基于多元信息的多功能電磁集成超表面研究進展

許河秀 王彥朝 王朝輝 彭 清

①(空軍工程大學防空反導學院 西安 710051)

②(空軍工程大學基礎(chǔ)部 西安 710051)

1 引言

超材料(metamaterials)[1]是人們依據(jù)電磁學理論設(shè)計的由系列亞波長單元按照特定方式排列而成的具有奇異電磁特性的人工復合結(jié)構(gòu)。它既是一種材料形態(tài)，更是一種材料設(shè)計理念，為科學研究、工程設(shè)計和方法論帶來了變革并提供了一種新途徑。由于其靈活的三維各向異性結(jié)構(gòu)和排列方式選擇，超材料展現(xiàn)出強大的電磁波操控能力。但另外，超材料也不可避免地面臨體積大、損耗高和加工復雜等問題。

梯度超表面(后面簡稱超表面，區(qū)別于均勻超表面)是指由系列不同結(jié)構(gòu)和方位參數(shù)的亞波長單元排列而成，具有特定電磁功能的超薄結(jié)構(gòu)。其核心工作機理在于結(jié)構(gòu)與電磁波相互作用產(chǎn)生了突變相位，不需要像傳統(tǒng)材料那樣依賴實際傳輸路徑來積累相位，因此具有損耗小、效率高、厚度薄、電磁波調(diào)控能力強且結(jié)構(gòu)和排列靈活多樣等優(yōu)點，近年來受到國際研究人員的青睞和廣泛關(guān)注。自從Capasso基于超表面發(fā)現(xiàn)了廣義折射定律以來[2]，該領(lǐng)域研究進展日新月異，開辟了人們控制電磁波和光的全新途徑，產(chǎn)生了諸多深層次技術(shù)革新[3]，超表面研究也因此成為超材料研究的重要分支和研究熱點[4–9]。

隨著裝備和未來通信技術(shù)的發(fā)展，電磁集成技術(shù)成為未來電磁器件及小型化系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢。近年來，圍繞超表面開展新、多功能電磁集成器件的研究方興未艾。目前，超表面多功能集成主要通過激勵電磁波信息(如頻率、極化、方向和入射角等)和出射電磁波空間位置信息(如距離、方向、立體角和方位角)兩種編碼方式來實現(xiàn)超表面多功能集成。由于多功能超表面是指一類具有多種集成功能屬性超表面的泛稱，不能對該類超表面進行詳細具體分類，亟需以統(tǒng)一的信息維度來歸納。本文率先提出以激勵電磁波的頻率元、極化元、方向元和角度元以及出射電磁波的位置元等一元、二元甚至多元組合編碼多功能集成超表面為線索，詳細歸類總結(jié)該領(lǐng)域的研究進展和設(shè)計方法，獲得多功能集成超表面清晰的研究脈絡和發(fā)展路線，然后對多功能電磁超表面未來可能的發(fā)展方向進行了展望，旨在為多功能電磁超表面研究提供新思路。

