圆极化波反射折射特性原理图(精)
可重构太赫兹石墨烯极化转换超表面
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３１１４．２０２２．０２．００４引用格式：司黎明，汤鹏程，吕昕．可重构太赫兹石墨烯极化转换超表面［Ｊ］．无线电通信技术，２０２２，４８（２）：２３３－２４０．［ＳＩＬｉｍｉｎｇ，ＴＡＮＧＰｅｎｇｃｈｅｎｇ，ＬＹＵＸｉｎ．ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＴｅｒａｈｅｒｔｚＧｒａｐｈｅｎｅＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＭｅｔａｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．ＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉ⁃ｃａｔｉｏｎｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２２，４８（２）：２３３－２４０．］可重构太赫兹石墨烯极化转换超表面司黎明，汤鹏程，吕㊀昕（北京理工大学集成电路与电子学院／毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室，北京１０００８１）摘㊀要：提出了一款基于石墨烯的太赫兹超表面单元，该单元能够对圆极化入射波起到极化转换的作用㊂通过调节石墨烯的化学势能，超表面单元的反射特性会发生改变㊂在此基础上，根据几何相位以及异常反射原理，利用超表面单元的相位调制特性，构建了３组不同相位梯度的超表面，并对不同化学势能条件下的近场特性进行了电磁仿真研究㊂更进一步，又利用超表面单元构成了１ｂｉｔ编码超表面㊂改变石墨烯的化学势能，可以对其散射远场方向图起到调控作用㊂该款基于石墨烯的太赫兹超表面单元为灵活调控太赫兹波提供了新的思路，未来有望应用到太赫兹频段上可重构智能超表面的构建当中㊂关键词：太赫兹；超表面；石墨烯；可重构；异常反射中图分类号：ＴＰ３９１．４㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：文章编号：１００３－３１１４（２０２２）０２－０２３３－０８ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＴｅｒａｈｅｒｔｚＧｒａｐｈｅｎｅＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＭｅｔａｓｕｒｆａｃｅＳＩＬｉｍｉｎｇ，ＴＡＮＧＰｅｎｇｃｈｅｎｇ，ＬＹＵＸｉｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒＷａｖｅａｎｄＴｅｒａｈｅｒｔｚＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｅｒａｈｅｒｔｚｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｕｎｉｔｂａｓｅｄｏｎｇｒａｐｈｅｎｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎｒｅａｌｉｚｅｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｂｙａｄｊｕｓ⁃ｔｉｎｇｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙｏｆｇｒａｐｈｅｎｅ，ｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｕｎｉｔｗｉｌｌｃｈａｎｇｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｇｅｏｍｅｔｒｉｃｐｈａｓｅａｎｄａｎｏｍａｌｏｕｓｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｒｅｅｇｒｏｕｐｓｏｆｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｈａｓｅｇｒａｄｉｅｎｔｓａｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｉｒｎｅａｒ⁃ｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈｅｍｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｗｈａｔ ｓｍｏｒｅ，ａ１⁃ｂｉｔｃｏｄｅｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙｏｆｇｒａｐｈｅｎｅ，ｔｈｅｆａｒ⁃ｆｉｅｌｄｐａｔｔｅｒｎｃｏｕｌｄｂｅｒｅｇｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｉｓｇｒａｐｈｅｎｅｔｅｒａｈｅｒｔｚｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｕｎｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｗｉｄｅａｆｏｒｆｌｅｘｉｂｌｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｅｒａｈｅｒｔｚｗａｖｅｓ，ａｎｄｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｉｎｔｅｒａｈｅｒｔｚｂａｎｄｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｒａｈｅｒｔｚ；ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ；ｇｒａｐｈｅｎｅ；ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ；ａｎｏｍａｌｏｕｓｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ收稿日期：２０２２－０１－１９基金项目：国家重点基础研究项目（２０１９⁃ＪＣＪＱ⁃３４９）；国家重点研发计划（２０１８ＹＦＦ０２１２１０３）；国家自然科学基金（６１５２７８０５）；高等学校学科科研创新引智计划项目（Ｂ１４０１０）；北京理工大学国际合作项目（ＢＩＴＢＬＲ２０２００１４）ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＩｔｅｍ：ＮａｔｉｏｎａｌＰｒｏｇｒａｍｏｎＫｅｙＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔ（２０１９⁃ＪＣＪＱ⁃３４９）：ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（２０１８ＹＦＦ０２１２１０３）；ＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（６１５２７８０５）；ＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎＤｉｓｃｉｐｌｉｎｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎａ（Ｂ１４０１０）；ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｏｐｅｒａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＢａｓｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＢＩＴＢＬＲ２０２００１４）０ 