基于扭曲级联超表面（twisted cascaded metasurfaces）的宽带任意偏振可重构折叠反射阵列天线

《Frontiers in Materials》：Broadband arbitrary-polarization reconfigurable folded reflectarray antenna based on twisted cascaded metasurfaces

　　

偏振（polarization）是电磁波的基本特性，波偏振的动态操控在学术界与工业界均受到显著关注。扭曲级联超表面（twisted cascaded metasurfaces）凭借零能耗与功能集成灵活等优势，成为动态电磁操控的潜在工具。研究人员提出一种旋转器设计策略以实现线性到圆偏振（linear-to-circular polarization, LTC）转换；基于扭曲级联概念，通过基本meta-atom级联，利用两子板相对旋转角在0°至90°连续调节偏振响应，从而实现任意线偏振旋转，并构建通用偏振控制器。将该扭曲级联偏振转换超表面与相位补偿超表面（phase-compensation metasurface, PCM）集成，研究人员研制出偏振可重构折叠反射阵列天线（folded reflectarray antenna, FRA），实现任意偏振旋转。所制备TCM-FRA在10–12 GHz内最大增益25.1 dBi，分数带宽18.18%，最大有效孔径效率33.13%。该扭曲级联偏振转换超表面可通过机械模式定制电磁功能，为可重构超器件提供新途径。

论文解读：《Frontiers in Materials》刊载的基于扭曲级联超表面的宽带任意偏振可重构折叠反射阵列天线研究

研究背景方面，偏振作为电磁波基本属性，在偏振复用、信息加密与存储中具有价值。传统偏振调控受复杂机械结构限制；现有超表面偏振控制器多为固定不可重构，主动方案又面临偏置电路复杂、成本高、材料可调范围小等问题。机械调谐中的扭曲级联超表面（twisted cascaded metasurface, TCM）具备额外自由度，但低剖面折叠天线系统中的宽带任意线偏振操控仍少有研究。因此，研究人员开展基于TCM的宽带任意偏振可重构折叠反射阵列天线（folded reflectarray antenna, FRA）研究，以零能耗机械旋转实现任意线偏振输出，并兼顾高增益与宽带性能。该研究发表于《Frontiers in Materials》，意义在于为下一代自适应电磁系统提供低成本、易装配、可重构的偏振天线条理方案。

主要关键技术方法上，研究人员采用印刷电路板（printed circuit board, PCB）工艺制备样品；上层TCM由两层线性到圆偏振旋转器（linear-to-circular polarization rotator, LTC rotator）构成，第二层可面内旋转角度α；底层为箭头形相位补偿超表面（phase-compensation metasurface, PCM），通过开口角α₂由20°调至80°覆盖全360°反射相位；馈源选用磁电偶极子（magnetic-electric dipole, ME-dipole）以获E面与H面对称辐射；利用射线追踪相位公式φ_mn=k₀√(x_mn²+y_mn²+(2H)²)+φ₀计算球面波到平面波补偿；样机上层以5°孔位用尼龙螺钉锁角，在微波暗室远场转台测量。无生物样本队列来源。

研究结果部分保留小标题说明。2 Results中，先设计S形分裂环与金属栅格构成的LTC rotator元原子，F4B介质厚3 mm、介电常数2.2；x偏振从栅格侧入射时同极化传输t_xx高于0.7，交叉极化t_yx由0.7降至0.3，正交分量相位差约0.6π，轴比（axial ratio, AR）在10.2–11.7 GHz低于3 dB，圆偏振传输t_Rx超0.9、t_Lx低于0.3，证明高效LTC转换。级联两个LTC后，旋转第二层角α可得输出场E_out=e^?iα(cosα, sinα)^T，输出偏振倾角等于机械角α，0°时保x偏振、90°时转y偏振，仿真与暗室实测吻合，证实任意线偏振旋转。Jones矩阵建模中，固定层J_LTC1将x偏振转右旋圆偏振（right-hand circularly polarized, RCP），旋转层J_LTC2(α)=R(α)·J_LTC2(0)·R(?α)，总矩阵J_total=J_LTC2(α)·J_LTC1，理论证输出为纯线偏振。PCM元原子含箭头中心条与两平行条，β为+45°/?45°，α₂变20°–80°可在11 GHz反幅 above 0.9且8–12 GHz的R_yx高于0.85、相位无色散，实现x到y反射偏振转换与连续相位补偿。ME-dipole馈源在10–12 GHz增益7–8 dBi、回损低于?15 dB，方向图稳定。按φ_mn分布排布31×31 PCM，H=75 mm，将馈源球面波前转平面波前。样机TCM用ε=2.2/tanδ=0.002 F4B，PCM用ε=2.65/tanδ=0.0015基板；转台远场测得α=0°–90°每15°下S₁₁优于?10 dB，实增益超20 dBi仿真、实测略降，方向图随α变化实现任意偏振辐射。

讨论与结论翻译部分，研究人员总结：所提偏振可重构TCM经机械旋转连续控偏振，透射波偏振随第二旋转器转动连续调；TCM与PCM集成的TCM-FRA在低剖面和25.1 dBi峰值增益、18.18%分数带宽、33.13%最大有效孔径效率下实现任意偏振控制。虽仅展示代表偏振态，该架构是可重构FRA通用平台；换用相位可调底层还可波束赋形与多模扫描。相较既往器件，该偏振控制器剖面更低、灵活性更强、成本更低、可维护性更好，对无线通信极具吸引力。

实验部分简述，研究人员以低成本PCB制TCM-FRA，TCM为F4B（ε=2.2, tanδ=0.002），PCM为ε=2.65、tanδ=0.0015基板，馈源经50 Ω SMA接矢量网络分析仪（vector network analyzer, VNA）；接收标准线偏振喇叭置于远场（距离大于2L²/λ），计算机控步进电机转台1°步进采辐射方向图。