仍相對(duì)較少，且工作頻段無(wú)法覆蓋X 波段的電磁波［27-28］。X 波段受天氣環(huán)境等外界因素的影響較小，可以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的目標(biāo)探測(cè)。Ku 頻段的頻率高、增益高，天線尺寸較小。對(duì)于多功能設(shè)備，跨X 和Ku 波段的極化轉(zhuǎn)換具有重要意義。因此，本文采用液態(tài)金屬進(jìn)行跨X 和Ku 波段的超寬帶極化轉(zhuǎn)換超表面設(shè)計(jì)，以解決已有極化轉(zhuǎn)換超表面因采用傳統(tǒng)固體金屬材料，導(dǎo)致天線發(fā)生形態(tài)改變時(shí)金屬出現(xiàn)斷裂、疲勞、形變等機(jī)械損傷的問(wèn)題，從而提升超表面的性能。

本文設(shè)計(jì)、制備并測(cè)試了跨X 和Ku 波段、具有交叉極化轉(zhuǎn)換或線-圓極化轉(zhuǎn)換功能的超寬帶極化轉(zhuǎn)換超表面，其周期性單元結(jié)構(gòu)由不同寬度的階梯狀液態(tài)金屬填充而成。相比于傳統(tǒng)的極化轉(zhuǎn)換超表面，該超表面具有寬頻帶、高極化轉(zhuǎn)換率、體積小、無(wú)機(jī)械疲勞損傷、易共形和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于電磁超表面結(jié)構(gòu)單元可以等效為電磁諧振腔，在設(shè)計(jì)超表面結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，首先對(duì)經(jīng)典的微帶諧振腔進(jìn)行研究。圖1 為微帶不同旋轉(zhuǎn)角度下的S參數(shù)，由結(jié)果可知，微帶旋轉(zhuǎn)角度為45°時(shí)，諧振腔的諧振強(qiáng)度最大。復(fù)雜幾何的諧振元件通常會(huì)產(chǎn)生多波段響應(yīng)和整體增強(qiáng)的帶寬，從根本上增加帶寬。本文通過(guò)將微帶結(jié)構(gòu)合理變形成階梯狀，增加結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由度，并進(jìn)行尺寸優(yōu)化從而獲得具有超寬帶諧振效果的電磁超表面（圖2）。

圖1 不同傾斜角度微帶諧振器的S 參數(shù)Fig.1 S-parameters of microstrip resonators with different tilt angles

圖2 階梯狀超表面的S 參數(shù)Fig.2 S-parameters of step-shaped metasurface

本文設(shè)計(jì)的階梯狀周期性超表面的具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，該超表面由金屬反射底板、介質(zhì)層、液態(tài)金屬諧振器層、壓敏膠和蓋板5 層結(jié)構(gòu)組成。底端是電導(dǎo)率為5.96×107S/m，厚度為0.035 mm 的銅箔；介質(zhì)層由厚度為3 mm 的PVC（聚氯乙烯）組成，利用激光雕刻機(jī)在介質(zhì)層上雕刻液態(tài)金屬通道；液態(tài)金屬諧振器層是利用相對(duì)介電常數(shù)為7.41 的鎵銦錫合金填充介質(zhì)上雕刻的通道構(gòu)成的；最后，在頂端利用厚度為0.2 mm 的壓敏膠粘上厚度為0.3 mm 的PVC蓋板。周期性結(jié)構(gòu)單元尺寸如圖3 所示，邊長(zhǎng)為10 mm，階梯狀單元結(jié)構(gòu)和單元邊緣之間的距離為1.8 mm，頂端金屬階梯狀結(jié)構(gòu)的寬度為1.6 mm。

圖3 超表面示意圖（其中，w1為金屬結(jié)構(gòu)與邊緣之間的距離，w2為金屬結(jié)構(gòu)的寬度，p 為周期結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度）Fig.3 Sketch of metasurface（where w1 is the distance between the metal structure and the edge，w2 is the width of the metal structure，and p is the length of the periodic structure）