2 基于一元電磁信息編碼的多功能集成超表面

2.1 出射波空間位置元多功能集成超表面

為實現(xiàn)多功能集成，人們最初提出基于出射波空間距離、立體角和方位角等位置信息元編碼的超表面，也稱“組合”策略，即先基于出射波的不同位置對各功能所需要的相位分布進行單獨設(shè)計，然后將實現(xiàn)獨立相位和功能分布的非均勻結(jié)構(gòu)通過精心設(shè)計巧妙交叉鑲嵌組合在一塊超表面中。如圖1(a)所示，通過集成不同旋向、成像面和出射角度編碼來對不同全息圖像的相位分布進行精心設(shè)計可以實現(xiàn)雙功能全息成像[10]。如圖1(b)所示，超表面分別在出射波的兩個不同空間位置處呈現(xiàn)出“花朵”和“蜜蜂”全息圖像，實現(xiàn)了反射雙功能集成[11]。如圖1(c)所示，通過分別在正交旋向電磁波激勵下設(shè)計兩套PB (Pancharatnam-Berry)相位分布，然后將兩套獨立相位集成于一塊板子上，實現(xiàn)了具有旋向選擇的全息成像和渦旋波束集成[12]。圖1(d)表明將圓形超表面分割成幾個不同環(huán)形區(qū)域，通過在不同區(qū)域編碼不同相位分布，可以在出射波不同聚焦面上實現(xiàn)具有不同拓撲荷的軌道角動量[13]。Maguid等人[14]基于幾何相位和共享口徑陣列方法報道了多渦旋波束，如圖1(e)所示，通過不同諧波階數(shù)通道實現(xiàn)了3對攜帶非對稱拓撲荷的渦旋波束，并將諧波共享口徑方法與交叉陣列共享口徑方法進行了對比，結(jié)果表明前者不受功能容量限制但功能靈活度受限。除此之外，位置元多功能方法進一步往多尺度(任意極化、入射角度和波長)研究方向發(fā)展，以緩解位置元之間的功能耦合[15,16]?；谖恢迷傻脑O(shè)計方法雖然簡單直接，但要求單元結(jié)構(gòu)簡單、尺寸電小、能量高度局域，從而避免結(jié)構(gòu)之間重疊和功能互耦和串擾(惡化信噪比)，因此高介電常數(shù)基板是保證超表面一定工作效率的關(guān)鍵，如圖1(a)中采用的便是高介電常數(shù)的立體金屬柱。另外，由于信噪比與功能通道數(shù)量成反比，理論上限制了位置元集成超表面功能通道數(shù)量，制約了其發(fā)展和實際工程應用。

位置元多功能集成超表面的另一研究方向是基于出射波的傳輸方向來編碼，隨著研究的深入，Xu等人[17,18]分別在傳輸、反射2個方向?qū)⒉煌δ苓M行編碼集成，實現(xiàn)了集成透反射陣以及全空間電磁調(diào)控，實現(xiàn)了以方向信息編碼多功能的新途徑。由于基于出射波傳輸方向編碼的多功能集成超表面多數(shù)基于不同頻率和極化，所以本文也將其歸為極化元和頻率元多功能超表面進行討論。

2.2 極化元多功能集成超表面

圖1 基于出射波不同空間位置信息編碼的多功能集成超表面Fig.1 Multifunctional metasurfaces based on position multiplexing of output wave

極化是記錄電磁波的重要信息之一，早期超表面多功能電磁調(diào)控主要集中體現(xiàn)在極化元道信息編碼上[19,20]。研究表明，各向異性單元能夠?qū)Σ煌瑯O化的電磁波產(chǎn)生不同的電磁響應，即各向異性雙折射效應[21]。因此，可以通過編碼極化信息來實現(xiàn)雙功能集成。基于該發(fā)現(xiàn)，線極化波激發(fā)下的反射型雙功能集成超表面率先被報道[19,22–26]，如圖2(a)和圖2(b)所示，其核心思想在于假設(shè)正交極化下超表面單元的相位響應可以獨立調(diào)控而互不影響，且沒有極化串擾，因此可以分別通過改變兩個正交方向上單元的長度lx和ly使單元具有不同的反射相位φx(x)和φy(y)，而x極化波下改變y方向長度所引起的相位φy(x)和y極化波下改變x方向長度所引起的相位φx(y)為零或者可忽略不計。近期，Cui等人[26]基于場可編程門陣列技術(shù)和變?nèi)荻O管實現(xiàn)了x極化波和y極化波的實時操控，如圖2(c)所示。與反射雙功能超表面進展幾乎并行，基于極化的透、反射雙功能超表面也被設(shè)計出來[18]，如圖2(d)所示，其實現(xiàn)較反射雙功能要復雜，因為不僅要同時實現(xiàn)透射幅度近1且360o透射相位覆蓋，還要兼顧正交極化下360o反射相位覆蓋和透、反射模式隔離。

圖2 基于線極化元編碼的多功能集成超表面Fig.2 Multifunctional metasurfaces based on polarization multiplexing of incoming wave under linear polarizations

