Fund Project:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61761010) and the Natural Science Foundation of Guangxi, China (Grant No. 2018GXNSFAA281193).
Received Date:24 June 2020
Accepted Date:21 August 2020
Available Online:19 January 2021
Published Online:05 February 2021
Abstract:A broadband and high-efficieny bi-layer metasurface is proposed in this paper. The unit cell of the metasurface is formed by symmetrically etching two cross-type metal patches on both sides of a dielectric plate. Furthermore, the two metal patches have a displacement of half a period along the y-axis. By employing the displacement, the transmission bandwidth of the bi-layer metasurface is significantly expanded. In order to obtain a physical insight into bandwidth broadening, a π-type equivalent circuit that presents the electromagnetic coupling between within the bi-layer metasurfaces is successfully extracted to investigate the influence of electromagnetic coupling on transmission performance. The results show that by shifting the metal patches along the y-axis by half a period, the coupling impedance (Z12 or Z21) of bi-layer metasurface can be significantly modified, which further changes the electromagnetic coupling of the bi-layer metasurface. Correspondingly, the impedances Zp and Zs in the π-type circuit are changed to approximately meet the resonant condition of circuit in broadband, resulting in the bandwidth expansion of the proposed device. By using Pancharatnam-Berry phase theory, we redesign the proposed metasurface unit cell into a broadband orbital angular momentum generator. The simulation and measurement results verify that the bi-layer metasurface can convert a left-hand circularly polarized wave into a right-hand circularly polarized wave carrying orbital angular momentum in a frequency range between 11 GHz and 12.8 GHz, demonstrating the performance of device. Keywords:bi-layer metasurface/ broadband/ Pancharatnam-Berry phase/ orbital angular momentum
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--> --> --> 1.引 言1992年, 荷兰物理学家Allen等[1]首次提出Laguerre-Gaussian激光束携带轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)的概念. 此后的研究发现, 携带轨道角动量的波束具有特殊的螺旋相位分布特性, 因此在粒子操控、信息传输、光学成像和光刻技术等方面具有广阔的应用前景[2-6]. 另一方面, 由于不同模态的OAM波束具有正交性, 这使得它们在传播过程中互不干扰, 且每一种模态的OAM波束在独立携带信号传输的过程中相位分布保持稳定. 因此, 从理论上讲, 采用不同模态的OAM波束携带微波信号, 可以实现无穷多的信号传输通道, 这极大提高了频谱容量[7,8]. 这一新技术为解决目前无线通信领域中频谱资源紧缺的问题提供了有效途径, 因此吸引了广大****的研究兴趣. 