引言电磁超表面是一种由亚波长单元结构周期排布在二维平面上，形成的平面型人工复合电磁材料［１－２］，可以通过改变其结构自由设计等效电磁参数，从而实现对电磁波灵活多样的调控㊂超表面的形式一旦确定，功能就被确定，不能实时可调㊂可重构智能超表面（ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅ，ＲＩＳ）的概念近来被提出［３］，能够解决这一问题㊂通过对表面中每个单元的相位㊁幅度或极化等电磁特性的单独控制，可以实现以编程的方式调控电磁波的效果，为物理电磁世界和信息科学世界之间的连接提供了接口㊂ＲＩＳ以其对无线电磁环境的调控，有望成为未来６Ｇ通信的关键技术㊂现阶段关于ＲＩＳ的研究处于起步，主要集中于信道模型的建立和理论分析［４－１１］，对结构的研究较少，并且大部分是关于低频段超材料结构的研究［１２－１５］㊂太赫兹通信是未来无线通信发展的必然趋势［１６］，寻找一种在太赫兹频段具有可调特性的结构具有重要现实意义㊂石墨烯作为一种新兴的晶格结构材料，拥有载流子迁移率高㊁机械强度大㊁可调谐性能强等优点，在太赫兹领域中存在巨大的应用潜力［１７－２２］㊂本文基于石墨烯的电导率可调特性，设计了一款在太赫兹频段动态可调的超表面单元，并利用其组成具有近场调控特性的异常反射超表面，以及远场方向图可重构的１ｂｉｔ编码超表面㊂１ 基于石墨烯的超表面单元设计在没有外置偏置磁场的条件下，红外线频率以下波段上石墨烯的导电特性主要由带内跃迁产生，其等效电导率可以由简化的Ｋｕｂｏ公式［２３］计算得出：σ＝ｉω＋ｉτ－１ｅ２πћ２㊃２ｋＢＴ㊃ｌｎ２ｃｏｓｈμ２ｋＢＴ()[]，（１）式中，ω表示角频率，τ表示弛豫时间，ｅ表示基本电荷常数，ћ表示普朗克常数，ｋＢ表示玻尔兹曼常数，Ｔ表示温度，μ表示化学势能㊂超表面单元是构成超表面的基本结构㊂本文设计的超表面单元如图１所示，具体的结构参数如表１所示，长宽分别为ｐ，由两层高度分别为ｈ１和ｈ２的ＴＯＰＡＳ介质基板支撑㊂ＴＯＰＡＳ多聚物（相对介电常数εｒ为２．３４，损耗角正切为０．００００７）在太赫兹频段上能够保持稳定的介电常数，并且拥有较低的吸收损耗，是理想的太赫兹介质基板材料［２４］㊂最上层的金属贴片和最下层的金属地板均为Ａｇ（电导率为４．５６ˑ１０７Ｓ／ｍ）材质，金属贴片由金属环和工字形结构构成㊂两层介质基板中间为１０ｎｍ厚的石墨烯层，分别从石墨烯层与金属地板层引出电极，在两者之间设置偏置电路，通过控制偏置电压以实现对石墨烯化学势能的调控㊂该超表面单元的金属贴片结构沿ｕ轴和ｖ轴两方向上表现出各向异性的特点，对沿这两个方向极化垂直入射的电磁波将会产生不同的电磁响应㊂由于沿－ｚ轴方向垂直入射的圆极化电磁波可以分解成ｕ轴和ｖ轴两个方向上等幅度的极化分量，当这两个分量的反射相位相差奇数倍π时，将会发生极化转换的现象㊂（ａ）主视图㊀（ｂ）爆炸图图１㊀超表面单元结构示意图Ｆｉｇ．１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｕｎｉｔ表１㊀结构参数Ｔａｂ．１㊀Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ参数ａｂｃｗｈ１ｈ２ｐ数值／μｍ５８３０４４６１０４７１２０在温度２７３Ｋ，石墨烯层化学势能为０ｅＶ，弛豫时间为０．１ｐｓ的条件下，对于沿－ｚ轴方向入射的右旋极化电磁波，所设计的超表面单元具备如图２所示的反射特性㊂图２㊀化学势能为０ｅＶ条件下，超表面单元反射幅度曲线Ｆｉｇ．２㊀Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｃｈｅｍｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙｏｆ０ｅＶ一般情况下，右旋圆极化入射的电磁波经过金属面的反射，传输方向改变，电场的旋向不会变，反射波变为左旋圆极化波㊂而经过具备极化转换功能的超材料反射后，反射波依然为右旋圆极化波㊂在０．９４ １．４８ＴＨｚ频段，右旋圆极化波反射率大于７５％，相对带宽４５％㊂极化转换率（ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＲａｔｅ，ＰＣＲ）是衡量超表面单元极化转换性能的指标［２５］，对于右旋圆极化波入射的情况，极化转换率由可以下公式计算得出：ＰＣＲ＝Ｒ２ＲＲＲ２ＲＲ＋Ｒ２ＬＲ㊂（２）图３展示了该超表面单元的极化转换率，０．９３ １．５ＴＨｚ频段之间极化转换率高于７０％㊂其中０．９７㊁１．２５和１．４７ＴＨｚ三个频点极化转换率接近于１００％，分别为９６％㊁９８％和９６％㊂图３㊀化学势能为０ｅＶ条件下，超表面单元的极化转换率Ｆｉｇ．３㊀ＰＣＲｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｃｈｅｍｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙｏｆ０ｅＶ因为本文所设计的超表面单元能够对于垂直入射的圆极化波能起到极化转换作用㊂根据几何相位原理［２６］，通过对超表面单元围绕ｚ轴旋转，可以实现对交叉圆极化波反射相位的调控㊂图４给出了围绕ｚ轴逆时针不同旋转角度下，右旋圆极化反射波（右旋圆极化波入射的情况下）的反射相位㊂当超表面单元旋转φ角度时，右旋圆极化波的反射相位产生接近２φ的稳定相位变化，与理论相符㊂图４㊀不同旋转角度条件下，超表面单元的反射相位曲线Ｆｉｇ．４㊀Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｐｈａｓｅｏｆｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｔａｔｉｏｎａｎｇｌｅｓ上述将超表面单元围绕ｚ轴旋转的方式仅仅是对单元贴片进行旋转，并没有保留超表面原本的晶格排列方式㊂超表面单元之间耦合特性的改变，会对反射性能产生影响㊂为了保持耦合特性的稳定，本文在该超表面单元的设计过程中引入了金属圆环㊂图５给出了不同旋转角度下，右旋圆极化波的反射系数，反射曲线几乎重合，具备极强的稳定性㊂由此可见金属圆环的引入确实带来了性能上的改善，超表面单元之间耦合特性基本上不会因为贴片的旋转而改变㊂图５㊀不同旋转角度条件下，超表面单元的反射幅度曲线Ｆｉｇ．５㊀Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｔａｔｉｏｎａｎｇｌｅｓ２ 超表面单元可调特性研究图６研究了不同化学势能条件下，对于沿－ｚ轴方向垂直入射的右旋圆极化波，超表面单元的右旋圆极化波反射特性㊂随着化学势能的提高，右旋圆极化波反射率不断降低㊂当化学势能大于０．８ｅＶ时，超表面单元工作频带内右旋圆极化反射率低于２０％㊂由此可见，通过控制石墨烯的化学势能，可以实现对超表面单元性能的调控㊂图６㊀不同化学势能条件下，右旋圆极化波反射幅度Ｆｉｇ．６㊀Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｒｉｇｈｔ⁃ｈａｎｄｅｄｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｗａｖｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈｅｍｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙ为了探究右旋圆极化反射场强度随化学势能的提高而降低的原因，本文对不同化学势能条件下该超表面单元的极化转换率和吸波率进行了研究㊂由图７可以看出，极化转换率会随化学势能的提高而急剧下降㊂当化学势能提升至０．３ｅＶ，０．６ １．８ＴＨｚ整个频带内极化转换率均低于５０％㊂当化学势能高于０．７ｅＶ，该超表面单元几乎不具备极化转换的能力㊂化学势能的提高会使得石墨烯的电导率提高，石墨烯层相当于一层金属壁，破坏了金属贴片与金属地板之间的多重反射关系，因而极化转换率会降低㊂图７㊀不同化学势能条件下，超表面单元的极化转换率Ｆｉｇ．