[论文解读] Arbitrary Wave Transformations with Huygens' Metasurfaces through Surface-Wave Optimization

Vasileios G. Ataloglou, George V. Eleftheriades|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 25被引用 65

一句话总结

本文提出了一种设计无源赫兹曼表面的方法，通过优化表面波分布以克服局部功率守恒约束，从而实现输入与输出功率密度分布不同的任意波前变换。通过激励定制的表面波以重新分配功率而不产生反射，该方法在线性贴片阵列激励下实现了92%的孔径照明效率，显著优于传统相位仅调控的超表面。

ABSTRACT

Huygens' metasurfaces have demonstrated the ability to tailor electromagnetic wavefronts with passive low-profile structures. The fundamental constraint enabling passive and ideally lossless solutions is the conservation of the normal real power locally along the metasurface. In this work, we examine the use of auxiliary surface waves to overcome this limitation and design Huygens' metasurfaces for wave transformations with different incident and output power density profiles. The developed method relies on the optimization of a surface-wave distribution that is utilized to redistribute the power at the input side of the metasurface without incurring any reflections. A full design example is presented with a linear patch array along the H-plane illuminating a metasurface that produces uniform output fields along the E-plane. A high aperture illumination efficiency of 92% is obtained despite the small distance between the source and the metasurface. Moreover, the effects of the evanescent spectrum to the losses and the bandwidth of the structure are discussed.

研究动机与目标

• 解决无源赫兹曼超表面的根本限制，即要求局部功率守恒，从而限制波前变换仅能匹配输入与输出功率密度分布。
• 通过单一透射式超表面实现输入与输出功率密度分布不匹配的任意波前变换。
• 开发一种表面波优化方法，以在不引入反射的情况下重新分配入射功率，从而提高孔径效率。
• 通过全波仿真验证该方法在平面贴片阵列照射超表面以实现均匀输出场时的可行性与性能。
• 分析倏逝场对所设计结构中损耗与带宽的影响。

提出的方法

• 该方法将表面波分布建模为具有复振幅An的调制sinc函数之和，并在空间上偏移距离L。
• 通过傅里叶变换设计表面波谱，通过设置kc − kw > k以确保获得纯倏逝的连续谱，其中k为自由空间波数。
• 通过逆傅里叶变换计算表面波的磁感应强度，通过麦克斯韦方程组计算电场强度，以确定输入区域（y < 0）中的场分布。
• 通过在超表面沿线离散点强制实施局部功率守恒，建立非线性方程组，使入射场与输出场的法向功率流相匹配。
• 采用梯度下降优化方法最小化总功率失配，表达式为F = ½GTG，以求解最优表面波振幅An。
• 通过周期性边界条件单独设计单元结构，并使用铜通孔隔离以抑制耦合，同时保持表面波的传播。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用表面波克服无源赫兹曼超表面在任意波前变换中因局部功率守恒约束带来的限制？
• RQ2 如何优化表面波分布以在不引入反射的情况下重新分配入射功率？
• RQ3 与传统相位仅调控设计相比，采用表面波优化的超表面可实现的孔径照明效率是多少？
• RQ4 倏逝场与材料损耗如何影响超表面的带宽与效率？
• RQ5 该方法能否应用于实际源（如线性贴片阵列）以实现均匀远场辐射？

主要发现

• 所提出方法在全波仿真中实现了92%的孔径照明效率，显著优于相同均匀输出场要求下理想相位仅调控超表面的44%效率。
• 超表面设计成功将来自线性贴片阵列的非均匀输入场转换为近乎均匀的输出场，幅度削波与相位误差极小。
• 全波仿真显示增益为12.39 dB，与均匀口径的12.73 dB非常接近，证实了波前变换的准确性。
• 功率传输效率估计为67%，主要受限于介质与铜损耗，且由于超表面附近强倏逝场导致损耗增加。
• 结构的相对带宽为1.7%（S11 < -10 dB），低于未使用超表面时的4.1%，这是由于谐振行为与倏逝场耦合所致。
• 通过将贴片宽度调至6.42 mm，校正了由超表面引入的中心频率偏移，展示了带宽调谐的潜力。