相比于線極化波雙功能，圓極化波(旋向)雙功能超表面研究進展較為滯后[27–40]，因為常規(guī)結(jié)構(gòu)在左旋和右旋圓極化波下呈現(xiàn)的正負相位關(guān)系天然鎖定，功能也被完全限制。突破該瓶頸的核心機理在于同時引入傳輸相位和幾何相位來理論合成左旋和右旋通道下的相位，實現(xiàn)左旋和右旋相位的解耦，從而最終打破該固有限制[20]，如圖3(a)所示。Xu等人[27]建立了圓極化通道功能相位與正交線極化串擾之間的理論關(guān)系，發(fā)現(xiàn)線極化串擾會嚴重降低旋向功能效率，并最終實現(xiàn)了聚焦與波束偏折在旋向通道上的高效率集成，如圖3(b)所示。近期，基于旋向解耦思想的旋向各異非等幅度多波束[28]、旋向各異傳輸波與表面波操控也被報道出來[29]，且旋向解耦也進一步從反射拓展到透射領(lǐng)域[30]。

Fan等人[31]基于極化干涉機制和雙折射波片實現(xiàn)了旋向通道的輸出幅度解耦，甚至在任意2個正交極化通道下實現(xiàn)2套獨立輸出幅度分布，如圖3(c)所示，其核心思想在于構(gòu)建由2個不同結(jié)構(gòu)參數(shù)單元構(gòu)成的2×2超單元，使其滿足任意幅度所需要的局部相位干涉條件，再次復現(xiàn)了旋向相位解耦的思路和方法。Yuan等人[32]在旋向相位解耦思想的基礎(chǔ)上引入手性相關(guān)相位，通過多層單元之間的相對旋轉(zhuǎn)，使得左旋波和右旋波激發(fā)下的同極化輸出波具有不同的相位響應，最終獲得了4套獨立相位和功能，如圖3(d)所示。

圖3 基于圓極化波旋向元編碼的多功能集成超表面Fig.3 Spin-multiplexed multifunctional metasurfaces under two orthogonal Circularly-Polarized (CP) wave channels

旋向雙功能的另一個發(fā)展方向是基于非對稱傳輸或反射來抑制一個旋向而使另一個旋向的傳輸或反射效率達到100%。其中通過手性結(jié)構(gòu)控制不同旋向圓極化波的電磁響應是一種代表性方法，即選擇性吸收一種旋向圓極化波，而全反射/透射另一種旋向圓極化波[33,34]，如圖3(e)所示，該方法通過全局旋轉(zhuǎn)可用于幾何相位多功能超表面設(shè)計[35,36]。Xu等人[37]提出了相位干涉思路，通過共面雙同軸開口環(huán)諧振器構(gòu)建了局部傳輸相位和幾何相位，建立了圓極化波二向色性的相消和相長干涉條件與具有旋向選擇的任意多元復雜波前調(diào)控方法，實現(xiàn)了左旋圓極化波的吸收，右旋圓極化波的全反射，而通過對右旋圓極化波施加全局幾何相位可進行獨立相位調(diào)控，實驗驗證了圓極化波激勵下基于旋向選擇的左旋光貝塞爾波束和右旋光低雷達散射橫截面，以及線極化波激勵下基于頻率選擇的二波束和四波束多渦旋軌道角動量，其中渦旋階數(shù)和波束偏折角度均可調(diào)控，如圖3(f)所示。Li等人[38]提出通過調(diào)控兩個正交旋向手性單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以在連續(xù)波段內(nèi)調(diào)控超表面的工作波長、幅度和相位，顯著提升了調(diào)控深度。旋向電磁調(diào)控還被推廣到全空間，與方向元編碼多功能耦合在一起，如Cai等人[39]在兩個旋向下同時實現(xiàn)了透/反射電磁波前調(diào)控，Yang等人[40]利用級聯(lián)超表面在低頻、高頻分別實現(xiàn)了圓極化透射和線極化反射波前調(diào)控。

綜上，盡管在正交極化通道上編碼不同功能的相位可以實現(xiàn)預定的雙/三功能集成，但上述方法存在兩個瓶頸問題：(1)大部分設(shè)計都假定沒有極化串擾，但事實上不同極化通道下的極化串擾問題比較突出，影響了超表面功能的集成工作效率。(2)單個極化元調(diào)控自由度非常有限，僅局限于兩個正交極化通道，使得超表面所加載功能信息通道數(shù)目依然有限，難以滿足高容量通信需求。

