张量人工电磁表面的通用设计方法研究

Metasurface is a kind of artificial electromagnetic surface material composed of electrically small unit cells distributed in two dimensional surface. Its designable surface impedance enables far more powerful manipulation on electromagnetic wave propagation. The electromagnetic wave full manipulation means control on phase, magnitude, and polarization of the wave transmission (or reflection), which calls for the metasurface having second-order tensor surface impedance. However, the metasurface in present stage are usually designed to control one of these three factors. Hence, this project focuses on the general design approach of the metasurface with second-order tensor surface impedance for full wave manipulation. First, we will derive the mathematical relation between the second-order tensor surface impedance and wave transmission and reflection. Then, we will explore the approaches of physical realization of such metasurface with tensor surface impedance, including the basis transformation method and direct method which are suitable for the diagonalizable and non-diagonalizable second-order tensor surface impedance through a real transition matrix respectively. Last, we will apply the general design approach to design and experimentally validate a batch of tensor metasurface with novel functions or better performance. The outcome of this project will effectively improve the capability of realizing tensor surface impedance and enhance electromagnetic wave manipulation level. The delivered devices can be used in the area of electromagnetic and optical communication signal processing, holography imaging, and so on and so forth.

人工电磁表面(metasurface)是一种由电小尺度单元结构在二维表面内周期排列构成的电磁表面材料。它具有可人为设计的等效表面阻抗，大大地增强了人们对电磁波传播的操控能力。对电磁波的操控包括控制透射(或反射)波的相位、幅度和极化三方面，而目前的人工电磁表面多为针对其中之一进行设计的。实现全面控制需要人工电磁表面具有二阶张量形式的表面电磁阻抗。因此，本项目研究二阶张量人工电磁表面的通用设计方法。我们将首先理论分析二阶张量表面阻抗与电磁波传输和反射参数之间的数学表达式。其次，我们探索二阶张量表面阻抗的物理实现方法，包括基变换法和直接法，分别适用于经实矩阵可对角化和不可对角化的二阶张量阻抗矩阵。最后，我们将运用通用方法设计并实验验证一批具有新功能或性能更好的张量人工电磁表面。研究成果将有效提升张量表面阻抗的实现能力和对电磁波的操控水平。研发器件可应用于电磁和光通信信号处理，全息成像等领域。

人工电磁表面是一种由电小尺度单元结构在二维表面内周期排列构成的电磁表面材料。它具有可人为设计的等效表面阻抗，大大地增强了人们对电磁波传播的操控能力。对电磁波的操控包括控制透射(或反射)波的相位、幅度和极化三方面。目前的人工电磁表面多为针对其中之一进行设计。实现全面控制需要人工电磁表面具有二阶张量形式的表面电磁阻抗。因此，本项目进行了二阶张量人工电磁表面的研究。. 我们建立了均匀和非均匀单层张量人工电磁表面散射理论。这套理论不仅可以用来分析张量人工电磁表面的电磁散射特性，而且可以根据电磁波散射特性来确定张量表面阻抗。 此外，由于实际的人工电磁表面往往是多层级联形式，我们又将之前的单层张量人工电磁表面散射理论与电路理论结合，发展出多层张量人工电磁表面的级联理论。之后，我们提出了无过孔的张量人工电磁表面单元设计方案。这个方案不仅可以实现所需的张量表面阻抗，而且无需过孔，所以结构简单，易于加工，特别适合光频段。. 研究成果加深了我们对张量人工电磁表面的认识，建立的理论有助于此类电磁表面的分析和设计，无过孔的单元设计方案简化了加工过程。我们的研究成果将提升对电磁波的全面操控能力。.