论文笔记（二）：预相位幅相控制超表面
文献基本信息
- 题目：Prephase-Based Reconfigurable Joint Amplitude-Phase Control
Metasurface for Multifunctional Scattering Manipulation
- 基于预相位可重构的幅相联合控制超表面，用于多功能散射控制
- NJU EMLAB
- 发表于期刊Advanced Optical Materials
主要内容概括
提出一种 “预相位（prephase）+ 双极化独立可重构” 的联合幅相调控超表面（PRJAP）：每个单元只用两只 p‑i‑n 二极管，就能用一个偏置电压同时连续调节反射幅度、并实现 1‑bit 相位切换；再借助两种相差 90° 的预相位单元把 1‑bit 相位扩展为准 2‑bit 覆盖，从而在微波 5.9 GHz 实现单波束、对称/非对称多波束、波束强度调节与极化转换等多种散射操控。
单元结构
每个单元是一个十字臂结构，十字臂的两个方向中间各有一个PIN二极管，通过PIN管的等效电阻调控电磁波的幅度与相位。x与y两个方向的PIN管一个位与顶层一个位与底层，通过过孔分别于各自方向连接。
工作原理
幅度调控原理
当施加的直流电压从0V逐渐增长到13V时，所使用的PIN管的正偏等效电阻会随之从约1700Ohm逐渐下降到约0.5Ohm，从而改变单元的输入阻抗Zin，反射系数会先下降后上升（from reflection to absorption and then switched back to reflection）：无论是电阻过大还是过小都会导致谐振失配，电磁波的能量大部分被反射出去，反射系数高；而电阻在合适的合适的大小上时谐振匹配，电磁波的能量大部分都在这个等效的R上耗散掉了，反射系数低。
相位调控原理
在上述幅度调控的过程中，反射系数实部从接近+1降到接近-1，穿过零点，在复平面上绕过原点，相位会变化180°。幅度吸收峰上正好是相位翻转点，两个幅度反射峰正好对应两个不同相位，实现1-bit相位调控。
在此基础上，采用了“预相位”技术，设计了两种物理尺寸不同的十字臂单元UC0与UC1，这两种单元之间天然具有90°的相位差，对于整个天线口径来说，可用的相位共有0°/90°/180°/270°四种，即2-bit相位控制。
极化调控原理
之前提到十字臂的两个臂上各有一个PIN管，可以分别独立调控x方向极化和y方向极化的幅度相位。反射波的极化由这两个通道的复反射系数之比决定，即 $$ \rho=\frac{r_y}{r_x}=\frac{A_y}{A_x}\,e^{j(\varphi_y-\varphi_x)} $$
| 条件 | 反射波极化方式 |
|---|---|
| Ax = Ay, $= 0 $ | 与入射极化方向相同 |
| Ax = Ay, $= 180 $ | 与入射极化方向垂直 |
| Ax = Ay, $= $ | 入射线极化，反射左/右旋圆极化 |
之前提到，单个单元内的相位调控是1-bit的，理论上做不到将线极化转换为圆极化。但是在整个天线口径上，可以让x与y两个通道的口径综合场相差90°，从而做到圆极化。比如：
- x 通道：8 列在 90°、8 列在 0°，孔径和 ∑ejφx = 8 + 8j，幅角 +45°
- y 通道：8 列在 −90°、8 列在 0°，孔径和 ∑ejφy = 8 − 8j，幅角 −45°
两者幅度相等、相差 90°，满足圆极化条件。
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