2.3 頻率元多功能集成超表面

圖4 基于頻率元編碼的多功能集成超表面Fig.4 Multifunctional metasurfaces based on frequency multiplexing

頻率元多功能集成超表面設(shè)計的核心思想是在完全分離的不同頻段獨立加載幅度、相位信息，從而實現(xiàn)特定功能集成。目前，基于頻率元的多功能集成主要是采用優(yōu)化合成法、多層耦合法和多模諧振法。Aeita等人[41]通過平面多個耦合諧振在特定3個離散頻率處實現(xiàn)了無色差透鏡，合成的相位抵消了常規(guī)頻率色散，開創(chuàng)了消色差器件設(shè)計的先河，如圖4(a)所示，但基于大量參數(shù)掃描和優(yōu)化方法尋找同時滿足3頻段特定相位分布的透鏡陣列非常低效耗時，難于推廣。Huang等人[42]通過在垂直方向上堆疊兩層工作于7.8～15 GHz和25 GHz兩個不同頻段的單元結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了RCS減縮和奇異波束偏折雙功能集成。Xu等人[43]通過共面多模諧振器和雙層耦合共振產(chǎn)生了多個劈裂諧振模式，通過調(diào)控多模式的位置使相位色散近似線性，從而獲得了多頻漫反射隱身，同時多模工作不僅使得帶寬和相位覆蓋范圍增大，也為相位調(diào)控提供了更多自由度，如圖4(b)所示。Avayu等人[44]設(shè)計了由3層不同金屬片構(gòu)成的超表面單元，每層金屬片結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后可以獨立控制一種顏色的光，從而實現(xiàn)多個不同全息圖像的集成，如圖4(c)所示。Huang等人[45]受仿生學啟發(fā)，模擬飛蛾眼睛的雙層結(jié)構(gòu)同時在微波和光波段實現(xiàn)了全波段電磁吸波，且具有自適應和防水特性，如圖4(d)所示。除多層體系外，單層內(nèi)排布多個工作于不同頻率處的諧振結(jié)構(gòu)也是編碼多功能超表面的主流方法。Bai等人[46]在亞波長范圍內(nèi)巧妙地集成了由3個諧振器組成的單層反射超表面單元，在3個頻率通道下實現(xiàn)了電磁波的獨立操縱，如圖4(e)所示。該方案不僅適用于微波段，而且在更高頻段的多功能超表面設(shè)計中廣泛應用。Wang等人[47]通過在單層超表面單元上排布3種不同的迷你型介質(zhì)結(jié)構(gòu)在光波段實現(xiàn)了對紅、藍和綠3種光的波前調(diào)控，如圖4(f)所示。Xie等人[48]在單層結(jié)構(gòu)中同心排列2個半徑不同的開口環(huán)諧振器，中間通過閉合環(huán)隔離，通過獨立改變2個開口環(huán)的長度和方位旋轉(zhuǎn)角在2個頻段內(nèi)實現(xiàn)了獨立幅度和相位調(diào)控以及不同全息功能，如圖4(g)所示。Liu等人[49]基于開關(guān)二極管可重構(gòu)調(diào)控超表面不僅在不同頻段分別實現(xiàn)了線極化波到左旋和右旋圓極化波的轉(zhuǎn)換，還通過實時調(diào)控在線極化電磁波沿45o極化時實現(xiàn)了不同電磁功能的空間集成。

綜上，頻率元雖然不失為編碼多功能的好載體，但目前多頻工作均集中于模式產(chǎn)生和模式幅度調(diào)控，很少進一步基于模式進行相位和功能調(diào)控，使得真正頻率元多功能超表面研究鳳毛麟角，零散不成系統(tǒng)，亟需進行深入研究并系統(tǒng)建立頻率元功能的設(shè)計原理方法，尤其是多頻相位獨立設(shè)計和控制。另外，頻率多功能超表面要求每個工作頻段不能距離太近，避免各模式之間的相位串擾，從而保持工作效率，故基于單獨頻率元提供的功能通道非常有限，目前已報道工作中最多能實現(xiàn)三功能集成。因此，要空前提高功能信道容量，必須進一步研究多元組合的多功能設(shè)計方法。

