通过灵活设计编码序列，编码超构表面（metasurface）可实现对电磁波束的精确操控。然而，在无源柔性编码超构表面上实现电磁波的连续多变量调制仍然是一项挑战。以往的无源编码超构表面在整个工作频带内相邻编码单元之间的相位差是固定的，当编码模式确定后，编码超构表面只能实现单一的电磁功能。
据麦姆斯咨询报道，近日，哈尔滨工业大学电子与信息工程学院的贾敏教授团队提出了一种超薄柔性频率编码超构表面的设计方法。当采用空间周期性序列时，无源柔性频率编码超构表面可以实现频率可调的多波束生成、异常偏转和漫散射等电磁功能的连续转换。当采用空间非周期性序列时，该超构表面可以实现波束扫描功能。该超构表面不仅具有无源超构表面成本低、易于部署的优点，还具有有源超构表面对波束进行动态调制的能力。所提出的无源柔性频率编码超构表面为操控电磁波提供了一种新方法，提高了设计灵活性，有望应用于微波天线、雷达、飞行器和卫星通信等领域。上述研究成果以“Continuous manipulation of electromagnetic radiation based on ultrathin flexible frequency coding metasurface”为题发表于Scientific Reports期刊。
与传统的编码超构材料（metamaterial）不同，频率编码超构表面的单元之间的相位差随入射电磁波的频率近似线性变化。对于频率编码超构表面，相位分布在工作频带内变化较大。如图1所示，该频率编码超构表面所能实现的电磁功能会随着频率的变化而变化，从而实现对电磁波的连续可变调制。介质层正面的金属层和介质层背面的金属反射层的厚度均为0.018 mm。
图1 超薄和柔性频率编码超构表面及超构单元的3D示意图
研究人员设计了四种印刷在介质基底上的不同的亚波长金属结构，以实现频率编码，如图2所示。
图2 超薄和柔性频率编码超构表面的超构单元示意图
设计1-bit频率编码超构表面，只需要两种数字单元：unit1和unit3。研究人员通过数值编码来描述这两个频率编码单元的频域响应，由于unit1具有较低的相位-频率灵敏度，其对应的频率编码为“0”；相反，unit3具有较高的相位-频率灵敏度，因此其对应的频率编码为“1”。由于这两个频率编码超构表面单元在初始频率下具有相同的相位响应，因此它们对应的完整编码状态分别为“0–0”和“0–1”。
编码超构表面中的不同的编码序列能够提供丰富的电磁波操控。如图3所示，仿真结果的示例是编码序列“0–0”、“0–1”、“0–0”、“0–1”/“0–0”、“0–1”、“0–0”、“0–1”。为了验证上述设计，研究人员在商用软件CST中使用平面波激励进行了仿真，如图4所示。
图3 编码序列“0–0”、“0–1”、“0–0”、“0–1”/“0–0”、“0–1”、“0–0”、“0–1”的1-bit频率编码超构表面
图4 1-bit频率编码超构表面的仿真结果
编码超构表面的概念可以从1-bit编码扩展到2-bit编码，甚至更高。与1-bit频率编码超构表面相比，由于可用数字单元数量的增加，2-bit频率编码超构表面具有更大的设计自由度。2-bit频率编码超构表面可以实现更灵活、更通用的电磁波调制。研究人员将频率数字单元unit1、unit2、unit3、unit4的频率编码定义为“00–00”、“00–01”、“00–10”和“00–11”，然后以数值编码描述这四个数字单元的频域响应。为简单起见，“00”、“01”、“10”和“11”分别表示为0、1、2和3。
图5为实现波束扫描功能的2-bit频率编码超构表面的编码序列和仿真模型。这里，研究人员以一个空间非周期分布的频率编码超构表面为例，探索其对电磁波的调制。如图6所示，在频率为17、18、19和20 GHz时，辐射波束对应的偏转角分别为0°、2°、4°和6°，这意味着频率编码超构表面产生的辐射波束偏转角随着入射电磁波的频率单调增加。
图5 具有波束扫描编码序列的2-bit频率编码超构表面
图6 2-bit频率编码超构表面的仿真结果
综上所述，这项研究提出了一种超薄柔性频率编码超构表面，能够在频域内连续调制电磁波，而无需重新设计其结构。研究人员设计了四种具有不同相位-频率灵敏度的超构表面单元，并利用相位-频率灵敏度差异来设计编码模式，以实现电磁波的连续调制。通过构建1-bit和2-bit柔性频率编码超构表面，实现了频率可调的多波束生成、漫散射和异常偏转等不同功能。以2-bit频率编码超构表面为例，通过采用非周期性的空间序列方式，可实现波束扫描功能。通过理论分析和数值仿真论证了超薄柔性频率编码超构表面的波束操控和频率可调性。本文提出的柔性频率编码超构表面为电磁波的调制提供了一种新的方法，其无源和柔性的特性使其在微波天线、飞行器、无线通信和隐身等众多应用中具有广阔的前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-024-69052-9