要将OAM波束实际应用到无线通信领域中, 需要对OAM波束的产生方法进行研究. 目前, 产生OAM波束的主要方法有以下几种: 1)螺旋相位板[8]; 2)环形阵列天线[9]; 3)反射型螺旋抛物面天线[10]. 可是, 这些方法都存在一些缺点, 如馈电结构复杂、天线尺寸大等. 为了解决这些问题, 研究人员又提出了一种新的方法, 即用超表面产生OAM波束[11]. 超表面是超材料的二维形式, 它是将亚波长单元结构在平面内进行周期或非周期排列形成的. 通过调节超表面单元的形状、结构参数和排列方式, 能够对电磁波的极化、振幅及相位等物理量进行有效调控[12], 从而产生新的物理现象和应用. 利用超表面灵活调控电磁波的特点, 人们已经开发出了多种新型功能器件, 如偏振转换器[13]、吸波器[14]、平面透镜[15]和全息成像等[16]. 近年来, 超表面又被用来产生OAM波束[17-19]. 由于超表面具有结构简单、重量轻、易加工、且易于与其他器件集成等优点, 因此在OAM波束生成方面具有不可替代的优势. 目前的研究主要是采用反射型超表面来形成OAM波束, 而对透射型OAM发生器的研究较少. 基于此, 本文提出一种透射型超表面, 该结构是在介质板的两面分别刻蚀十字型金属结构, 同时将上下两层超表面沿y方向发生半个周期的位移形成. 通过将上、下两层超表面沿y方向错位半个周期, 有效拓展了电磁波的透射带宽, 且透射效率高于90%. 在此基础上, 结合Pancharatnam-Berry (P-B)相位原理[20], 按照一定规律旋转超表面结构单元, 并进行重新排列, 形成OAM波束发生器, 该器件能够在11—12.8 GHz的频率范围内将左旋圆极化波转换为携带OAM的右旋圆极化波. 2.物理模型提出的双层超表面结构单元如图1所示, 图中黄色部分为金属铜. 它是将两个具有相同参数的十字型结构印制在介质层的两边, 同时将两个十字结构沿y方向错位半个周期长度(Ly = P/2)形成. 将该单元结构沿x方向和y方向周期延伸, 得到超表面结构. 其中, 介质板为介电常数${\varepsilon _{\rm{r}}} = 2.65$的F4B, 其厚度为d = 2 mm. 沿x方向和y方向的周期相等, 为P = 15 mm, 其他结构参数为Dy = 11.2 mm, Dx = 5.2 mm, wx = 1.5 mm, wy = 1.6 mm, Ly = 7.5 mm. 图 1 超表面单元的物理模型 (a)上层结构俯视图; (b)下层结构仰视图; (c)侧视图 Figure1. Schematic of metasurface unit cell: (a) Top view; (b) bottom view; (c) side view of the unit cell.
为了分析超表面的电磁特性, 首先利用电磁仿真软件(CST-2016)对其进行仿真分析. 仿真过程中, 选取单元结构进行建模, 将x, y方向的边界设为周期边界以模拟周期结构, 电磁波沿z方向传播. 图2为仿真得到的x极化波及y极化波的透射系数和相位特性, 图中tyy和txx分别表示y极化波以及x极化波的同极化透射系数; φyy和φxx分别表示同极化透射系数(tyy和txx)的相位. 由图2可以看出, 在11—12.85 GHz的频率范围内, 该超表面对x和y极化波都具有很高的透射率(> 90%), 且它们之间的相位差接近180°. 同时进一步分析了超表面对圆极化波的响应特性. 图3为左旋圆极化波激励超表面单元时, 仿真得到的同极化和交叉极化的透射和反射系数. 图中t和r分别表示透射系数以及反射系数; 下标L以及R分别表示对应的入射波或透射波为左旋圆极化和右旋圆极化波, 如rL-R表示左旋圆极化波的交叉极化(右旋圆极化)反射系数. 由图3可知, 在11—12.85 GHz (相对带宽为15.3%)的频率范围内, 该超表面能将左旋圆极化入射波转换成右旋圆极化透射波, 且透射率高于0.9. 通过上述仿真分析可知, 本文提出的结构在11—12.85 GHz的宽频带范围内, 对线极化波和圆极化波都具有高透射特性, 且厚度超薄($d = {\lambda _0}/12.5$, ${\lambda _0}$为工作频带的中心波长), 其性能明显优于目前已报道的双层超表面. 图 2 超表面对线极化波的响应(txx和tyy为x极化波和y极化波的同极化传输系数的振幅, φxx 和φyy为同极化传输系数的相位) Figure2. Amplitude and phase of co-polarized transmission coefficient, where txx and tyy are amplitudes of co-polarized transmission coefficients for x- and y-polarized incident waves, and φxx and φyy correspond to the phase of txx and tyy.
图 3 超表面对左旋圆极化波的响应(tL-L和tL-R为同极化和交叉极化传输系数, rL-L和rL-R为同极化和交叉极化反射系数) Figure3. Response for left-hand circularly polarized incident wave, where tL-L and tL-R are co- and cross-polarized transmission coefficients, and rL-L and rL-R are co- and cross-polarized reflective coefficients.