惠更斯超表面在天线领域的应用前景丨Engineering
惠更斯超表面在天线领域的应用前景丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中国工程院院刊主刊，工程类综合性期刊，旨在为全球提供一个高水平的工程科技重大成果发布交流平台，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。中国科技期刊卓越行动计划领军期刊。 中英文出版，全文开放获取。
本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第4期，原文出自：Prospects of Huygens’ Metasurfaces for Antenna Applications
引言
近年来，国内外学界在“人造”电磁材料即“超材料”领域展开了大量的研究工作。超材料是一种人工设计的工程结构，受到入射电磁场激励时，超材料可以诱导出特定的磁偶极矩和电偶极矩。在特定条件下，如当结构单元为亚波长时，超材料可被均质化（homogenized），此时可用宏观本构参数如磁导率、介电常数与折射率等来表征。20多年来，超材料领域所追求的一些宏观参数对应着一些极端特性，如负介电常数、负磁导率和负折射率。其中，最著名的超材料是负折射率材料，该材料最初在微波频段得到证实，其结构单元由开口谐振环与金属线组成。工程学界提出了传输线法来实现超材料，该方法具有显著优势，例如，可以降低传输损耗和拓宽带宽。
在超材料领域，超表面可以看成是一种二维（2D）超材料。但值得注意的是，此前大多数超表面研究是在三维（3D）超材料的基础上开展的。在本研究中，加拿大多伦多大学的George V. Eleftheriades等研究人员重点介绍惠更斯超表面（HMS）的原理及其在天线工程中的应用。惠更斯超表面由惠更斯散射体或惠更斯源的二维阵列组成，分为无源惠更斯超表面与有源惠更斯超表面两类，其最基本的形式是由同址正交的电、磁偶极矩（或电流、磁流）实现的。这样的二维超表面结构是均质化的，其宏观参数可用表面极化率、阻抗张量/导纳张量等表征。这是因为这种二维结构没有适当的体积来定义其本构参数，如磁导率、介电常数等。这里重要的是，光的波动特性可以利用次级源（惠更斯源）和扩散小波来表征，正如克里斯蒂安·惠更斯在17世纪所设想的那样。惠更斯超表面为工程师提供了一种有效的调控电磁波波前的方法。因此，惠更斯超表面在天线理论与实践领域有很大的应用空间。
图1所示为推导惠更斯超表面理论的基本设定。如图所示，一个由电场 E 1 和磁场 H 1 组成的入射电磁波通过薄的惠更斯超表面后，转化为电场 E 2 和磁场 H 2 的所希望的透射波。由Omega双各向异性提供的额外的自由度可以完全控制区域1发生的反射（图1）。例如， 已验证了入射角与折射角相差很大时O-BHMS的无反射折射，这是此类超表面研究的一个重要里程碑。
图1. 通用惠更斯超表面的示意图。表面电流密度 J s 与磁流密度 M s 允许惠更斯超表面两侧的场（ E 1 , H 1 ）与（ E 2 , H 2 ）具有不连续性。 E 1 和 H 1 分别是输入侧（区域1）的电场和磁场。 E 2 和 H 2 分别是传输侧（区域2）的电场和磁场。 n̂ 代表指向区域2的惠更斯超表面的单位法向量。
惠更斯超表面在天线领域吸引人的应用之一就是天线波束成形。 特别地，惠更斯超表面能够以精确的方向图控制波束成形实现，且不像传统的天线阵列那样需要利用馈电网络。
惠更斯超表面给天线理论与工程带来了巨大的发展机遇。在本研中， 加拿大多伦多大学的George V. Eleftheriades等研究人员对此进行了介绍，其中包括无需馈电网络的静态波束成形，但需要精确的口径以及相位控制。 惠更斯超表面（HMS）也可用于动态波束成形和宽角波束扫描。研究者希望今后这种特性可以得到进一步探索与展示。
这些超表面的另一个重要特性是其可以通过设计实现的全通滤波特性。 未来该特性可应用于实现基于超薄惠更斯超表面口径的超宽带天线。 动态惠更斯超表面还可以利用简单控制元件（如变容管）来实现低功耗。
此外， 外围受激（PEX）的惠更斯箱型天线的设计概念是一个相控阵的替代方案 ，不同的是，该方案可大幅减少有源单元的数量。这一概念有望在未来得到进一步验证与利用。最后，可以展望， 基于时间调制阵列的惠更斯超表面可为非互易天线研究提供发展思路，如全双工6G无线网络。
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.05.011
以上内容来自：George V. Eleftheriades, Minseok Kim, Vasileios G. Ataloglou, Ayman H. Dorrah. Prospects of Huygens’ Metasurfaces for Antenna Applications [J]. Engineering, 2022, 11(4): 21-26.