解决电磁器件极化敏感新方法 | 西北工业大学黄维院士、空军工程大学许河秀教授团队新进展

西北工业大学黄维院士、空军工程大学许河秀教授团队提出了一种解决电磁器件极化敏感的理论方法，证明通过该方法设计的超薄表面可以实现不受探测电磁波极化影响的电磁欺骗效果，相关成果以” Deterministic Approach to Achieve Full-Polarization Cloak” 为题发表在Research上（Research, 2021 DOI: 10.34133/2021/6382172）

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研究背景

不受照射电磁波极化影响的空间电磁器件（极化免疫）在雷达天线、天线罩、极化器和隐身领域具有广泛应用。

全极化超表面电磁波前调控预示着无论激励电磁波的极化取向，具有任意曲率和形状的器件中每个单元都能保持稳定的极化、幅度和相位信息（图1）。

但依靠谐振而获取突变相位的亚比长单元在特定极化下往往表现出完全不同的幅度和相位响应，使得全极化器件设计面临巨大挑战。如何突破器件的极化敏感特性是长期困扰人们的关键科学问题。

图1 任意目标全极化电磁欺骗器件的功能原理与基于3D打印技术的四步实现流程，任意曲率平台通过3D打印成形，不同曲率的金属超表面结构通过超薄柔性介质板一体化刻蚀成形，全文以三角劈平台为例

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研究进展

基于各向同性超表面单元设计的波前调控器件在有限极化角的线极化电磁波激发下能够维持稳定的电磁功能，但在圆极化波照射下并不能保持旋向，尤其在反射体系下由于电磁波传输方向发生逆转而使得旋向发生改变，不能实现真正的全极化。

基于各项异性超表面单元的传统设计方法由于正交旋向下的几何相位发生正负翻转，波前调控不可能同时满足。

为进行验证，基于传统方法和各向异性耶路撒冷结构设计了地面电磁欺骗功能器件，可以观察到正交旋向下完全不同的散射效果（图2）。

综上，通过局部各向异性单元设计解决极化免疫难题行不通。

图2 基于传统几何贝尔相位方法的极化敏感地面电磁欺骗功能器件与10.5 GHz处的电磁特性。超表面单元为耶路撒冷结构，器件在右旋圆极化波下能完美恢复平面波前和单波束后向散射，而在左旋圆极化波下波前紊乱，产生了多个散射波束

西北工业大学黄维院士、空军工程大学许河秀教授团队大胆假设，如果在正交旋向圆极化通道下实现2套相同相位，而任意极化状态的激励电磁波又可分解为左、右旋圆极化波的线性叠加，那么激发电磁响应也应该是两者的线性叠加，理论上可以实现极化不敏感电磁功能。

为验证假设，首先，在各向异性超表面单元体系下推导了正交旋向圆极化通道下合成2套相同全局功能相位所需要的传输相位和几何相位；其次综合反演出器件的拓扑结构，包括局部各单元结构参数和旋转方位角。

为验证理论方法的正确性，首先基于三角劈平台设计了电磁欺骗功能器件，将30°张角的三角劈伪装成其它目标的电磁散射特性。

以15°张角三角劈为例，所有典型极化下，器件具有与15°张角三角劈相同的倾斜散射角度、波前和强度，实现了完美欺骗隐身（图3）。

图3 基于本文全局相位合成的全极化三角劈电磁欺骗功能器件与14 GHz处、典型极化下的FDTD计算近场、远场散射特性

接着以地面为例设计了地面电磁欺骗功能器件，在所有典型极化下，三角劈器件具有与地面完全相同的后向散射角度、波前和强度（图4和图5）。

图4 基于本文全局相位合成的全极化地面电磁欺骗功能器件与14 GHz处、典型极化下的FDTD计算近场、远场散射特性

图5 基于本文全局相位合成的全极化地面电磁欺骗功能器件样品与14.5 GHz处、典型极化下的测试近场分布

最后，在大角度情形下设计了全极化地面电磁欺骗功能器件，以θ=30°倾斜入射为例，所有典型极化下，三角劈器件具有与地面类似的镜像散射角度（θ=-30°）、波前和强度（图6）。

图6 基于本文全局相位合成的大角度地面电磁欺骗功能器件与14 GHz处、典型极化下的FDTD计算近场、远场散射特性

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未来展望

本研究的全局相位合成方法解决了器件的全极化工作问题，具有鲁棒性和确定性，在雷达天线、天线罩和隐身领域具有重要应用价值。

尽管如此，作为原理验证，本研究依托三角劈平台设计和实现的器件仅在某个特定方位面实现了全极化工作特性，需进一步向设计更为复杂和实现更具挑战的任意方位面推进，实现三维全极化电磁欺骗隐身器件，推动走向实际应用。

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作者简介

黄维，中国科学院院士斯科学院外籍院士、亚太工程组织联合会主席。有机电子、塑料电子、印刷电子、生物电子及柔性电子学家。

他是国际上最早从事高分子发光二极管显示研究并长期活跃在有机电子学、柔性电子学领域的世界一流学者，是中国有机电子学科、塑料电子学科和柔性电子学科的奠基人与开拓者。

在柔性电子学领域，以通讯或第一作者身 份在世界顶尖期刊Nature、Nature Materials等发表研究论文860余篇，国际同行引用逾90000次，是材料科学与化学领域全球高被引学者。

许河秀现为空军工程大学教授/博导，校多功能电磁集成技术科技创新工作站首席专家，陕西省高校创新团队负责人，国家人才计划入选者，英国工程技术学会会士（Fellow）。

主要研究领域包括超材料/超表面电磁调控与功能器件应用研究。

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