《Measurement》：Design and experimental characterization of an anisotropic transmissive metasurface for polarization conversion in upper mid-band 6G systems
编辑推荐：
基于μ负介质的超薄透射超表面设计实现6.4-8.4 GHz频段宽面极化转换，单位 cell尺寸0.15λ?×0.15λ?×0.015λ?，实测转换效率98%，带宽51.35%。
米纳姆巴尔·博斯（Meenambal Bose）| 瓦苏德万·卡鲁皮亚（Vasudevan Karuppiah）
印度泰米尔纳德邦马杜赖市蒂亚加拉贾尔工程学院（Thiagarajar College of Engineering）电子与通信工程系（Department of ECE）
摘要
本研究介绍了一种各向异性透射超表面的设计与实验特性，该超表面专为新兴的上中频段6G应用而设计，用于实现极化转换。根据2023年世界无线电通信大会（WRC-23）和WRC-27的指导方针，该超表面针对6.425–8.4 GHz频段进行优化，这一频段被视为未来6G通信的核心频率范围。设计中采用了亚波长μ负超材料单元格，其在Taconic TLX基底的两侧刻有不对称的交叉槽孔。单元格的尺寸为6.3 × 6.3 × 0.64 mm3（0.15λ? × 0.15λ? × 0.015λ?），其中λ?对应于工作频段7.4 GHz时的自由空间波长。利用所提出的单元格，进一步开发了一个16 × 16的超表面阵列，其整体尺寸为2.48 λ? × 2.48 λ?（100.8 mm × 100.8 mm）。在无回声室中进行的实验测量结果与仿真结果高度吻合，证实了从6.0 GHz到9.8 GHz的宽带极化转换效果，分数带宽达到51.35%，极化转换比率（PCR）超过98%。这些结果验证了这种各向异性透射超表面原型作为下一代6G前端系统的紧凑型宽带解决方案的有效性。
引言
向第六代（6G）无线网络的过渡需要先进的天线技术，这些技术能够支持超高速数据传输、可靠的连接性以及与移动设备和物联网平台的紧凑集成。由于频谱的上中频段在覆盖范围和容量方面具有平衡优势，因此被确定为6G部署的理想候选频段[1]、[2]、[3]。为了有效利用这一频谱，具有增强频谱效率和可扩展MIMO能力的紧凑型多端口天线模块至关重要[1]、[2]。
圆极化（CP）天线在现代无线系统中发挥着关键作用，因为它们具有减少多径衰落、更好的穿透能力和不受方向影响的接收特性。基于极化转换超表面（PCM）的最新CP天线设计显著提升了带宽和极化纯度[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。这些设计通常采用创新的几何结构，如三频段转换器、非均匀超表面和介质谐振器，以在保持紧凑外形的同时增强轴比带宽[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。利用基于PCM的结构还实现了频率和极化的重新配置[10]、[11]。为了满足5G/6G终端的尺寸和集成要求，已经提出了采用超表面的低矮CP MIMO天线[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]，包括折叠发射阵列、透明共形结构、法布里-珀罗谐振器和贴片-槽组合，这些设计显著提升了增益和极化性能。在MIMO领域，加载了超表面的微型天线在C波段和毫米波操作中显示出巨大潜力[17]。
除了辐射控制之外，超材料和超表面还在传感、吸收和射频前端滤波方面得到了应用[18]、[19]、[20]。新兴的设计包括适用于KU–Ka频段的全纺织吸收器[18]、用于早期疾病检测的太赫兹生物传感器[19]以及宽带极化依赖滤波器[20]。这些功能得益于提取有效介电常数和磁导率的基础理论和方法，这些方法证实了此类结构的超材料特性[21]、[22]、[23]。在极化转换超表面中，反射型PCM因其简单性和极化控制能力而被广泛采用。一些设计通过使用超薄反射表面、正交旋转元件和耶路撒冷十字频率选择表面实现了宽带和角度稳定的CP转换[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。然而，它们通常需要与光源保持一定距离，不太适合紧凑或共形系统。透射型极化转换超表面因能够实现前向辐射、低矮集成以及易于与辐射元件级联而受到关注。最近的研究报道了基于槽、FSS和频率选择表面的双频段、可重构和宽角度透射转换器[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。尽管取得了这些进展，大多数现有的透射设计仍然相对较厚（≥ 0.023λ?），并且只有少数设计通过有效的介质参数验证了超材料特性。