2.4 角度元多功能集成超表面

2017年，加州理工大學Kamali等人[50]提出了基于入射電磁波的角度來編碼的角度多元超表面，通過特殊設(shè)計U型諧振器單元使其在0°和30°入射角下產(chǎn)生不同的諧振模式和電磁響應，從而改變了角度色散特性，最終在2個特定角度下實現(xiàn)了多功能超表面，即隨角度變化的全息圖像(“Caltech”和“LMI”)，如圖5(a)所示。雖然最終超表面只能在0°和30°兩個入射角度上編碼不同的全息相位，且2個特定角度下全息所需的2套相位均根據(jù)大量數(shù)據(jù)掃參近似得到，但這已代表該領(lǐng)域的重大突破，標志著入射角域信息可以作為載波通道來編碼功能信息。Zhou等人[51,52]研究了角度散射理論，發(fā)現(xiàn)超表面的色散由單元的近場耦合和輻射方向圖決定，如圖5(b)所示，基于該發(fā)現(xiàn)通過合理控制角度色散實現(xiàn)了角度選擇吸波體和角度選擇超極化器，但均為特定功能的連續(xù)調(diào)控，很難實現(xiàn)功能突變。

角度電磁調(diào)控的另一個方向是基于空間超表面序構(gòu)，即重構(gòu)超表面的空間排列方式，相當于改變電磁波的入射角，也可以歸為角度編碼超表面。因此，通過剪紙和折紙方法調(diào)控超表面的空間序構(gòu)也可以實現(xiàn)多功能集成。折紙和剪紙方法是將二維平面材料(如紙張)轉(zhuǎn)化為三維空間結(jié)構(gòu)的藝術(shù)方式，其本質(zhì)是通過折疊使得平面材料某些點具有非零高斯曲率。近期，Li等人[53]基于傳統(tǒng)的折紙方法實現(xiàn)了一款多功能超表面，通過折紙方式調(diào)節(jié)折疊角可以實現(xiàn)吸波器、鏡面反射器和逆向反射器3種不同功能之間的切換，如圖5(c)所示。Le等人[54]采用不同的剪紙模式重構(gòu)空間角，在3個不同頻段上實現(xiàn)了極化控制的多功能集成超表面。如圖5(d)所示，通過改變剪紙的折疊角，實現(xiàn)了反射器、頻率選擇傳輸和極化選擇吸波3種功能之間的切換?？臻g折疊角的引入不僅增加了調(diào)控的自由度，而且將多功能超表面從靜態(tài)轉(zhuǎn)換為動態(tài)可調(diào)，拓展了超表面的應用范圍。綜上，無論是基于平面還是空間序構(gòu)角度超表面，都面臨著功能調(diào)控受限等瓶頸，且平面角度超表面的調(diào)控機制和設(shè)計依據(jù)仍然不清楚，而空間序構(gòu)多功能超表面集成基本依賴手動式機械調(diào)諧，不可避免的人工誤差嚴重影響了超表面調(diào)控精度和效率。因此，迫切需要系統(tǒng)研究角度調(diào)控設(shè)計理論方法和開展基于機器學習的智能可調(diào)角度超表面研究。

2.5 方向元多功能集成超表面

圖5 基于角度元編碼的多功能集成超表面Fig.5 Multifunctional metasurfaces based on incident angle multiplexing