７㊀ＰＣＲｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈｅｍｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙ因为该超表面单元具有极化转换特性，计算吸波率需要考虑交叉极化分量㊂吸波率（ＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＲａｔｅ，ＡＲ）可由以下公式［２７］计算得出：ＡＲ＝１－Ｒ２ＬＲ－Ｒ２ＲＲ㊂（３）图８展示了超表面单元的吸波特性㊂当化学势能为０ｅＶ时，超表面单元吸波率接近于０㊂当向石墨烯层施加偏置电压，化学势能不为０时，超表面单元开始具备吸波特性㊂化学势能增加的过程中，吸波带宽不断变宽㊂在１．６ＴＨｚ频点附近，出现了一段吸波峰，吸波率高于７０％，并且吸收峰会随化学势能的提高而发生蓝移㊂偏置电压使得石墨烯具备导电特性，电磁波会在石墨烯层上产生传导电流，进而产生焦耳损耗，超表面单元具备了吸波特性㊂图８㊀不同化学势能条件下，超表面单元的吸波率Ｆｉｇ．８㊀ＡＲｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈｅｍｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙ从对超表面单元的极化转换率和吸波率的研究中，可以得知，石墨烯层对极化转换条件的破坏和电磁能量的吸收，共同导致右旋圆极化反射场的电场强度会随化学势能的提高而降低㊂３ 梯度相位超表面由上文可知，通过旋转超表面单元，可以实现对圆极化反射波的相位调控㊂当具备梯度反射相位的超表面单元组合在一起时，超表面能够改变电磁波的正常传输方向㊂这种物理现象被称作为异常反射，其满足广义斯涅尔反射定律［２８］：ｎｒｓｉｎθｒ－ｎｉｓｉｎθｉ＝λ０２πｄφｄｘ，（４）式中，θｒ和θｉ分别为反射角和入射角（与超表面法线方向的夹角），ｎｉ为介质的折射率，ｄφ／ｄｘ表示单位长度上反射相位的变化㊂如果以等周期形式排列形成梯度相位超表面，广义斯涅尔反射公式可以进一步简化㊂通过以下公式能够计算出反射角度：θｒ＝ａｒｃｓｉｎλ０Ｌæèçöø÷，（５）式中，Ｌ表示周期长度㊂实际设计过程中Ｌ不能小于波长，否则将会产生表面波㊂由于超表面由具有离散反射相位的超表面单元构成，Ｌ＝ｎｐ，ｐ表示单元的晶格长度，ｎ表示一个相位变化周期的单元个数㊂本文考虑了ｎ＝３，４，６的３种排布情况，按照如图９所示的相位排布形式完成３０ˑ３０阵面规模的超表面构建，通过旋转单元完成反射相位沿ｘ轴方向的梯度离散变化㊂利用式（４）计算出理论反射角度分别为４４．９８ʎ㊁３１．３４ʎ和２０．３ʎ㊂在激励为沿－ｚ轴方向传播的右旋圆极化平面波的条件下进行仿真，图１０为１．２ＴＨｚ频点超表面附近右旋圆极化瞬时电场分布图㊂ｎ＝３，４，６的３种排布下，反射角度分别为４４．５ʎ㊁３１ʎ和２０ʎ，与理论值保持一致㊂此外，本文还研究了不同化学势能条件下，反射电磁波的近场分布情况㊂当化学势能为０ｅＶ，右旋圆极化电磁波的电场强度的幅度分别为１．２４Ｖ／ｍ㊁１．１５Ｖ／ｍ和１．０６Ｖ／ｍ；当化学势能提高到０．５ｅＶ，电场强度为０．３８Ｖ／ｍ㊁０．３７Ｖ／ｍ和０．４Ｖ／ｍ㊂化学势能继续提高，当化学势能为１ｅＶ时，反射场的强度接近０．２Ｖ／ｍ㊂（ａ）排布形式ｎ＝３㊀㊀（ｂ）排布形式ｎ＝４㊀㊀（ｃ）排布形式ｎ＝６（ｄ）局部结构ｎ＝３㊀㊀（ｅ）局部结构ｎ＝４㊀㊀（ｆ）局部结构ｎ＝６图９㊀梯度超表面相位排布形式及局部结构Ｆｉｇ．９㊀Ｐｈａｓｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔａｎｄｌｏｃａｌｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｇｒａｄｉｅｎｔｐｈａｓｅ（ａ）化学势能为０ｅＶ，ｎ＝３㊀（ｂ）化学势能为０．５ｅＶ，ｎ＝３㊀（ｃ）化学势能为１ｅＶ，ｎ＝３（ｄ）化学势能为０ｅＶ，ｎ＝４（ｅ）化学势能为０．５ｅＶ，ｎ＝４㊀（ｆ）化学势能为１ｅＶ，ｎ＝４（ｇ）化学势能为０ｅＶ，ｎ＝６（ｈ）化学势能为０．５ｅＶ，ｎ＝６㊀（ｉ）化学势能为１ｅＶ，ｎ＝６图１０㊀不同化学势能条件下，超表面近场特性Ｆｉｇ．１０㊀Ｎｅａｒｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈｅｍｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙ㊀㊀由石墨烯构建的反射型各向异性超材料组成的梯度相位可重构超表面，可以通过控制石墨烯的化学势能，实现对反射波的幅度调控㊂偏置电压控制化学势能具有极快的响应速率［２９］，可满足时域幅度编码的要求㊂而通过改变超表面的反射相位梯度，又能够实现对电磁波反射角度的调控㊂两种调控方式相结合，为ＲＩＳ时空联合编码硬件平台的构建提供了一种新思路㊂４㊀散射方向图可重构超表面编码超表面调控电磁波的原理基于天线阵列原理，编码超表面由反射相位不同的超表面单元构成㊂对于垂直入射的平面波，编码超表面的散射远场函数［２７］为：㊀ｆ（θ，φ）＝ｆｅ（θ，φ）ðＮｍ＝１ðＮｎ＝１ｅｘｐ｛－ｉ｛ψ（ｍ，ｎ）＋ＫＤｓｉｎθ［（ｍ－１２）ｃｏｓφ＋（ｎ－１２）ｓｉｎφ］｝｝，（６）式中，θ为俯仰角，φ为方位角（超表面与地面平行），ψ（ｍ，ｎ）为每个单元的反射相位，Ｄ为单元间距，Ｋ为相位常数㊂由反射相位相差π的两种超表面单元，以数字 ０ 和 １ 表示这两个单元，通过编码构成阵面，该超表面被称作为１ｂｉｔ编码超表面［３０］㊂图１１为本文设计的１ｂｉｔ编码超表面的结构示意图，由３０ˑ３０个超表面单元构成㊂通过将单元绕ｚ轴旋转９０ʎ的方式，实现π反射相位差㊂沿ｘ轴和ｙ轴方向每５个单元一组构成棋盘式排布阵面㊂（ａ）相位排布形式㊀（ｂ）局部结构图１１㊀１ｂｉｔ编码超表面相位排布形式及局部结构Ｆｉｇ．１１㊀Ｐｈａｓｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔａｎｄｌｏｃａｌｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄ１ｂｉｔｃｏｄｅｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ图１２展示了０ｅＶ㊁０．２ｅＶ和１ｅＶ三组化学势能条件下，右旋圆极化平面波沿－ｚ轴垂直入射时，超表面的远场散射方向图㊂当化学势能为０ｅＶ时，散射方向图为与超表面法线方向夹角１７．８ʎ的四方向对称波束；化学势能提高到０．２ｅＶ，法线方向出现了第５个波束，而其余４个波束散射强度降低；当化学势能为１ｅＶ，超表面单元不具备极化转换的能力，仅剩下法向指向的左旋圆极化波束㊂（ａ）化学势能为０ｅＶ（ｂ）化学势能为０．２ｅＶ（ｃ）化学势能为１ｅＶ图１２㊀不同化学势能条件下，超表面远场散射图Ｆｉｇ．１２㊀Ｆａｒｆｉｅｌｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｅｒｇｙ５㊀结束语本文基于石墨烯设计的超表面单元具备动态可调谐特性㊂通过改变石墨烯层的化学势能，在０．８ １．６ＴＨｚ频段之间，交叉圆极化反射率能够在２０％ ８０％之间变化㊂利用该特性，本文将该单元应用于梯度相位超表面以及１ｂｉｔ编码超表面的设计中㊂在不同化学势能条件下，梯度相位超表面对应的反射波电场幅度动态可调，１ｂｉｔ编码超表面的远场散射方向图可以在单波束㊁４波束和５波束之间切换㊂数值仿真与理论计算结果一致性较好，证明了该设计方案的有效性㊂基于石墨烯的可重构超表面对太赫兹电磁波近场和远场具有优异调控性能，对于未来太赫兹频段上ＲＩＳ的构建具备启发性作用㊂参考文献［１］㊀ＨＯＬＬＯＷＡＹＣＬ，ＫＵＥＳＴＥＲＥＥ，ＧＯＲＤＯＮＪＡ，ｅｔａｌ．