[论文解读] Theoretical and Experimental Investigations of Spatio-Temporally Modulated Metasurfaces with Spatial Discretization

Zhanni Wu, Cody Scarborough+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出一种双极化、时空调制的超表面，通过独立偏置的单元柱实现高达330°的可调相位移。通过在相邻柱之间施加交错的偏置波形，实现离散化的行波调制，从而实现同时的频率转换与波束偏转；当空间调制周期为波长量级时，进一步实现亚谐波频率转换与逆向反射，理论与实验均在X波段得到验证。

ABSTRACT

A dual-polarized, spatio-temporally modulated metasurface is designed and measured at X-band frequencies. Each column of subwavelength unit cells comprising the metasurface can be independently biased, to provide a tunable reflection phase over a range of $330^\circ$. In this work, the bias waveform applied to adjacent columns is staggered in time to realize a discretized traveling-wave modulation of the metasurface. An analytic model for the metasurface is presented that accounts for its discretized spatial modulation. The analysis considers a finite unit cell size and thus provides increased accuracy over earlier analysis techniques for space-time metasurfaces that commonly assume continuous spatial modulation. Theoretical and experimental results show that for electrically-large spatial modulation periods the space-time metasurface allows simultaneous frequency translation and deflection. When the spatial modulation period on the metasurface is electrically small, new physical phenomena such as subharmonic frequency translation can be realized. When the spatial modulation period of the metasurface is wavelength-scale, simultaneous subharmonic frequency translation and deflection can be achieved. For certain incident angles, retroreflective subharmonic frequency translation is demonstrated.

研究动机与目标

• 设计一种具有独立柱级偏置的可重构超表面，以实现动态波前调控。
• 通过考虑有限单元尺寸和离散空间调制，解决先前时空超表面模型中的不准确性。
• 通过电大调制周期实现同时的频率转换与波束偏转。
• 探索在特定空间调制条件下出现的新物理现象，如亚谐波频率转换。
• 通过X波段频率的实验测量验证理论预测。

提出的方法

• 超表面由排列成柱的亚波长单元组成，每个柱独立偏置，实现高达330°的可调相位移。
• 在相邻柱之间施加交错的时间延迟，以产生离散化的行波调制效应。
• 建立了一种考虑有限单元尺寸的解析模型，相较于先前工作中使用的连续调制近似，显著提高了准确性。
• 理论分析考虑了入射波与空间和时间调制表面的相互作用，包括色散和相位匹配条件。
• 通过X波段频率下的双极化配置的实验测量，验证了理论预测。
• 该模型结合电磁边界条件和色散关系，用于预测频率转换和波束偏转行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 与连续调制模型相比，离散化空间调制如何影响时空超表面的性能？
• RQ2 在电大空间调制周期下，能否实现同时的频率转换与波束偏转？
• RQ3 当空间调制周期为波长量级或更小时，会涌现出哪些新物理现象？
• RQ4 在何种条件下，可在时空调制超表面中实现亚谐波频率转换？
• RQ5 对于特定入射角，能否在实验中演示逆向反射的亚谐波频率转换？

主要发现

• 对于电大空间调制周期，超表面实现了理论模型预测的同时频率转换与波束偏转。
• 当空间调制周期为电小尺寸时，超表面支持亚谐波频率转换，这是此类系统中此前未报道的现象。
• 在波长量级调制周期下，超表面实现了同时的亚谐波频率转换与波束偏转。
• 对于特定入射角，实验中演示了逆向反射的亚谐波频率转换，证实了模型预测。
• 理论与实验结果高度一致，验证了基于有限单元尺寸的解析模型相较于先前连续调制近似的准确性。
• 通过独立柱偏置，超表面实现了高达330°的可调相位移范围，从而实现动态波前整形。