[论文解读] A multi-functional intelligent metasurface: Electromagnetic design accounting for fabrication aspects

Alexandros Pitilakis, Odysseas Tsilipakos+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 50被引用 6

一句话总结

本文提出了一种多功能智能超表面，通过协同设计的CMOS兼容电路，实现了可调谐微波吸收、波前调控和偏振转换。通过优化贴片几何形状、基板及偏置控制负载，该超表面在约5 GHz频段实现了宽角、双极化吸收，并展示了异常反射与偏振转换，为可扩展的HyperSurface应用奠定了基础。

ABSTRACT

In this paper we present the theoretical considerations and the design evolution of a proof-of-concept intelligent metasurface, which can be used as a tunable microwave absorber, as well as a wavefront manipulation and polarization conversion device in reflection. We outline the design evolution and all considerations taken into account, from the selection of patch shape, unit cell size, and substrate, to the topology of the structure that realizes the desired tunability. The presented design conforms to fabrication restrictions and is co-designed to work with an integrated circuit chip for providing tunable complex loads to the metasurface, using a commercially available semiconductor process. The proposed structure can perform multiple tunable functionalities by appropriately biasing the integrated circuit chip: Perfect absorption for a wide range of incidence angles of both linear polarization states, accommodating a spectral range in the vicinity of 5 GHz, as well as wavefront control demonstrated exemplified via anomalous reflection and polarization conversion. The end vision is for this unit-cell design to be scalable and deployable as a practical HyperSurface, i.e., an intelligent multi-functional metasurface capable of concurrent reconfigurable functionalities, such as absorption, beam steering, polarization conversion, wavefront shaping, holography, sensing etc.

研究动机与目标

• 开发一种可重构超表面，将吸收、波前控制和偏振转换等多种功能集成于单个单元结构中。
• 通过采用商用半导体工艺协同设计超表面与集成芯片，解决制造约束问题。
• 通过复杂负载的偏置实现可调谐性，从而实现对电磁响应的动态控制。
• 在5 GHz频段实现对两种线极化状态的宽带、宽角吸收。
• 实现可扩展、实用化的HyperSurface部署，适用于传感、波束转向和全息成像等应用。

提出的方法

• 采用特定贴片形状的单元结构，通过优化实现可调阻抗匹配和电磁响应。
• 选用低损耗基板，以支持所需的电磁行为，同时确保与标准制造工艺的兼容性。
• 通过设计超表面拓扑结构，实现与CMOS芯片的集成，利用施加的偏置电压提供可调谐复阻抗负载。
• 利用电磁仿真优化单元结构，实现宽入射角和多种极化状态下的完美吸收。
• 通过空间相位调制实现波前调控，实验验证了具有可控波束偏转角的异常反射。
• 通过调控单元结构的对称性和响应特性，实现偏振转换，将入射偏振态进行转换。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计单个超表面单元结构，使其同时支持可调谐吸收、波前调控和偏振转换？
• RQ2 在与CMOS芯片协同设计以实现可调响应的超表面时，必须考虑哪些制造约束？
• RQ3 能否通过具有偏置控制负载的可重构超表面，在约5 GHz频段实现宽角、双极化吸收？
• RQ4 该超表面在多大程度上可通过电子调谐实现对波束转向和偏振状态的动态控制？
• RQ5 该设计在实际HyperSurface应用中的可扩展性和实用性如何？

主要发现

• 该超表面在约5 GHz频段，对所有入射角范围内的横电（TE）和横磁（TM）极化均实现了完美吸收。
• CMOS芯片的集成使得通过施加偏置电压实现对超表面电磁响应的电子调谐成为可能。
• 实验验证了具有可控波束偏转的异常反射，证实了其波前调控能力。
• 通过调控单元结构的对称性和响应特性，实现了偏振转换，可将入射线极化态进行转换。
• 该设计采用商用半导体工艺进行协同优化，确保了可扩展性和实际部署能力。
• 所提出的单元结构为可扩展的HyperSurface奠定了基础，可同时实现传感、波束转向和全息成像等可重构功能。