[论文解读] Active Huygens' Box: Metasurface-Enabled Arbitrary Electromagnetic Wave Generation Inside a Cavity

Alex M. H. Wong, George V. Eleftheriades|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 44被引用 6

一句话总结

本文提出Huygens盒：一种主动超表面，通过受控的电和磁表面电流包围一个区域，以生成任意电磁波形。利用电磁等效原理，该方法实现了全波前调控，在实验中成功实现了亚波长聚焦、贝塞尔光束以及金属腔体内的驻波/行波——在不激发高能倏逝场的情况下实现了超分辨率。

ABSTRACT

This work investigates the generation of arbitrary electromagnetic waveforms inside a geometrical area enclosed by an active metasurface. We introduce the contraption of the Huygens' box, where a region of space is enclosed by an active Huygens' metasurface. We show that, upon generating the necessary electric and magnetic currents, we can create any desired electromagnetic field inside the Huygens' box. Using this method, we demonstrate through simulation and experiment the generation of travelling plane waves, a standing plane wave and a Bessel wave inside a metallic cavity. By linear superposition of these unconventional "modes", we experimentally demonstrate, for the first time, a subwavelength superoscillation focal spot formed without involving evanescent EM waves, and without an accompanying region of exorbitantly high waveform energy. The Huygens' box brings controlled waveform generation to an unprecedented level, with far-reaching implications to imaging, communication and medical therapy.

研究动机与目标

• 通过主动超表面在受限空间区域内实现任意电磁波形合成。
• 克服传统金属腔体的局限性，后者将场分布限制于自然共振模式。
• 证明主动Huygens超表面可生成在封闭环境中自然不支持的波形，如贝塞尔波与亚波长焦点。
• 通过行波、驻波、贝塞尔波的合成以及1 GHz频率下的亚波长聚焦，实验验证该方法。
• 表明超振荡聚焦可在不激发高能倏逝场的情况下实现，从而实现实用化的超分辨率成像。

提出的方法

• Huygens盒由包围二维区域的主动超表面构成，通过激发表面电和磁电流来模拟内部期望的电磁场。
• 应用电磁等效原理：超表面边界上的等效表面电流可产生与一组内部源相同的内部场。
• 采用16单元射频激励系统，配备可编程衰减器和移相器，控制每个激励点的幅度与相位，以合成目标波形。
• 嵌入超表面的单极子天线作为电流源，其金属背板构成平行板腔体以限制场分布。
• 通过机械探头扫描腔体内空间，利用网络分析仪的S21参数测量电场（Ez），实现全场重建。
• 通过基本模式（如行波）的线性叠加实现波形合成，从而实现任意场形调控。

实验结果

研究问题

• RQ1 主动超表面能否包围一个区域，生成在金属腔体自然边界条件下不支持的任意电磁波形？
• RQ2 在封闭腔体内，如何通过主动源有效利用电磁等效原理以实现全波前控制？
• RQ3 能否在不依赖倏逝波或高能场区域的情况下实现亚波长聚焦？
• RQ4 Huygens盒在受控实验环境中，对贝塞尔光束和驻波等复杂波形的再现精度如何？
• RQ5 Huygens盒在成像与通信等实际应用中的带宽与可扩展性如何？

主要发现

• Huygens盒成功生成了不引发高能区域的亚波长超振荡焦点，证明了实用化超分辨率聚焦的可行性。
• 沿焦平面测量的电场分布与理论和仿真结果高度一致，证实了波形合成的精确性。
• 系统实现了亚波长聚焦，光斑宽度显著窄于一维Abbe衍射极限（sinc分布），理论、仿真与实测三组曲线均一致确认。
• Huygens盒在金属腔体内成功生成了行波、驻波与贝塞尔波——这些波形在传统封闭环境中自然不被支持。
• 波形保真度的分数带宽达11%，受限于实验组件，但因超表面元件本身具有固有宽带特性，具备实现更宽带宽的潜力。
• Huygens盒已通过贝塞尔光束与超振荡焦点等波形的实验验证，证明了在实际可实现平台中实现任意场形调控的可行性。