ＡｎＯｖｅｒｖｉｅｗｏｆｔｈｅＴｈｅｏｒｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＭｅｔａｓｕｒ⁃ｆａｃｅｓ：ＴｈｅＴｗｏ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＥｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｏｆＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＡｎｔｅｎｎａｓａｎｄＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＭａｇａｚｉｎｅ，２０１２，５４（２）：１０－３５．［２］㊀ＹＵＮ，ＣＡＰＡＳＳＯＦ．ＦｌａｔＯｐｔｉｃｓｗｉｔｈＤｅｓｉｇｎｅｒＭｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，１３（２）：１３９－１５０．［３］㊀ＬＩＬＬ，ＣＵＩＴＪ，ＪＩＷ，ｅｔａｌ．ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＲｅｐｒｏｇｒａｍ⁃ｍａｂｌｅＣｏｄｉｎｇ⁃ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅＨｏｌｏｇｒａｍｓ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕ⁃ｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１７，８（１）：１９７．［４］㊀ＷＡＮＧＪＨ，ＴＡＮＧＷＫ，ＨＡＮＹ，ｅｔａｌ．ＩｎｔｅｒｐｌａｙｂｅｔｗｅｅｎＲＩＳａｎｄＡＩｉｎＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄＯｐｅｎＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｂｌｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｎＳｅｌｅｃｔｅｄＡｒｅａｓｉｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０２１，３９（８）：２２７１－２２８８．［５］㊀ＡＬＳＡＢＡＨＭ，ＮＡＳＥＲＭＡ，ＭＡＨＭＭＯＤＢＭ，ｅｔａｌ．６ＧＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＮｅｔｗｏｒｋｓ：ＡＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＳｕｒｖｅｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥＡｃｃｅｓｓ，２０２１，９：１４８１９１－１４８２４３．［６］㊀ＹＩＬＤＩＲＩＭＩ，ＵＹＲＵＳＡ，ＢＡＳＡＲＥ．ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅｓｆｏｒＩｎｄｏｏｒａｎｄＯｕｔｄｏｏｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＦｕｔｕｒｅＷｉｒｅｌｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０２１，６９（２）：１２９０－１３０１．［７］㊀ＫＨＡＬＥＥＬＡ，ＢＡＳＡＲＥ．ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅ⁃ｅｍｐｏｗｅｒｅｄＭＩＭＯＳｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＳｙｓｔｅｍｓＪｏｕｒｎａｌ，２０２１，１５（３）：４３５８－４３６６．［８］㊀ＬＩＹ，ＸＩＯＮＧＪ，ＮＧＤＷＫ，ｅｔａｌ．ＥｎｅｒｇｙＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＴｒａｄｅｏｆｆｉｎＲｉｓ⁃ａｉｄｅｄＭｕｌｔｉｕｓｅｒＭＩＭＯＵｐｌｉｎｋＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２０２１，６９：１４０７－１４２１．［９］㊀ＱＩＡＮＸＷ，ＤＩＲＥＮＺＯＭ，ＬＩＵＪ，ｅｔａｌ．ＢｅａｍｆｏｒｍｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅｓｉｎＳｉｎｇｌｅ⁃ｕｓｅｒＭｉｍｏＳｙｓｔｅｍｓ：ＳＮＲＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄＳｃａｌｉｎｇＬａｗｓｉｎｔｈｅＰｒｅｓｅｎｃｅｏｆＣｈａｎｎｅｌＦａｄｉｎｇａｎｄＰｈａｓｅＮｏｉｓｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＬｅｔｔｅｒｓ，２０２１，１０（１）：７７－８１．［１０］ＰＥＲＯＶＩＣＮＳ，ＴＲＡＮＬＮ，ＤＩＲＥＮＺＯＭ，ｅｔａｌ．ＡｃｈｉｅｖａｂｌｅＲａｔｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＭＩＭＯＳｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０２１，２０（６）：３８６５－３８８２．［１１］ＷＩＬＤＴ，ＢＲＡＵＮＶ，ＶＩＳＷＡＮＡＴＨＡＮＨ．ＪｏｉｎｔＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄＳｅｎｓｉｎｇｆｏｒｂｅｙｏｎｄ５Ｇａｎｄ６ＧＳｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＡｃｃｅｓｓ，２０２１，９：３０８４５－３０８５７．［１２］ＨＥＪＨ，ＷＡＮＧＳＱ，ＬＩＸＷ，ｅｔａｌ．ＡＢｒｏａｄｂａｎｄＲｅｃｏｎ⁃ｆｉｇｕｒａｂｌｅＬｉｎｅａｒ⁃ｔｏ⁃ＣｉｒｃｕｌａｒＰｏｌａｒｉｚｅｒ／ＲｅｆｌｅｃｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＰＩＮＤｉｏｄｅｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃａＳｃｒｉｐｔａ，２０２１，９６（１２）：１２５８４６．［１３］ＳＩＮＧＨＨ，ＭＩＴＴＡＬＮ，ＧＵＰＴＡＡ，ｅｔａｌ．ＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌＩｎｔｅ⁃ｇｒａｔｅｄＦｏｌｄｅｄＤｉｐｏｌｅＡｎｔｅｎｎａｗｉｔｈＬｏｗＳＡＲｆｏｒ４Ｇ，５ＧａｎｄＮＢ⁃ＩｏＴＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０２１，１０（２１）：２６１２．［１４］盛丽丽，曹卫平，梅立荣，等．基于数字超表面的低剖面波束控制天线［Ｊ］．电波科学学报，２０２１，３６（６）：９３８－９４６．［１５］张磊，陈晓晴，郑熠宁，等．电磁超表面与信息超表面［Ｊ］．电波科学学报，２０２１，３６（６）：８１７－８２８．［１６］ＷＡＮＺＷ，ＧＡＯＺ，ＧＡＯＦＦ，ｅｔａｌ．ＴｅｒａｈｅｒｔｚＭａｓｓｉｖｅＭＩＭＯｗｉｔｈＨｏｌｏｇｒａｐｈｉｃＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０２１，６９（７）：４７３２－４７５０．［１７］ＺＨＡＮＧＹ，ＴＡＮＹＷ，ＳＴＯＲＭＥＲＨＬ，ｅｔａｌ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＱｕａｎｔｕｍＨａｌｌＥｆｆｅｃｔａｎｄＢｅｒｒｙ ｓＰｈａｓｅｉｎＧｒａｐｈｅｎｅ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，２００５，４３８（７０６５）：２０１－２０４．