2.2 仿真分析

本文采用電磁仿真軟件CST Microwave Studio 優(yōu)化超表面結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬超表面的極化轉(zhuǎn)換功能。在電磁仿真過(guò)程中，沿X，Y軸方向設(shè)置周期邊界條件，沿Z軸方向設(shè)置開(kāi)放邊界條件，電磁波沿Z方向入射到超表面。在仿真結(jié)果中提取反射系數(shù)rij，其中，下標(biāo)i和j表示反射電磁波極化方向。當(dāng)線極化波入射時(shí)，反射系數(shù)與入射電場(chǎng)和反射電場(chǎng)之間的關(guān)系為：

其中：ER，Ein分別為反射電場(chǎng)強(qiáng)度和入射電場(chǎng)強(qiáng)度，φR，φin分別為反射電場(chǎng)和入射電場(chǎng)的強(qiáng)度相位。液態(tài)金屬填充超表面通道之后，不同入射極化狀態(tài)的電磁波反射系數(shù)如圖4 所示。在7.536～17.232 GHz 頻帶上，交叉極化反射系數(shù)達(dá)0.9 以上，且X，Y極化方向的共極化反射系數(shù)和交叉極化反射系數(shù)基本重合。超表面交叉極化轉(zhuǎn)換性能采用極化轉(zhuǎn)換率描述，即：

圖4 超表面在不同極化狀態(tài)入射波下的反射系數(shù)Fig.4 Reflection coefficient of proposed metasurface for incident waves with different polarization states

極化轉(zhuǎn)換的總能量轉(zhuǎn)換率為：

其中：，，分別為反射的共極化電場(chǎng)強(qiáng)度、反射的交叉極化電場(chǎng)強(qiáng)度和入射電場(chǎng)強(qiáng)度。圖5 給出了液態(tài)金屬將通道全部充滿時(shí)的極化轉(zhuǎn)換率和極化轉(zhuǎn)換的總能量轉(zhuǎn)換率?？梢钥闯?，在相對(duì)帶寬為79.9%的7.536～17.712 GHz 頻帶上，該超表面的能量轉(zhuǎn)換率優(yōu)于90%，最高可達(dá)99.9%，即實(shí)現(xiàn)了共極化向交叉極化的轉(zhuǎn)換。

圖5 超表面的極化轉(zhuǎn)換率和總能量轉(zhuǎn)換率Fig.5 Polarization conversion ratio and total energy conversion ratio of proposed metasurface

為實(shí)現(xiàn)與其他器件共形，超表面要具有一定的入射角不敏感性。圖9（a）為該超表面在不同入射角時(shí)的極化轉(zhuǎn)換率，可以看出，該超表面隨著入射角度的增加，極化轉(zhuǎn)換的頻帶逐漸變窄，但在7.648～14.864 GHz 頻帶內(nèi)有較好的入射角不敏感特性。其諧振結(jié)構(gòu)由具有柔性特質(zhì)的液態(tài)金屬構(gòu)成，因此該器件具有共形能力，可以包覆在其他物體表面。

當(dāng)該超表面階梯狀單元的寬度為0.3 mm時(shí)，能夠在相對(duì)帶寬為12.3% 的10.864～12.288 GHz 頻帶上實(shí)現(xiàn)線極化向圓極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。利用方位角表示超表面的極化狀態(tài)，其表達(dá)式為：

圖6 顯示出階梯狀單元寬度w2分別為0.3 mm 和1.6 mm 時(shí)超表面反射電磁波的方位角，7.536～17.712 GHz 頻帶反射電磁波的共極化方向場(chǎng)強(qiáng)趨近于0，方位角接近90°，即發(fā)生了共極化向交叉極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；在10.864～12.288 GHz 頻帶上，兩極化方向分量的幅值相等且當(dāng)兩分量的相位差為π/2，方位角接近45°，即發(fā)生了線極化向圓極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖6 不同階梯寬度超表面的反射波方位角Fig.6 Azimuth angle of reflected wave of proposed metasurface for different step widths

