东南大学-崔铁军院士︱Adv. Sci.:极化控制双通道独立可编程超表面

科匠学术
2020-04-27

本文由通讯作者-蒋卫祥教授、第一作者-张信歌博士生受邀撰写,由衷感谢他们对科匠学术的支持!

一、研究背景:

超表面是由亚波长人工单元在二维平面内周期或非周期排布构成的超薄平台,在调控电磁波方面展现了强大的能力。尤其是在动态超表面方面,通过外部控制信号能对电磁波进行人为动态调控。目前,动态超表面通常是可调超表面或可重构超表面。可调超表面的功能可以实现微调,但功能相似;可重构超表面能获取显著不同的功能,但功能数有限。自2014年起,崔铁军院士团队针对如何实现多功能的实时调控与切换,提出将数字编码表征和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)引入到动态超表面设计中,完成了现场可编程超表面。可编程超表面可以在单一平台上实现很多种完全不同的功能,且功能可以按照编写好的程序实时切换。但是已有可编程超表面的可编程特性大多需要在预先设计的特定极化电磁波照射下才能表现出来,在其它极化电磁波照射下仍旧为静态特性。这使得可编程超表面只能在一个通道上串行处理多个任务,制约其并行处理多任务的能力。

关键挑战:双通道、独立可编程超表面

为提升信息处理效率和多任务处理能力,科研人员研发了双极化超表面,能在不同极化下表现出不同的电磁响应,从而并行提供两个独立的信息通道。相对于单极化超表面而言,双极化超表面能够实现包括多通道信息处理、偏振分割多路复用、双极化口径共享等在内的较为复杂的功能。这表明基于双极化超表面能实现更先进的功能器件。然而,目前已有的双极化超表面是静态或仅能微调,其功能无法被实时编程切换,这极大得限制了双极化超表面的多功能性以及在超快切换、扫描系统中的应用。


二、文章简介:

针对上述问题,东南大学崔铁军院士研究团队和新加坡国立大学仇成伟教授合作,提出、设计并实验验证了一种具有强重构能力、双通道独立可编程超表面,相关研究成果发表在综合学术期刊Advanced Science东南大学蒋卫祥教授、崔铁军教授和新加坡国立大学仇成伟教授为该论文的通讯作者,东南大学博士生张信歌为该论文的第一作者。该文中研发的双可编程超表面具有独立控制接口,能够实时对x极化和y极化电磁波进行独立编程调控,从而可实现多个复杂和新奇的电磁功能。

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图1. 极化控制的双可编程超表面及其功能示意图


三、文章内容:

在这项研究工作中,研究人员设计了一款可对x极化和y极化电磁波独立调控的双可编程超表面(图1)。首先,研究人员精心设计了一种可独立调控x极化和y极化电磁波反射相位的有源超表面单元,以实现该双编程超表面该有源超表面单元具有特殊设计的金属图案,并在x方向和y方向上分别集成了两个变容管,通过设计的两条偏压线可独立调控x方向和y方向上变容管的容值,进而完成对x极化和y极化电磁波反射相位的独立控制(图2)。

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图2. 所设计的超表面单元、性能以及加工的实验原型:(a)所设计的双可编程超表面单元的三维模型。(b)超表面单元在不同极化和不同电容值下的仿真反射相位随频率变化曲线。(c)超表面单元在不同极化和不同电容值下的仿真反射幅值随频率变化曲线。(d)所制作的双可编程超表面样品正面。(e)所制作的双可编程超表面样品背面。(f)设计并制作的扩展接口电路和电压转换电路。

同时,研究人员用24×24个超表面单元进行组阵(超表面阵列中包含48路独立控制接口,以获得双编程超表面并实现多个复杂电磁功能。进一步,研究人员设计并实现了扩展接口电路和直流电压转换电路,从而实现单块FPGA对包含多个独立控制接口的双可编程超表面进行有效控制。扩展接口电路主要由译码器和锁存器构成,能将少量FPGA接口以指数方式大大扩展。电压转换电路主要由晶体管和电阻构成,能将FPGA输出的电压转换到双可编程超表面中变容管所需偏压(图2)。因此,最终研制的双可编程超表面平台具有丰富的可编程性,能够实现多个复杂电磁功能。

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图3. 异或逻辑门平台在y-z平面上,仿真和测试的远场结果:(a)输入为[00]时的远场结果。(b)输入为[10]时的远场结果。(c)输入为[01]时的远场结果。(d)输入为[11]时的远场结果。

作为实验演示,研究人员在单个平台上实验验证了三种不同的电磁功能,分别是用于圆极化波自旋控制的异或逻辑运算(图3)、定频大角度双波束扫描和双极化口径共享(图4)。

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图4. 双波束扫描天线和双极化口径共享天线的远场性能:(a, b)在x极化和y极化电磁波激励下,双可编程超表面具有不同的编码序列时三维远场仿真波束。(c)在圆极化波激励下,双可编程超表面具有不同的编码序列时的三维远场仿真波束。(d, e)在x极化和y极化电磁波激励下,双可编程超表面具有不同的编码序列时二维远场测试波束。(f)在右旋圆极化波激励下,双可编程超表面在特定编码序列下二维远场测试波束。(g)在左旋圆极化波激励下,双可编程超表面在特定编码序列下二维远场测试波束。


四、总结与展望:

相比于以往的单极化可编程超表面,研制的双可编程超表面能并行提供两个相互独立的信息传输通道,进而大大提升可编程超表面的信息处理能力。该双可编程超表面为实现大规模、高集成度的电磁器件和系统提供了技术新途径,有望在基于波的逻辑运算平台、高速扫描雷达和多通道空间光处理器等先进器件和系统中获得应用。


五、致谢:

本研究受到国家重点研发计划(2017YFA0700201, 2017YFA0700203, 2016YFC0800401)、国家自然科学基金(61890544, 61631007, 61571117, 61731010, 61735010, 61722106, 61701107, 61701108)、江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX19_0081)、东南大学优秀博士学位论文培育基金(YBPY1938)、全国优秀博士学位论文基金(201444)、111计划(111-2-05)的资助。

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Authors: Xin Ge Zhang, Qian Yu, Wei Xiang Jiang*, Ya Lun Sun, Lin Bai, Qiang Wang, Cheng-Wei Qiu*, and Tie Jun Cui*

Title: Polarization-controlled dual-programmable metasurfaces

Published in: Advanced Science, doi: 10.1002/advs.201903382.

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