［１８］ＭＡＹＯＲＯＶＡＳ，ＧＯＲＢＡＣＨＥＶＲＶ，ＭＯＲＯＺＯＶＳＶ，ｅｔａｌ．ＭｉｃｒｏｍｅｔｅｒＳｃａｌｅＢａｌｌｉｓｔｉｃＴｒａｎｓｐｏｒｔｉｎＥｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＧｒａｐｈｅｎｅａｔＲｏｏｍＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．ＮａｎｏＬｅｔｔｅｒｓ，２０１１，１１（６）：２３９６－２３９９．［１９］ＫＯＰＰＥＮＳＦ，ＣＨＡＮＧＤＥ，ＡＢＡＪＯＦＤ．ＧｒａｐｈｅｎｅＰｌａｓ⁃ｍｏｎｉｃｓ：ＡＰｌａｔｆｏｒｍｆｏｒＳｔｒｏｎｇＬｉｇｈｔＭａｔｔｅｒＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＮａｎｏＬｅｔｔｅｒｓ，２０１１，１１（８）：３３７０－３３７７．［２０］ＬＩＺ，ＨＵＡＮＧＴ，ＬＩＵＧＢ，ｅｔａｌ．ＡＴｕｎａｂｌｅＵｌｔｒａ⁃Ｂｒｏａｄ⁃ｂａｎｄＬｉｎｅａｒ⁃ｔｏ⁃ＣｉｒｃｕｌａｒＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＣｏｎｖｅｒｔｅｒＣｏｎｔａｉｎｉｎｇｔｈｅＧｒａｐｈｅｎｅ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１９，４３６：７－１３．［２１］ＧＨＯＳＨＳＫ，ＤＡＳＳ，ＢＨＡＴＴＡＣＨＡＲＹＹＡＳ．Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｖｅ⁃ｔｙｐｅＴｒｉｐｌｅ⁃ｂａｎｄＬｉｎｅａｒｔｏＣｉｒｃｕｌａｒＰｏｌａｒｉｚａ⁃ｔｉｏｎＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｎＴＨｚＲｅｇｉｏｎＵｓｉｎｇＧｒａｐｈｅｎｅ⁃ｂａｓｅｄＭｅｔａｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０２０，４８０：１２６４８０．［２２］ＧＵＡＮＳ，ＣＨＥＮＧＪＲ，ＣＨＥＮＴ，ｅｔａｌ．ＷｉｄｅｌｙＴｕｎａｂｌｅＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｎＬｏｗ⁃ｄｏｐｅｄＧｒａｐｈｅｎｅ⁃ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃＭｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓＢａｓｅｄｏｎＰｈａｓｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２０２０，４５（７）：８－１２．［２３］ＨＡＮＳＯＮ，ＧＥＯＲＧＥＷ．ＤｙａｄｉｃＧｒｅｅｎ ｓＦｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄＧｕｉｄｅｄＳｕｒｆａｃｅＷａｖｅｓｆｏｒａＳｕｒｆａｃｅＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙＭｏｄｅｌｏｆＧｒａｐｈｅｎｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，２００８，１０３（６）：１９９１２．［２４］ＺＨＡＮＧＹ，ＦＥＮＧＹ，ＺＨＡＯＪ．Ｇｒａｐｈｅｎｅ⁃ｅｎａｂｌｅｄＴｕｎａｂｌｅＭｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒＤｙｎａｍｉｃａｌＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＭａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｏｆＢｒｏａｄｂａｎｄＴｅｒａｈｅｒｔｚＷａｖｅ［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｎ，２０２０，１６３：２４４－２５２．［２５］ＭＵＲＴＡＺＡＭ，ＲＡＳＨＩＤＡ，ＴＡＨＩＲＦＡ．ＡＨｉｇｈｌｙＥｆｆｉｃｉｅｎｔＬｏｗ⁃ｃｏｓｔＲｅｆｌｅｃｔｉｖｅＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＭｅｔａｓｕｒｆａｃｅｆｏｒＬｉｎｅａｒＴｏＬｉｎｅａｒｌｙＣｒｏｓｓ⁃ａｎｄＣｉｒｃｕｌａｒ⁃ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＣｏｎ⁃ｖｅｒｓｉｏｎ［Ｊ］．ＭｉｃｒｏｗａｖｅａｎｄＯｐｔｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ，２０２０，６３（５）：１３４６－１３５３．［２６］唐小燕，柯友煌，井绪峰，等．基于透射型几何相位编码超表面的太赫兹波束自由操控［Ｊ］．光子学报，２０２１，５０（１）：１５０－１６３．［２７］ＬＩＹ，ＬＩＨ，ＷＡＮＧＹ，ｅｔａｌ．ＡＮｏｖｅｌＳｗｉｔｃｈａｂｌｅＡｂｓｏｒｂｅｒ／ＬｉｎｅａｒＣｏｎｖｅｒｔｅｒＢａｓｅｄｏｎＡｃｔｉｖｅＭｅｔａｓｕｒｆａｃｅａｎｄＩｔｓＡｐ⁃ｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＡｎｔｅｎｎａｓａｎｄＰｒｏｐａ⁃ｇａｔｉｏｎ，２０２０，６８（１１）：７６８８－７６９３．［２８］吕欢欢．基于人工电磁表面的天线研究及其可重构设计［Ｄ］．西安：西安电子科技大学，２０２０．［２９］ＣＨＥＮＹ，ＹＩＬ，ＧＵＯＪ，ｅｔａｌ．ＷｉｄｅｂａｎｄＴｕｎａｂｌｅＭｉｄ⁃ｉｎ⁃ｆｒａｒｅｄＣｒｏｓｓＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＣｏｎｖｅｒｔｅｒＵｓｉｎｇＲｅｃｔａｎｇｌｅ⁃ｓｈａｐｅＰｅｒｆｏｒａｔｅｄＧｒａｐｈｅｎｅ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，２０１６，２４（１５）：１６９１３．［３０］崔铁军．电磁超材料 从等效媒质到现场可编程系统［Ｊ］．中国科学：信息科学，２０２０，５０（１０）：１４２７－１４６１．作者简介：㊀㊀司黎明㊀工学博士，副教授㊂主要研究方向：电磁场与微波技术㊂㊀㊀汤鹏程㊀博士研究生㊂主要研究方向：电磁场与微波技术㊂㊀㊀吕㊀昕㊀工学博士，教授㊂主要研究方向：电磁场与微波技术㊂。
圆偏振光反射光偏振态
圆偏振光反射光偏振态圆偏振光是一种特殊的偏振光，它的偏振态与其它类型的偏振光有所不同。
本文将详细介绍圆偏振光的特点及其在反射过程中的表现。
我们来了解一下光的偏振态。
光是一种电磁波，它的电场和磁场振动方向垂直于光的传播方向。
当光的电场振动方向只在一个平面上时，我们称之为偏振光。
根据电场振动方向的不同，偏振光可以分为不同类型，如线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。
圆偏振光的电场振动方向随时间呈圆周运动。
具体来说，当电场振动方向按顺时针方向旋转时，我们称之为右旋圆偏振光；当电场振动方向按逆时针方向旋转时，我们称之为左旋圆偏振光。
右旋和左旋圆偏振光的振动方向相互垂直。
在光的反射过程中，圆偏振光会表现出一些特殊的现象。
首先，当圆偏振光垂直入射到介质表面时，根据菲涅尔公式，一部分光将发生反射，一部分光将发生折射。
与线偏振光类似，入射角的大小和介质的折射率决定了反射光的偏振态。
但与线偏振光不同的是，圆偏振光经过反射后，其偏振态将发生改变。
具体来说，当右旋圆偏振光垂直入射到介质表面时，反射光将变为左旋圆偏振光；反之，当左旋圆偏振光垂直入射到介质表面时，反射光将变为右旋圆偏振光。
这种现象称为圆偏振光的旋光性质。
圆偏振光的旋光性质在实际应用中有着广泛的应用。