金屬階梯狀結(jié)構(gòu)的寬度w2為0.3 mm 時(shí)，該超表面可以實(shí)現(xiàn)入射電磁波由線極化向圓極化的轉(zhuǎn)換。超表面的圓極化轉(zhuǎn)換性能利用軸比衡量，如圖7 所示，可以看出在10.864～12.288 GHz 頻帶上，軸比低于3 dB，即實(shí)現(xiàn)了線極化入射波向圓極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。與線極化波不同，圓極化波在傳送過(guò)程中以螺旋旋轉(zhuǎn)的方式傳播，其特征為：共極化出射波和交叉極化出射波的振幅相等，相位相差π/2。如圖8 所示，在10.864～12.288 GHz 頻帶上，兩方向電磁波的相位差Δφ為π/2。

圖7 階梯寬度w2=0.3 mm 時(shí)超表面的反射波軸比Fig.7 Axial ratio of reflected wave of proposed metasurface with step width w2 of 0.3 mm

圖8 階梯寬度w2=0.3 mm 時(shí)超表面的反射波相位Fig.8 Phase of reflected wave of proposed metasurface with step width w2 of 0.3 mm

2.3 物理機(jī)制

在電磁波照射下，超表面結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)諧振腔理論，該超表面可以視為二維諧振腔，此時(shí)超表面單元之間的縫隙可等效為電容，導(dǎo)體上引起的感應(yīng)電流可等效為電感，兩者形成一個(gè)并聯(lián)諧振回路，在特定頻率的電磁波激勵(lì)下發(fā)生共振，使得電磁波的極化方向重新定向。諧振腔的諧振頻率與等效電容和等效電感之間的關(guān)系為：

對(duì)于上述二維諧振腔，需要通過(guò)分析電場(chǎng)分布計(jì)算出微帶諧振腔的等效電容和等效電感。一種常見(jiàn)的方法是使用電場(chǎng)的能量密度和電場(chǎng)電勢(shì)之間的關(guān)系來(lái)計(jì)算等效電容，分析磁場(chǎng)的分布和電流路徑估算等效電感。其表達(dá)式為：

其中：U0，I0分別為兩導(dǎo)體間的電壓振幅和一個(gè)導(dǎo)體上的電流振幅，Et，Ht分別為兩導(dǎo)體間的橫向復(fù)電場(chǎng)和復(fù)磁場(chǎng)。根據(jù)式（5）～式（7）可知，等效電容值和等效電感值與介質(zhì)的介電常數(shù)、金屬貼片的尺寸、介質(zhì)基板的厚度有關(guān)。圖9（b）為不同相對(duì)介電常數(shù)下的極化轉(zhuǎn)換率，隨著相對(duì)介電常數(shù)的增大，極化轉(zhuǎn)換的頻段逐漸紅移。圖9（c）給出了極化轉(zhuǎn)換率隨液態(tài)金屬槽寬度的變化情況，可以看出，隨著液態(tài)金屬槽寬的增加，其極化轉(zhuǎn)換率也在增加，對(duì)應(yīng)的極化轉(zhuǎn)換頻段發(fā)生藍(lán)移。圖9（d）研究了超表面介質(zhì)厚度對(duì)極化轉(zhuǎn)換性能的影響，介質(zhì)的厚度能夠調(diào)節(jié)出射電磁波的相位，隨著介質(zhì)厚度從1.6 mm 增加到3.2 mm，PCR 超過(guò)90%的頻帶逐漸增大，頻段逐漸紅移；隨著介質(zhì)厚度的繼續(xù)增大，實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換的帶寬逐漸減小，頻段繼續(xù)紅移?？梢?jiàn)，通過(guò)調(diào)整介質(zhì)的介電常數(shù)和基板的厚度、設(shè)計(jì)液態(tài)金屬通道的形狀尺寸可以調(diào)控極化轉(zhuǎn)換超表面的工作頻段和功能。

