【最新成果】基于反射型超表面的太赫兹偏折涡旋波束生成

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前言

太赫兹涡旋波束可以提高雷达通信系统的通信容量及成像系统的分辨率，如何有效地产生这种波束成为近期的一个研究热点。西安交通大学施宏宇教授团队利用反射型超表面，在太赫兹频段实现了高质量偏折涡旋波束的产生。设计出的超表面在太赫兹雷达成像、目标探测、通信等领域有较大的潜在应用价值。

图1 西安交通大学施宏宇教授科研团队

背景介绍

太赫兹波频率在0.3 THz~10 THz之间，该频段的电磁波具有很多的独特优势，如通信带宽大、光子能量低，在通信、高精度成像等领域有很大的应用前景。携带轨道角动量的电磁波具有涡旋状的波前相位分布，又称为涡旋波束，当一个物体被涡旋电磁波束照射时，相当于平面波从连续的多个角度进行入射，其相位的非平面结构使目标散射回波中将包含更多的目标信息；涡旋波束的模态阶数可以为任意整数，并且不同模态之间的涡旋波束具有良好的正交性，若使用多种模态的涡旋波束对目标进行照射，雷达的分辨力将会大大提高；将涡旋电磁波应用于雷达系统，有利于提高雷达系统的目标识别及成像能力。同时，涡旋波束也可以用于高速通信、保密通信等领域。

由于涡旋波束及太赫兹波在雷达通信成像等领域应用前景广阔，在太赫兹频段有效地产生涡旋波束便显得十分重要。使用阵列天线如环形阵列天线产生涡旋波束的方法较为简单直接，但阵列天线需要复杂的馈电网络，系统成本较大。螺旋相位板只能产生单一模式的涡旋波束，且厚度较大。超表面是一种二维人工结构，由于其新奇的电磁调控特性，受到了越来越多的关注，被应用于复杂波束产生，波前调控，降低雷达散射截面等方面。除此之外，超表面具有结构简单，易于加工，插入损耗低的优势，是产生涡旋波束的一种较为理想的方法。

图2 团队设计的太赫兹偏折涡旋波束超表面

团队工作

团队利用反射型超表面，在太赫兹频段实现了高质量偏折涡旋波束的产生。为了克服反射型超表面产生的波束易被馈源遮挡的缺点，团队利用平面反射阵原理控制了波束的偏转方向，并通过相位叠加原理产生了偏折涡旋波束。超表面单元为三层结构，通过调节单元的几何参数便可以实现对单元反射相位的控制。基于该设计方法及设计的超表面单元，团队设计并加工了五个工作在太赫兹频段的反射型超表面，它们分别可以产生模态为±1、±2、3的涡旋波束。仿真及测试结果表明设计的超表面能够在太赫兹频段产生质量较好的涡旋波束，设计出的超表面在太赫兹雷达成像、目标探测、通信等领域有较大的潜在应用价值。

图3 课题组超表面相关工作

该工作拟发表在《雷达学报》2021年第5期“涡旋雷达理论及应用系统”专题论文“基于反射型超表面的太赫兹偏折涡旋波束生成”（施宏宇，李国强，刘康，李博林，衣建甲，张安学，徐卓），现已网络优先出版。

论文介绍

文章首先介绍了工作在太赫兹频段的超表面单元，该单元为三层结构，底层为金属地，中间层为介电常数为9.9的介质层，其损耗角正切值为0.0001。单元上层结构如图4所示，调节单元上层结构的几何参数便可以实现对反射相位的调节。考虑到金属结构在太赫兹频段的损耗及加工需求，单元的金属结构材质选用为金。

  图4 超表面单元上层结构

图5给出了超表面单元在340 GHz线极化波入射条件下，同极化反射波的反射幅度及相位随超表面单元上层结构枝节长度r0的变化情况，由于金属地的存在，超表面的反射效率非常高，相位分布范围也近似为360°。

  图5 超表面单元上层结构

为了同时调整涡旋波束的模态及偏转方向，文中利用了平面反射阵原理及相位叠加原理来计算超表面的相位分布。利用平面反射阵原理可以准确达到调控波束方向的目的，调控方式高效准确。通过相位叠加原理，又可以在偏转的波束上引入轨道角动量,从而可以获得偏转涡旋波束超表面总的相位分布。其中模态为1的超表面计算得到的局部相位分布图及仿真模型如图6所示。

图6 超表面局部相位分布图及仿真模型

超表面仿真时使用线极化平面波作为激励源，超表面仿真模型的大小为30´30个单元，5个不同超表面远场仿真幅值及其俯仰角、方位角分布信息如图7所示，其俯仰角及方位角大小分别为：  。

图7 仿真得到的超表面远场幅值分布

超表面的加工方式为光刻加工，测试环境为西安交通大学电信学部毫米波暗室，测试结果如图8所示。图9给出的是上述超表面测试结果的归一化OAM谱分析结果，其值可由涡旋波束电场幅值与相位的傅里叶变换得到，从各个模态的占比情况可以看出，模态为±1、±2、3的能量分别占比最高，表明5个超表面主模态与设计模态相同。

图８ 超表面测试幅值及相位结果

图９ 超表面的谱分析结果

由超表面整体仿真及测试结果也可以看出，使用平面反射阵原理来调控太赫兹涡旋波束的方向，可以得到较好的波束调节效果，其对涡旋波束偏转方向调控非常准确，并且避免了馈源对涡旋波束的遮挡。利用文中的设计方案也可以较为直接地设计出其他模态及偏转方向的涡旋波束，扩展性较强。课题组设计的超表面能够在太赫兹频段产生质量较好的涡旋波束，设计出的超表面在太赫兹雷达成像、目标探测、通信等领域有较大的潜在应用价值。

作者介绍

施宏宇(1987-)，男，陕西人，西安交通大学电信学部副教授。主要研究方向为电磁超材料理论与应用、人工智能在超材料电磁波调控中的应用、携带轨道角动量电磁波的产生与应用、新型可重构天线理论与设计、新型功能材料在电磁波调控中的应用等。

李国强(1996-)，男，山东人，西安交通大学信息与通信工程学院硕士研究生。主要研究方向为电磁波综合调控等。

衣建甲(1986-)，男，吉林人，西安交通大学信通学院研究员。主要研究方向为智能电磁波器件、声学人工材料、可调控太赫兹器件等。

张安学(1972-)，男，河南安阳人，西安交通大学电磁与信息技术研究所教授，博士生导师。主要研究方向为新型天线与分集技术、移动通信微波射频技术、智能雷达信号处理、多天线通信系统与阵列信号处理、微波测试理论与系统设计等。

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编辑：李铭典 周艺

审核：于青 贾守新 

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