例如在显微镜观察中，通过使用偏振光镜和旋光片可以选择性地观察样品中的特定类型的光。
此外，在光学仪器中，圆偏振光的旋光性质也被用于测量物质的旋光度，进而获得物质的光学参数。
除了旋光性质外，圆偏振光的反射还具有其它一些特点。
例如，当圆偏振光以斜入射角度入射到介质表面时，反射光的偏振态将发生改变，并且随着入射角的增大，反射光的偏振态也会发生变化。
圆偏振光的反射还受到介质的表面形态的影响。
当介质表面存在微小凹凸结构时，光的反射行为会发生改变，这种现象被称为表面等离子共振。
圆偏振光的反射在表面等离子共振中也发挥着重要的作用。
圆偏振光在反射过程中呈现出特殊的偏振态转换及旋光性质。
平面电磁波的极化反射和折射 共54页
合成电磁波的电场强度矢量与y轴正向夹角α的正切为
tana Ez E2m C Ey E1m
同样的方法可以证明，φz-φy=π时，合成电磁波的电场强度 矢量与y轴正向的夹角α的正切为
tana Ez E2m C Ey E1m
这时合成平面电磁波的电场强度矢量E的矢端轨迹是位于 二、 四象限的一条直线，故也称为线极化，如图所示。
arctE Eayxm m ncco o sstt(( xy))
d d a tE 1 2 m co s2 E (1 m tE 2m 1) sin E (2 2 m 1c o s2 2) (t2)
椭圆极化
6.5 平面电磁波的反射与折射
6.5.1 1. 相位匹配条件和斯奈尔定律
arctancsoisn((tt11)) (t 1)
圆极化波
3. 椭圆极化
更一般的情况是Ey和Ez及φ1和φ2之间为任意关系。在x=0处， 消去式中的t，得
E E 1y m 22E E 1y mE E 2zmcos E E 2zm 2sin2
H t ( exco t s e zsit) n E t0e j2 k (xs it n zc o t)s 2
E E e E e j1 x k si i n j2 x k si t n
i0 r 0
t0
(6-95)
E i0 E r 0 1 co ie js 1 x k s iin 1 co tE t0 s e j2 k x s it
6.4 平面电磁波的极化
6.4.1 极化的概念
电场强度矢量的表达式为
EeyE yezE z(eyE 1mezE 2m )ejx (eyE 1m ej1ezE 2m j2)ejx
反射波和透射波
kt
ki r kr r kt r r |z0 xex
∴ ki r k1x sini
i r
kr r k1x sinr k1 sinr k2 sint
2 1
nt i r
x
kt r k2 x sint
ki
kr
6·2 均匀平面波对分界面的垂直入射
❖本节以入射波为z (ek=ez )方向的线极化波为例进行讨论
2 2
2
2
E e E e e 2
x
io
1
H1
ey
Eio
1
e e jk1z
jk1z
H2
ey
2
Eioe
2 2 z j
2e
2 2 z 2
1
将此与Ⅱ为理想导体时的场解相比，可见Ⅰ中的情况完全相同
而Ⅱ中不仅有一随传播距离衰减很快的量还有色散
② 对低损耗媒质进行分析 (良导体)
⑵ 功耗与电流 2
H1 ]
Re[ez
j
4
1
Ei2o
sin
k1z
cos k1z]
0
这说明单位面积上没有有功率穿过，即不传递能量
4、相速度VP=
t 等相位0
？ ∵是理想介质：∴
t
VP
Z Ve
0 VP
dz dt
p 0
w
0
二、Ⅱ为理想介质（1＝2＝0）
① 求解：
1、选择如图所示坐标，则：en=ez 且设et=ex(不失一般性)，
在Ⅱ为介质的空间内有一随传播距离而缓慢衰减的量
其它特性都一样
② 对低损耗媒质进行分析
2、Ⅱ为良导体：( 100 )
⑴ 场解
第6章--3 全反射 全折射 (1)分析
电磁场
第6章 平面电磁波的反射与折射
2. 对全反射的进一步讨论 θ i <θc 时，不产生全反射。
2
1 c
θ i =θc 时，
sint
1 2
sin c
1
t 90o
R// R 0
透射波沿分界面方向传播，没有沿z 方向传播的功率，并且反
电磁场
例6.3-2
第6章 平面电磁波的反射与折射
1 0,2 2.250, 1 2 0
布儒斯特角θb ：使平行极化波的反射系数等于0 的角。
电磁场
第6章 平面电磁波的反射与折射
➢ 反射系数为零，发生全折射现象，对应的入射角称为布儒斯特角：
B sin1
2 时， 1 2
➢全折射现象只有在平行极化波的斜入射时才会发生；
电磁场
二、全反射与临界角
第6章 平面电磁波的反射与折射
问题：电磁波在理想导体表面会产生全反射，在理想介质表面也 会产生全反射吗？
概念：反射系数的模等于 1 的电磁现象称为全反射。
条件：（非磁性媒质，即 1 2 0 ）
电磁场
第6章 平面电磁波的反射与折射
1.全反射的条件
由折射定律可知：
sint 11 sini 22
E E e R E e jk1( xsin1z cos1)
jk1 ( xsin1 z cos1 )
1
i0
i0
E (e e e ) jk1(xsin1z cos1) i0
j 2 jk1 ( xsin1 z cos1 )
2Ei0 cos(k1z cos1 )e j(k1xsin1 )
弹载圆极化微带天线设计
弹载圆极化微带天线设计常树茂【摘要】通过理论分析和HFSS三维电磁结构软件仿真,设计出一种圆形弹载圆极化微带天线.该天线在±60°的天线方向扫瞄空间内,天线极化轴比为1.06～3.3dB,增益为4.7dBi.文中给出了圆形圆极化天线的具体设计尺寸和仿真天线方向图、极化轴比图和驻波图.【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2010(030)004【总页数】3页(P187-189)【关键词】弹载天线;圆极化天线;圆形微带天线【作者】常树茂【作者单位】西安邮电学院,西安,710061【正文语种】中文【中图分类】TN820 引言炮射弹载雷达系统是目前所研制的精确打击武器系统之一。
要使这种先进的武器系统能在全天候的战场上都有较高的命中率，弹载雷达天线的极化应为圆极化。
因为水滴对圆极化波的反射是反旋的，而雷达目标对入射的圆极化波产生的反射波是椭圆极化波，两者具有相同的旋向。
因此，圆极化波的抗雨雾能力比线极化波强得多。
圆极化波天线的结构多种多样，但对于弹载雷达而言，所设计的天线在满足电气技术指标的条件下，还必须具有空间尺寸小，抗过载能力大。
而微带天线低剖面尺寸小；辐射面垂直弹轴放置抗过载强；也比较容易实现圆极化。
所以文中选用微带天线形式，给出了弹载圆极化微带天线的设计公式、具体尺寸和最终仿真结果。
这种设计结果经实践证明是正确的和实用的。
1 天线设计理论1.1 圆形微带天线设计理论微带天线的形状有很多种，最常用的是矩形、圆形、圆环形和三角形。
因为弹体为圆形，所以弹载天线选择圆形微带天线较合适。
设圆形微带天线的贴片半径为a，当h≪λ0，贴片与接地板之间可看成是四周为磁壁，上下为电壁的谐振空腔。
用模展开法求解空腔内场，得圆形微带天线TMnm模的谐振频率（GHz）为［1］：式中a是计入边缘效应后的等效半径（cm），它与物理半径a′的关系如下：圆形微带天线一般工作在TM11主模。
对主模有：工作在TM11模的谐振电阻为：式中：ρ0是馈点到圆形微带中心的径向距离；Gr是圆形微带天线的辐射电导。
场实验七 圆极化波特性的研究
实验七 圆极化波特性的研究一、实验目的1. 研究右旋、左旋圆极化波的形成、辐射及接收过程。
2. 研究右旋、左旋圆极化波的反射、折射特性。
3. 右旋、左旋圆极化波的反射、折射特性的测试方法。
二、主要实验仪器1. DH926B 型微波分光仪2. DH1121B 型3cm 固态信号源3. 右旋、左旋圆极化波辐射和接收天线2只4. 金属反射板、玻璃半透射板各1块5.uA 电流表三、实验内容与原理1. 实验内容1) 圆极化波椭圆度的调整与测试 2) 圆极化波反射折射特性的测试2. 实验原理我们用右旋、左旋圆极化波辐射和接收天线来说明圆极化波的原理，参见图7-1 。
电磁波圆极化天线是由矩-圆转换波导、有介质片的介质圆波导、圆锥喇叭构成。