圖6 雙面像超表面概念及示意圖Fig.6 Schematic diagram of the concept of Janus metasurface

方向元多功能集成超表面的方向選擇功能可用雙面神的兩個不同面像來比擬，雙面神(god Janus)源自羅馬神話，代表能看往過去和未來的兩個面。該概念后來被延伸到二維材料[55,56]和超表面設(shè)計中[57,58]，但均局限于同一面內(nèi)、工作于不同極化上的兩種單元以及基于此引發(fā)的兩種功能，與雙面神的兩個不同面有本質(zhì)區(qū)別，并不是真正意義上的雙面像超表面。直到最近，東南大學Zhang等人[59]，南京大學Chen等人[60]以及空軍工程大學Zhang等人[61]分別在線極化波和圓極化波激發(fā)下基于非對稱手性超表面在前向和后向兩個方向上實現(xiàn)了兩個不同透射或反射功能，雙面像超表面的原型才得以最終確立。如圖6(a)所示，Zhang等人通過采用多層各向異性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了x極化透射相位和y極化反射相位的獨立調(diào)控，最后通過方向編碼實現(xiàn)了三功能集成，其中反射波前調(diào)控在前向和后向入射是非對稱的，為反射雙面像[59]。Chen等人[60]通過3層旋轉(zhuǎn)角度不同的開口環(huán)結(jié)構(gòu)在線極化波激勵下實現(xiàn)了前、后向入射的非對稱性傳輸，復制該單元并旋轉(zhuǎn)90°再與原單元合成構(gòu)建新的雙面像單元，通過獨立調(diào)整子單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在電磁波前向和后向入射時分別實現(xiàn)了“F”和“B”形的全息圖像，如圖6(b)所示。Zhang等人[61]受頻率選擇表面帶通或帶阻濾波特性啟發(fā)，通過設(shè)計頻率選擇層，在8 GHz和12 GHz處分別實現(xiàn)了圓極化波反射和透射相位的獨立操縱，超表面單元由3層金屬結(jié)構(gòu)組成，中間圓形開槽結(jié)構(gòu)起頻率選擇作用，兩側(cè)開口環(huán)諧振器和改進“H”結(jié)構(gòu)分別用來調(diào)控反射和透射相位，且兩側(cè)開口環(huán)諧振器可以獨立操控實現(xiàn)非對稱反射雙面像，最終實現(xiàn)了反射奇異偏折、聚焦和透射渦旋波束，如圖6(c)所示。

可以看出，雙面像超表面的2個基本特征在于：(1)不同功能發(fā)生在前、后入射方向上，屬于雙向通道編碼多功能領(lǐng)域；(2)超表面為基于梯度相位的非均勻超表面，不同于以往非對稱傳輸?shù)木鶆虺砻嬷荒苷{(diào)控傳輸幅度，不能調(diào)控波前。雙面像超表面通過巧妙電磁設(shè)計，很容易實現(xiàn)非互易電磁特性，在雷達非對稱識別、探測、隱身以及雙工器、通信天線收發(fā)一體領(lǐng)域具有重要應用前景。

2.6 小結(jié)

至此，基于上述位置元、極化元、頻率元、角度元和方向元信息的一元無源多功能超表面電磁調(diào)控均已被報道。盡管如此，通過在正交極化通道上或不同頻譜通道上加載不同功能相位從而最終實現(xiàn)預定的雙/三功能存在以下2個突出問題：一是極化雙通道調(diào)控的極化串擾以及頻率多通道相位的非線性色散使得雙/三功能效率下降，功能失真；二是操控的功能數(shù)量、自由度仍然非常有限，沒有實現(xiàn)資源最大利用率，在復雜、深度電磁操控領(lǐng)域面臨重大挑戰(zhàn)，仍遠不能滿足國防武器裝備和現(xiàn)代通信系統(tǒng)對靈活多樣功能調(diào)控、超高集成、超大編碼信息容量和超高性能的重大需求，迫切需要新方法、新機制來突破已有功能瓶頸。如何繼續(xù)深層次提高超表面的信息容量以及工作效率是復雜、深度電磁操控領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵科學問題。另外，借助相控陣雷達理念，一元可調(diào)編碼超表面通過T/R組件控制電路、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和數(shù)字信號處理等器件雖然在不同時間域?qū)臻g輻射/散射波束指向進行實時操控和波束掃描，一定程度上形成了多個通道，但這種調(diào)控方式面臨一個重要瓶頸，即波束覆蓋范圍受限，很難突破±60°，幾乎不能實現(xiàn)全空間覆蓋，這嚴重制約了雷達的觀測范圍，具有很大的盲區(qū)。因此，如何提高超表面的波束覆蓋范圍是國防領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

3 基于二元或多元電磁信息編碼的多功能集成超表面

雖然一元多功能超表面設(shè)計方法可以提供多個信息通道，但是所實現(xiàn)的多功能超表面僅僅在單一方向激勵下工作(如電磁波沿+z或–z方向入射)，而留下另外一個激勵方向未被挖掘，導致基于單一信息元編碼多功能的信道容量受到極大限制。隨著超表面領(lǐng)域的快速發(fā)展，近年來基于上述信息元組合的二元、多元集成編碼超表面被零星報道，有望進一步拓展超表面信息通道和容量，開啟了多元集成超表面研究，如極化-方向二元、旋向-頻率二元、極化-頻率二元以及旋向-頻率-波矢多元集成超表面等。

