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JPhysD编辑优选：具有高透过率和超薄厚度的宽带惠更斯超表面

20 8月 2020 gabriels

本篇研究来自东南大学崔铁军教授带领的课题组，文章主要成果为：

提出了一种用来设计超薄厚度并且具有优良性能的惠更斯超表面的方法，该方法巧妙地利用所设计单元的不对称性来激发结构的磁谐振，进而达到降低结构剖面的目的，所设计的惠更斯超表面的厚度最终薄至。
采用这种方法设计的惠更斯超表面可以实现360°全范围相位调控，并且能够保正-2.75 dB以上的超高透过率。
所设计的惠更斯超表面的电响应和磁响应能够被独立控制，这大大简化了设计过程，并且可以用来提高结构的带宽，最终用来验证原理的惠更斯超表面天线的3-dB 增益带宽能够达到9.8%。

文章介绍

Broadband and ultrathin Huygens metasurface with high transmittance

Zheng Xing Wang (汪正兴), Jun Wei Wu (武军伟), Xiang Wan (万向), Liang Wei Wu (吴良威), Qiang Xiao (肖强), Qiang Cheng (程强) and Tie Jun Cui (崔铁军)

通讯作者：

崔铁军，东南大学

图1. 惠更斯超表面的原理图及所提出的惠更斯单元

图2. 所提出的惠更斯超表面单元的原理分析

图3. 惠更斯超表面天线的示意图及相位幅度分布

图4. 测试实验场景及测试结果

综上所述，我们提出了一种用来设计超薄厚度并且具有高透过率和宽带宽的惠更斯超表面的方法。该方法主要利用所提出单元的不对称性来激发结构的磁谐振，进而达到降低结构剖面的目的，所设计的惠更斯超表面的厚度最终薄至。通过对所提出的惠更斯超表面进行物理分析和关键参数分析，可以知道所设计的惠更斯超表面的电响应和磁响应能够被独立控制，这大大简化了设计过程，并且可以用来提高结构的带宽。利用该方法所设计出的惠更斯超表面可以实现360°全范围相位调控，并且能够保证-2.75 dB以上的超高透过率。因此，用来验证该原理的惠更斯超表面天线具有优异的性能，在10.2GHz的工作频点处，天线的增益高达28.4dBi，天线的口径面效率为43%，3-dB增益带宽为9.8%。所提出的惠更斯超表面可以被广泛应用于当今的无线通信领域中，满足无线通信领域中对于低剖面，宽带宽和高增益天线的需求。

研究背景

超表面作为一种人工二维亚波长电磁材料，具有低剖面及低损耗的特点，通过人为设计这种亚波长结构的几何形状，参数和排列方式，能够实现对电磁波振幅、相位、以及极化的自由控制，因此超表面也越来越受到来自物理界和工程界的广泛关注。但是，在透射式的超表面器件设计过程中，同时实现超薄厚度和优异性能仍然是一种挑战。

作者介绍

崔铁军，东南大学信息科学与工程学院教授、博导，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2003年获得国家杰出青年科学基金。2019年当选为中国科学院院士。他在Science、Nature 子刊、美国科学院院刊和PRL 等发表相关论文400余篇，出版专著3 部，论文被SCI 正面他引1万余次，授权国家发明专利63 项；作为第一完成人获2014 年国家自然科学二等奖、2018年国家自然科学二等奖、2016年军队科学技术进步一等奖及2011年教育部自然科学一等奖。