图7-1 右旋、左旋圆极化波辐射和接收天线1) 辐射过程在矩形波导内传输的行波经矩-圆波导到达介质圆波导，矩形波导内传输的TE 10波被过渡为TE 11波；介质圆波导可做360°旋转，转盘指针可指出转动角度，TE 11波经介质片被分成两个分量，一是垂直于介质平面的分量E n ，二是平行于介质平面的分量E t ，经介质片分量E n 与分量E t 经L 距离（L 为介质片的长度）传播后相位差±90°。
此时，适当的转动介质圆波导（角度），使得两个分量的幅值相等时可得到圆极化波。
以产生辐射右极化波为例，当TE 10波过渡为TE 11波成为分量E r 后（参见图7-1），介质圆波导内介质平面与Y 轴成45°时（有时稍偏离45°），则有：2rm nm tm E =E =E ，实现了圆极化波幅度相等的条件。
TE 11 TE 10由于E n 与E t 的速度不同，即r εννννc t c n =>=，当介质片的长度L 取得适当，使得E n 波的相位超前E t 波的相位90°时，满足了右旋极化波的相位条件，此时n 、y与z 轴构成右手螺旋规则，形成右旋极化波。
电波的极化特性
电波的极化特性
电波的极化特性
由天线辐射原理可知，自由空间电磁波通常以电场的取向作为电波极化方向。
是随时间而变化的，如果的矢量端点随时间变化的轨迹是一直线，则称此电波为线极化波。
若的大小不变而方向随时间而变，在观察点处与传播方向垂直的平面内，矢量端点的变化轨迹是一个圆，称为圆极化波。
的大小和方向都随时间变化，矢量端点的轨迹为椭圆的波则叫椭圆极化波3种不同极化波。
（一）线极化
在三维空间，沿Z 轴方向传播的电磁波，其瞬时电场可写为：
= +
（3-8）
若=ExmCOS(wt+θx),=EymCOS(wt+θy)，且与的相位差为。
16-圆极化天线 天线原理
South China University of Technology
GPS卫星
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
South China University of Technology
四臂螺旋天线方向图
South China University of Technology
适当选择螺旋参数，使A1=A2，则四臂螺旋的总 辐射场为
E E12 E34 Ae jkr (1 cos )e j E E12 E34 Ae jkr (1 cos )e j(90)
显然，满足圆极化天线的条件。
四臂螺旋天线的方向图为一心脏形波束，辐射最 大指向于天线轴向(=0o)，且与无关，具有十分 优良的圆对称性，即使在低仰角区四臂螺旋天线 仍可达到卫星定位导航对天线增益要求。
South China University of Technology
在空间域，电场在任一时刻在空间所形成的螺线 的旋向，正好与时间域定义的圆极化波随时间的 旋向是相反的。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
因此，实现圆极化天线的方式可以有两类： （1）环形电流 （2）两个正交放置的线电流，只要两个线电流等 幅、 相位差900 。
实现相位差900可以通过双馈电结构实现，也可以 通过单馈电自相移结构实现。
最常用的圆极化天线是单绕轴向模螺旋天线，前 面已有介绍。
极化波的分类与相互关系.
电子信息工程学院《电磁场与电磁波》课程论文极化波的分类与相互关系摘要：本文介绍了极化电磁波的分类已经它们之间的合成分解情况。
极化是电磁波中的一个重要概念，工程中常用极化抗干扰、实现信号的最佳发射和接收、提高信道容量，并且在雷达技术中有有着广泛的应用。
因此研究极化波对无线通信有着重要的意义。
本文首先介绍电磁波极化的概念，再介绍分类及判断方法，最后解释三种极化波之间的合成分解关系。
关键词：极化波，无线通信，合成分解1． 极化的概念在任意空间给定点上，合成波电场强度E 的大小和方向都可能会随时间变化，这种现象称为电磁波的极化。
它表征在空间给定点上电场强度E 取向随时间变化的特性。
2． 极化波的分类2.1 直线极化波：E 的端点随时间变化的轨迹为直线的极化波。
（1）条件：E 的x 分量和y 分量的相位同相或相差π，即 或。
（2）特征：合成波电场强度大小为：，（2.1），合成波电场与x 轴夹角为：（2.2）π±0-x y =φφ()()()x y m2xm2y 22x 22y2x2wt cos wt cos wt cos φφφ++=+++=+=EEE E EE E ym xm const arctan arctan xm y m x y =⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=E E E E α ()()()x y m 2xm 2x 22x 22y2x 2wt cos wt cos wt cos φπφφ++=±+++=+=E E E E EEE ym xmπφφ±=x y - 0-x y =φφ图2-1 直线极化2.2圆极化波：E 的端点随时间变化的轨迹为圆的极化波。
（1）条件：E 的x 分量和y 分量的振幅相同、相位差π/2，即 、 （2）特征： 则合成波电场强度为：（2.3）合成波电场与x 轴夹角为：， --右旋 （2.4） ， --左旋图2-2 右旋极化波2.3椭圆极化波：E 的端点随时间变化的轨迹为椭圆的极化波。
圆偏振光垂直反射
圆偏振光垂直反射在光学中，圆偏振光是指振动方向沿着光线方向作圆周运动的光波。
而垂直反射则是指光线从一个介质的界面反射回另一个介质，并且反射光线与入射光线的夹角为90度。
本文将讨论圆偏振光在垂直反射过程中的特性和现象。
我们知道光波在传播过程中会有两个方向的振动，即电场和磁场方向。
对于线偏振光，电场方向只在一个平面上振动，而圆偏振光的电场方向则在一个平面上作圆周运动。
这种圆周运动可以是顺时针或逆时针方向，分别称为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。
当圆偏振光照射到一个介质的界面上时，根据菲涅尔反射定律，一部分光线将被反射回来，而另一部分光线将穿过介质继续传播。
在垂直反射的情况下，入射光线和反射光线的夹角为90度，即光线垂直于界面。
对于线偏振光，入射光线的电场方向与反射光线的电场方向在同一平面上。
而对于圆偏振光，入射光线的电场方向也在一个平面上作圆周运动，而反射光线的电场方向则在另一个平面上作圆周运动。
这样，入射光线和反射光线的电场方向垂直于彼此。
在实际的观察中，可以通过使用偏振片来观察圆偏振光垂直反射的现象。
当圆偏振光照射到偏振片上时，由于入射光线和反射光线的电场方向垂直，所以只有一个方向的电场分量能够通过偏振片。
这样，在观察到的反射光线中，只有一个方向的偏振分量，而另一个方向的偏振分量被偏振片所吸收。
圆偏振光的反射特性还与入射角度有关。
根据斯涅尔定律，入射角度和折射角度之间有一个关系，即入射角度越大，折射角度也会越大。
因此，当圆偏振光以不同的入射角度照射到界面上时，反射光线的偏振特性也会发生变化。
总结一下，圆偏振光垂直反射时，入射光线和反射光线的电场方向垂直，且反射光线中只有一个方向的偏振分量能够通过。
这一现象可以通过使用偏振片进行观察。
此外，圆偏振光的反射特性还与入射角度有关。
圆偏振光垂直反射是光学中的一个重要现象，它不仅有理论上的意义，也有实际应用价值。
在实际生活中，圆偏振光垂直反射的特性可以用于制造偏振片、光学器件等。
圆极化基本理论
毫米波圆极化微带天线的研究圆极化波的产生：微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型,当馈电点位于贴片的对角线上时,天线中可以同时维持乃订。
和刀怀。
模,两种主模同相且极化正交,结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行,单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。
