本文要点
本文提出了一种通过控制超表面单元格的手性来动态控制极化转换和不对称传输特性的方法。手性是通过射频PIN二极管开关控制的，这些开关可以打开或关闭以改变单元格的手性状态。当开关关闭时，单元格具有手性，超表面能够实现极化转换和不对称传输；当开关打开时，单元格变为非手性，超表面则失去这些特性。同时设计了两种类型的单元格（A和B），并在CST Studio Suite中进行了模拟，展示了在4.25-5.75 GHz频段内的特性。通过制造一个10×10的超表面原型，并使用PIN二极管进行实验，验证了理论模拟结果。实验结果表明，超表面在开关不同状态时，其极化转换和不对称传输特性表现出显著变化。此外，还探讨了超表面在不同入射角度和圆极化波情况下的响应，证明了其在不同条件下的鲁棒性。
研究背景
超表面是一种二维材料，其单元格的周期性仅在一个平面内。这种材料通过其单元格的手性（即镜像不对称性）可以实现极化转换，即将入射波的极化状态改变。早期研究已经展示了如何利用手性结构来实现极化转换和不对称传输。例如，通过破坏电磁波传播方向的对称性，可以使得超表面对线性或圆极化波表现出不同的传输特性。此外，已有研究通过使用PIN二极管等电子元件来动态调整超表面的极化转换特性。然而，目前还没有研究尝试设计一种能够通过电子控制手段在极化转换开启和关闭状态之间切换的超表面。本文正是在这一背景下，提出了一种通过控制单元格手性来动态控制超表面极化转换和不对称传输特性的新方法。
研究内容
图1.(a) A和(b) B这两个超表面单元格的变体，黄色区域是Copper，天蓝色区域是Arlon AD-430(有损)。L = 14.465 mm, W = 2 mm, G = 0.15 mm, G1 = 2.3 mm, L1 = 26.3 mm, W1 = 4 mm, G2 = 1.917 mm, G3 = 0.35 mm。
图2.当PIN二极管开关为OFF时，单位电池的交叉偏振透过率图。
图3.打开和关闭开关对单位电池A和B的(a)交叉极化和(b)共极化透射率值的影响。
图4.在开关OFF和开关ON条件下，1.5倍缩放版本的单位电池B的交叉偏振透过率曲线。
图5.(a)制造的超表面。(b) TE和TM入射场方向。
图6.模拟开关状态与实测开关状态的比较。
图7.测量了PIN二极管开关在开、关条件下所制备的超表面的角稳定性。
图8.(a) RHCP波和(b) LHCP波正入射时的共极化和交叉极化透射率曲线。
总结与展望
本文通过控制超表面单晶的手性来控制超表面的极化转换和不对称传输特性。手性由可切换PIN二极管控制。这种现象在原始单元格的缩放版本中也会被注意到。当入射电磁波为圆极化时，也存在偏振转换开关特性。超表面运行良好，即使为60◦的入射波角。
文献详情
doi:10.2528/PIERL24040204