在这项工作中，提出了一种用于6.4–8.4 GHz频段6G应用的新型透射超表面，可实现线性到圆极化的转换。
a.设计了一种高度紧凑的单元格，尺寸为0.15λ? × 0.15λ?，厚度仅为0.015λ?。该单元格采用了新型μ负超材料，并通过有效参数提取验证了其特性，是唯一一个在比较中显示出负磁导率（μ < 0）的设计，为其极化转换功能提供了坚实的电磁基础。
b.所提出的超表面实现了高效率的圆极化转换，具有51.35%的宽3 dB轴比带宽、98%的极化转换比率以及0.98的高传输幅度（|T| = 0.98），确保了前向辐射方向上的稳健且稳定的右旋圆极化（RHCP）。制造了该超表面的原型并进行了实验测量，以验证仿真性能，证实了该设计在实际应用中的有效性。这种微型几何结构、高效极化转换和经过验证的超材料特性的独特组合，使其成为下一代紧凑型高性能CP天线系统的有力候选者。
本研究解决了实现适用于上中频段6G应用的超薄、低损耗、宽带透射线性到圆极化转换超表面的挑战。本研究的主要贡献在于设计并验证了一种紧凑型LCPC超表面，该超表面同时实现了宽轴比带宽、接近单位的传输效率以及经过验证的μ负超材料特性。与许多依赖反射或多层配置的现有方法不同，所提出的解决方案提供了更好的物理洞察力和集成灵活性。获得的结果突显了μ负特性在极化控制中的科学意义，并证明了所提出超表面在未来的6G天线、前端系统和极化敏感设备中的适用性。
本文的其余部分安排如下：第二节描述了超表面单元格的设计、仿真方法和超材料属性提取；第三节解释了极化转换机制；第四节展示了测量和仿真结果，并与现有工作进行了比较分析；最后，第五节总结了论文的关键发现和潜在的未来发展方向。
节选内容
LCPC超表面的设计与分析
这部分展示了超材料单元格的逐步开发过程，并提供了实证证据，证实了其在所提出的超表面中实现极化转换所需的μ负特性。
所提出超材料单元格的极化转换理论
所提出的超材料单元格经过精心设计，将电容性和感性元件结合在各向异性结构中，体现了基于超表面的极化转换的核心原理。当切向电场与超表面的金属条平行对齐时，会产生感应阻抗；而垂直方向则产生电容性响应。这种各向异性被用来实现极化转换。
表面电流分布
为了研究线性到圆极化（LTC）转换的机制，分析了所提出的透射超表面单元格在0°到180°不同入射波相位下的表面电流分布，如图7所示。为了实现全传输，该结构在7.4 GHz频率下工作，由介质基底两侧相同设计的金属层组成。诱导的表面电流在幅度上表现出动态变化。
结论
所提出的各向异性透射超表面为上中频段6G频段的极化转换提供了有效且紧凑的解决方案，符合WRC-23和WRC-27的分配要求。通过使用低矮Taconic基底上的紧凑型μ负超材料单元格和不对称交叉槽孔，该设计在中心频率7.4 GHz时的尺寸达到了亚波长级别，即0.15λ? × 0.15λ? × 0.015λ?。仿真和测量结果高度一致，证实了其有效性。
CRediT作者贡献声明
米纳姆巴尔·博斯（Meenambal Bose）：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件开发、资源准备、方法论制定、调查分析、概念化。瓦苏德万·卡鲁皮亚（Vasudevan Karuppiah）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、调查分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢泰米尔纳德邦马杜赖市蒂亚加拉贾尔工程学院电子与通信工程系的导师和教职员工提供的技术指导和支持。