圖9 參數(shù)對(duì)超表面極化轉(zhuǎn)換率的影響Fig.9 Influence of parameters on polarization conversion ratio of proposed metasurface

為了更加直觀高效地研究超表面性能的物理機(jī)制，本文將XOY坐標(biāo)系沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45°，定義為uov正交坐標(biāo)系，根據(jù)等效偶極子場(chǎng)諧振理論分析實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換功能的表面電流。將Y極化入射電磁波沿著垂直方向分解，以仿真超表面單元幾個(gè)頻點(diǎn)的表面電流。線極化入射波和反射波可以表示為：

其中ru，rv為u，v方向的反射系數(shù)。在各向異性材料中，被分解至正交的兩方向電磁波，具有可獨(dú)立調(diào)控的波矢，使得金屬表面的自由電子發(fā)生振蕩，當(dāng)頂層與底層的表面電流方向相反時(shí)，形成磁諧振；當(dāng)頂層與底層的表面電流方向相同時(shí)，形成電諧振。u，v軸上的磁諧振、電諧振分別調(diào)控u，v軸上的反射波電場(chǎng)分量的幅度和相位，從而實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換。如圖10（a）所示，在8.208 GHz 處，諧振層電流與底板電流方向相反，在介質(zhì)層中形成電流環(huán)，進(jìn)而形成磁偶極子，并構(gòu)成等效磁諧振器。由于磁偶極子產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)指向右下方，它在X方向的磁場(chǎng)分量平行于入射磁場(chǎng)，不產(chǎn)生極化轉(zhuǎn)換，而磁偶極子產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)在Y方向上的磁場(chǎng)分量與入射電場(chǎng)方向平行，因此產(chǎn)生交叉極化轉(zhuǎn)換。同理，如圖10（b）所示，在16.496 GHz 處，諧振層表面電流和底板表面電流方向相反，形成等效磁諧振。如圖10（c）所示，在16.496 GHz 附近，諧振層電流和底板感應(yīng)電流方向相同，形成等效電諧振，感應(yīng)電場(chǎng)在X方向的電場(chǎng)矢量與入射電場(chǎng)成90°，從而產(chǎn)生交叉極化。圖11 為4～20 GHz 下諧振結(jié)構(gòu)的最大表面電流，可見(jiàn)在5～7 GHz 內(nèi)，表面電流急劇升高，說(shuō)明此時(shí)超表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了諧振。

圖10 超表面在不同諧振點(diǎn)處的表面電流（Er和Hr分別為偶極子產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)，Ei和Hi分別為入射電場(chǎng)和入射磁場(chǎng)）Fig.10 Surface current of proposed metasurface at different resonant points（where Er and Hr are the induced electric field and the induced magnetic field generated by the dipole，and Ei and Hi are the incident electric field and the incident magnetic field，respectively）

圖11 超表面諧振層的最大表面電流Fig.11 Maximum surface current of resonant surface of proposed metasurface

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

為了驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，本文加工并測(cè)試了超表面器件。首先，使用激光雕刻機(jī)在3 mm 厚的PVC 介質(zhì)上雕刻了深度為0.15 mm 的15×15 陣列單元結(jié)構(gòu)溝槽；然后，利用壓敏膠將蓋板黏合在介質(zhì)上，再將液態(tài)金屬定量充入通道內(nèi)并密封；最后將銅箔粘在介質(zhì)背部，進(jìn)而獲得超表面器件。測(cè)試中，將一對(duì)間距為30 cm，尺寸為20 cm×15 cm×15 cm 的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線（發(fā)射天線和接收天線）連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線是一種常見(jiàn)的天線類型，通常用于微波和毫米波段，具有寬工作頻帶、高增益、寬角度覆蓋、低副瓣輻射、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和極化靈活等特性，能發(fā)射和接收各種極化角度的電磁波。樣品放置于標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線前方縱向距離1.5 m處，即測(cè)試條件符合遠(yuǎn)場(chǎng)。測(cè)量時(shí)，兩個(gè)喇叭天線極化方向一致，得到共極化反射系數(shù)。保持發(fā)射天線的位置不變，將接收天線旋轉(zhuǎn)90°使它與發(fā)射天線極化方向正交，測(cè)量得到器件的交叉極化反射系數(shù)（圖12）。