用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交的幅度相等的,相位相差”的线极化波。
当前用微带天线实现圆极化辐射主要有几种方法一点馈电的单片圆极化微带天线正交馈电的单片圆极化微带天线由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线微带天线阵构成的圆极化微带天线等等。
圆极化波的性质：根据天线辐射的电磁波是线极化或圆极化,相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。
圆极化波具有以下的性质〕（1）圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。
即沿其传播方向看去,波的瞬时电场矢量的端点轨迹时一个圆。
若瞬时电场矢量沿产波方向按左手螺旋的方向旋转,称之为左旋圆极化波,记为LCP（Left-Hand Circular Polarization）; 若沿传播方向按右手螺旋旋转,称之为右旋圆极化波,记RCP（Right-Hand Circular Polarization）,（2）一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。
由此实现圆极化天线的基本原理就是产生两个空间上正交的线极化电场分量,并使二者振幅相等,相位相差度。
（3）任意极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。
作为特例,一个线极化波可以分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。
因此,任意极化的来波都可由圆极化天线收到反之,圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到。
这正是在电子侦察和干扰等应用中普通采用圆极化波的原因。
（4）天线若辐射左旋圆极化波,则只接受左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波反之,若天线辐射右旋圆极化波,则只接收右旋圆极化波。
这称为圆极化天线的旋向正交性。
双频带圆极化微带阵列天线设计
双频带圆极化微带阵列天线设计胡金艳;杨君;秦文华;赵建平;徐娟【摘要】利用旋转馈电技术设计了一种双频带圆极化微带阵列天线,以扩充天线的通信容量,提高抗干扰能力.天线由四个对角切角的矩形贴片和一个金属矩形环组成.天线利用贴片切角实现圆极化,利用两个贴片的对角线长度不等实现双频特性.天线中心的矩形环既可当做馈电网络,为圆极化波提供所需的递增相位,又可以提高天线的辐射性能.最后,利用电磁仿真软件HFSS对天线的性能进行数值计算,阵列天线的-10 dB阻抗带宽分别为1.3～1.4 GHz和1.55～1.58 GHz,3 dB轴比带宽分别为1.36～1.42 GHz和1.6～1.62 GHz.%A dual-band circularly-polarized micro-strip patch array, by using a sequential-phase feeding network, is designed and implemented, thus to expand the communication capacity and improve the anti-interference capability. The antenna, composed of four rectangular patches with diagonally tangential angles and one metal rectangular ring, is circularly-polarized by using the corner patch, while the dual-frequency is realized by using the unequal diagonal lengths of two patches. The mental square ring in the center of the antenna may act as a feeding network, which provides both the increasing phase for circularly-polarized wave and a radiator to enhance the performance of the antenna. Finally, the simulation on the antenna with HFSS software indicates that the -10 dB impedance bandwidth of the patch array is 1.3～1.4 GHz and 1.55～1.58 GHz , and the measured 3dB AR bandwidth 1.36～1.42 GHz and 1.6～1.62 GHz respectively.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)001【总页数】6页(P234-239)【关键词】旋转馈电;双频带;圆极化;微带阵列【作者】胡金艳;杨君;秦文华;赵建平;徐娟【作者单位】曲阜师范大学物理工程学院,山东曲阜 273165;曲阜师范大学物理工程学院,山东曲阜 273165;曲阜师范大学物理工程学院,山东曲阜 273165;曲阜师范大学物理工程学院,山东曲阜 273165;曲阜师范大学物理工程学院,山东曲阜273165【正文语种】中文0 引言与线极化天线相比，圆极化天线有几个重要的优势：对抗多径干扰或衰落﹑减少电离层的“法拉第旋转”效应和降低极化失配。
等反射系数圆
等反射系数圆在电磁波的传播过程中，反射是一种十分常见的现象。
当电磁波碰撞到一个介质的表面时，其中一部分能量将被反射回来，而另外一部分能量将继续向该介质内部传播，这种现象被称为反射。
而反射系数圆则是用于描述反射现象中两个不同介质边界之间所发生反射现象的一个图形，对于研究和掌握电磁波的反射现象具有非常重要的意义。
反射系数圆的概念最早由英国物理学家史密斯( R. A. Smith)在一篇发表于1944年的论文中提出，他是在实验的基础上发现的，其实质是针对电磁波在发生反射时经过界面处介质的特性而形成的一种描述形式。
在光学中，反射是一种常见的现象。
当光线照射到某一介质表面时，一部分能量将被反射回来，而另一部分则会穿过这个介质进入另一个介质。
此时，若光线从空气中射入某一透明介质，例如水或者玻璃，由于两种介质光的折射率不同，光线将会被折射并且发生偏转。
这种现象与反射现象共同构成了光线在介质表面上的传播过程。
反射系数圆是一种描述光线反射现象的方法，其主要目的在于确定反射波与入射波的振幅比。
反射系数圆是由数条等反射系数(Reflection Coefficient)的曲线组成，表示的是当光线从一种介质射入另一种介质时，反射波振幅在不同条件下所占的比例。
而相应的反射系数则是这种比例的一种数学表现方式。
反射系数圆的形状和位置取决于两种介质光的折射率以及界面的特性。
例如，当罗马尼亚微生物学家由于光线由空气射向玻璃时，曲线形状和位置就与由光线射向水时略有不同。
反射系数圆在光学的设计和实际应用中具有很大的价值。
例如，在光学仪器的设计中，当需要将一个光学元件与另一个元件连接起来时，这个元件内部的反射以及界面之间的反射会对光线传输产生影响。
而采用反射系数圆可以帮助工程师们判断这些反射现象对光线传输的影响，从而优化元件的设计，提高仪器的性能。
除了光学之外，反射系数圆也可以用于其他领域的研究。
在无线电通信中，反射系数圆可以用来描述在无限长导线上的电磁波的反射，从而帮助工程师们根据传输条件测量电线和天线的特性。