[论文解读] Refracting Metasurfaces without Spurious Diffraction

Guillaume Lavigne, Karim Achouri+3 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2017

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 25被引用 7

一句话总结

本文提出一种基于广义表面跃迁条件（GSTCs）和表面磁化率张量的介质基设计方法，实现超表面中的无衍射折射。该研究展示了两种经实验验证的无损、无源、互易且双各向异性的超表面，可高效偏转电磁波，且无杂散衍射级次，其效率比无损单各向异性设计的理论极限高出约5%。

ABSTRACT

Refraction represents one of the most fundamental operations that may be performed by a metasurface. However, simple phasegradient metasurface designs suffer from restricted angular deflection due to spurious diffraction orders. It has been recently shown, using a circuit-based approach, that refraction without spurious diffraction, or diffraction-free, can fortunately be achieved by a transverse metasurface exhibiting either loss-gain or bianisotropy. Here, we rederive these conditions using a medium-based - and hence more insightfull - approach based on Generalized Sheet Transition Conditions (GSTCs) and surface susceptibility tensors, and experimentally demonstrate two diffraction-free refractive metasurfaces that are essentially lossless, passive, bianisotropic and reciprocal.

研究动机与目标

• 克服传统相位梯度超表面中杂散衍射级次导致的偏转角受限问题。
• 通过介质基方法而非电路基建模，提供对无衍射折射的更深层次物理解释。
• 通过实验表明，无源、无损、互易且双各向异性的超表面可实现无杂散级次的完美广义折射。
• 建立一个通用框架，利用表面磁化率张量实现对波前调控的完全控制。
• 通过全波仿真和在微波频段制造的超表面的实验测量，验证理论设计。

提出的方法

• 利用广义表面跃迁条件（GSTCs）将超表面两侧的电磁场与其表面磁化率张量关联起来。
• 推导出双各向异性磁化率张量的闭式表达式，使其在满足损耗-增益、非互易性或双各向异性三种条件时可实现无衍射折射。
• 应用磁化率到散射参数的映射关系，将超表面离散化为具有定制电磁响应的单元。
• 利用具有亚波长结构的周期性结构设计并仿真超表面单元，以实现所需的表面磁化率。
• 在10 GHz和10.5 GHz频段制造了两组超表面，分别对应特定的入射-折射角（20°→-28° 和 0°→-70°），用于实验验证。
• 采用近场扫描和近场到远场变换方法测量透射和反射响应，并与仿真结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过提供比电路模型更深层次物理解释的介质基方法，在超表面中实现无衍射折射？
• RQ2 实现无杂散衍射级次的完美折射所必需的基本电磁条件是什么，特别是涉及磁化率张量的条件？
• RQ3 无源、无损、互易且双各向异性的超表面能否实现高于单各向异性设计理论极限的效率？
• RQ4 基于GSTC设计的超表面在透射效率和旁瓣抑制方面，其性能与仿真和实验测量结果相比如何？
• RQ5 制造公差和非理想激励源在多大程度上影响无衍射超表面的实测性能？

主要发现

• 基于GSTCs的理论推导证实，通过双各向异性、损耗-增益或非互易性可实现无衍射折射，其中双各向异性可实现无源、互易且无损的工作状态。
• 所制造的两组超表面分别实现了约-0.6 dB和约-0.9 dB的透射效率，反射低于-15 dB，表明功率损耗极小且无显著杂散衍射。
• 针对0°→-70°折射设计的超表面，其效率比无损单各向异性超表面的理论76%极限高出约5%，尽管存在固有材料损耗。
• 实验结果与仿真结果吻合良好，微小偏差归因于制造公差、非理想喇叭激励和探头衍射效应。
• 近场到远场变换方法成功提取了远场散射响应，验证了超表面的方向性波束控制能力。
• 本研究证明，仅具有面内（平行）磁化率分量的横向超表面，可在无需有源元件或非互易材料的情况下，实现对广义折射的完全控制。