圖12 超表面樣品測(cè)試示意圖Fig.12 Schematic diagram of metasurface sample test

超表面樣品的暗室測(cè)試裝置如圖13 所示。超表面樣品實(shí)物如圖14 所示，其單元階梯狀液態(tài)金屬溝槽的尺寸參數(shù)w1=1.8 mm，w2=1.6 mm，單元的周期數(shù)為15×15。這里對(duì)該超表面在4～22 GHz 頻段下的極化轉(zhuǎn)換率進(jìn)行了仿真和實(shí)測(cè)分析。將測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行比較（表1），如極化轉(zhuǎn)換功能、中心頻率、相對(duì)帶寬和柔性等參數(shù)，可見(jiàn)本文設(shè)計(jì)的電磁超表面具有優(yōu)異的帶寬和材質(zhì)性能。圖15 為階梯狀液態(tài)金屬槽寬w2=1.6 mm 時(shí)，超表面極化轉(zhuǎn)換率的仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比。測(cè)試結(jié)果表明，樣品1 在7.33～17.63 GHz 頻帶上能夠?qū)崿F(xiàn)共極化狀態(tài)向交叉極化的轉(zhuǎn)換，與仿真結(jié)果之間的相對(duì)誤差為4.20%；樣品2 在6.66～17.87 GHz 頻帶上的極化轉(zhuǎn)換率超過(guò)90%，實(shí)現(xiàn)了共極化狀態(tài)向交叉極化的轉(zhuǎn)換，與仿真結(jié)果之間的相對(duì)誤差為4.70%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所研制超表面的極化轉(zhuǎn)換功能。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，為避免零角度入射時(shí)發(fā)射喇叭天線和接收喇叭天線之間的信號(hào)耦合，人為設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線之間的角度誤差為8°，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)小幅度偏移。

表1 與已報(bào)道的極化轉(zhuǎn)換超表面的比較Tab.1 Comparison of polarization conversion between proposed and reported metasurfaces

圖13 超表面樣品測(cè)試實(shí)景Fig.13 Real scene of metasurface sample test

圖15 超表面仿真和測(cè)試結(jié)果Fig.15 Simulation and experimental results of proposed metasurface

4 結(jié)論

本文提出了一種基于液態(tài)金屬的跨X 和Ku波段的超寬帶極化轉(zhuǎn)換電磁超表面，該超表面由階梯狀陣列單元構(gòu)成。當(dāng)階梯狀液態(tài)金屬寬度為1.6 mm 時(shí)，在相對(duì)帶寬79.90% 的7.595～17.712 GHz 頻帶上，該超表面的極化轉(zhuǎn)換率優(yōu)于90%，具有共極化向交叉極化轉(zhuǎn)換的功能。當(dāng)階梯狀液態(tài)金屬寬度為0.3 mm 時(shí)，在相對(duì)帶寬12.30%的10.864～12.288 GHz 的頻帶上，該超表面具有線-圓極化轉(zhuǎn)換的功能；在相對(duì)帶寬為3.54%的7.328～7.592 GHz 的頻帶上，該超表面的極化轉(zhuǎn)換率優(yōu)于90%，具有共極化向交叉極化轉(zhuǎn)換功能。極化轉(zhuǎn)換特性測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的相對(duì)誤差為4.20%，理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了本文提出的跨X 和Ku 波段的超寬帶極化轉(zhuǎn)換電磁超表面的多功能性和有效性。該超表面具有寬頻帶、高極化轉(zhuǎn)換率、體積小、無(wú)機(jī)械疲勞損傷、易共形和成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。