利用非磁性时调谐超表面模拟法拉第旋转效应

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Emulating Faraday Rotation With Nonmagnetic Time-Modulated Metasurface

非互易超表面法拉第旋转器件设计，通过双层时调制结构实现正交极化独立调控，结合极化光栅增强隔离性，理论模型与全波仿真验证非互易传输有效性，实验在TEM场中取得6.8 dB非互易性，提供磁场-free的灵活集成方案。

　　

摘要：

本文提出了一种非磁性级联架构，用于模拟不同偏振旋转角度下的法拉第旋转效应。该架构包括一个双层时调制非互易超表面和一个特定方向的偏振光栅。超表面层中装有可变电容器，并通过偏置电压实现时间调制，从而打破洛伦兹互易性。通过调整每一层的调制信号，可以独立控制两种正交偏振的非互易传输。偏振光栅用于选择性过滤所需的线性偏振分量，从而提高旋转偏振状态的隔离度和纯度。针对双层超表面建立了理论模型，以指导非互易传输元件的设计。全波电磁场和电路仿真结果与理论预测高度吻合，验证了时调制方案和非互易传输的有效性。最后，在TEM细胞中对双层时调制超表面进行了实验测试，实验结果表明其非互易传输效果显著（非互易度高达6.8 dB），证实了所提出方法的实际可行性。与传统磁光实现方式相比，这种方法无需使用磁体，具有更高的集成性和设计灵活性。

引言

非互易性是指当源和检测器互换位置时，电磁波的传输特性出现不对称现象。在线性、时不变且无源的介质中，电磁波的传播遵循洛伦兹互易定理[1]、[2]、[3]。这一基本限制给实现非互易元件（如隔离器、环行器和双工器）带来了挑战，而这些元件对于现代射频（RF）和微波系统至关重要。在各种非互易现象中，法拉第旋转因其偏振选择性而具有独特地位[4]、[5]、[6]。法拉第旋转效应是指线性偏振的电磁波在磁场作用下通过磁光材料时，其偏振平面会发生旋转。值得注意的是，与互易介质不同，在互易介质中波的传播方向反转时偏振旋转也会反转，而在法拉第介质中旋转方向保持不变。这种非互易性导致了洛伦兹互易性的破坏，从而实现了非互易行为。由于这一固有的非互易性，法拉第旋转器被广泛用于基于偏振的隔离器[7]、[8]中。通过将旋转器与偏振分束器或偏振器结合使用，可以构建出允许正向传输同时阻断或重新定向反向波偏振的器件。这类配置在保护激光器或放大器等敏感信号源免受反射信号干扰方面具有特别的价值。