在極化-方向二元集成超表面研究方面[59–63]，方向元的引入對進一步增加信道通量發(fā)揮重要作用。采用與文獻[59]類似的方法，Luan等人[63]實現(xiàn)了四功能集成，進一步證明了該方法的可行性。Jin等人[64]提出了旋向-頻率二元編碼，并利用2個旋向(左旋和右旋圓極化)在紅、綠和藍3個光波段實現(xiàn)了6-bit編碼的多功能全息成像超表面，如圖7(a)所示。Wang等人[65]通過由4個不同C形諧振器組成超單元(編號為1,2,3和4)，提出了極化-頻率二元編碼，如圖7(b)所示，其核心思想在于4個C形諧振器可以在不同極化和頻率獨立工作，即當x極化波入射時，子單元1,2工作，而3,4不工作；當極化方向旋轉(zhuǎn)45°后，3,4工作而1,2不工作，1,4工作于0.6 THz而2,3工作于0.8 THz，最終巧妙組合實現(xiàn)了極化-頻率調(diào)控的4通道全息圖像。除二元編碼外，多元調(diào)控方法對增加功能信息通道有著更加顯著的效果。為拓展自由度，Xu等人[66]提出了旋向-頻率-波矢多元方法，如圖7(c)所示，單元由工作于不同頻率的雙層棋盤排列的開口諧振環(huán)和十字金屬貼片組成，通過抑制不同模式之間的耦合，單元可獨立工作于兩個完全分離的頻段，同時通過對十字貼片的幾何相位和動態(tài)相位合成，固有正負旋向相位關(guān)系被打破，再通過在不同頻率和不同解耦旋向通道上編碼多波矢實現(xiàn)了10通道復雜波前集成，極大釋放了調(diào)控自由度。

圖7 基于二元、多元電磁信息編碼的多功能集成超表面Fig.7 Multifunctional metasurfaces based on binary-and triple-information multiplexing

綜上，基于二元和多元方法的集成編碼多功能超表面大部分超表面僅工作于半空間區(qū)域，即使通過方向元實現(xiàn)了超表面全空間電磁調(diào)控，最終也仍未打破對稱性傳輸，目前尚未見有關(guān)多元雙面像超表面混合編碼的相關(guān)報道，尤其是多元透射雙面像以及多元集成透、反射雙面像，且一元反射雙面像和一元透射雙面像的實現(xiàn)方法極度匱乏，亟需探索更多新機制、新方法來實現(xiàn)。另外，亟需建立系統(tǒng)的研究方法，尤其是研究多元雙面像功能信息通道數(shù)量的理論限制，同時多元雙面像超表面預示著很多新的物理現(xiàn)象和某些特殊的物理規(guī)律等待發(fā)掘。

4 多功能電磁超表面展望

4.1 多元雙面像多功能集成超表面

將雙面像超表面與極化元、頻率元、位置元和角度元磁信息編碼結(jié)合的多元雙面像有望解決一元多功能超表面方法面臨的挑戰(zhàn)。如圖8所示[67]，F(xiàn)1—F6表示不同功能，其中F1—F4表示反射功能，F(xiàn)5和F6表示前向和后向透射功能。該雙面像超表面在不同頻率、極化或角度上實現(xiàn)了完全獨立的前向、后向、透射和反射功能，功能多樣性、通道數(shù)量和調(diào)控自由度得到顯著提升。假設(shè)m,n,g,j,k分別表示上述各一元信息的通道數(shù)量，簡單計算可知多元信息混合編碼超表面的最大通道數(shù)量為m×n×g×j×k。由此，多元雙面像多功能超表面能空前提升一元電磁信息多功能超表面的電磁調(diào)控自由度、深度和復雜度，對發(fā)現(xiàn)新物理、突破功能器件和陣列天線的功能信道容量和功能集成度具有重要科學意義，在國防武器裝備雷達、通信領(lǐng)域具有重要工程應用價值，如圖9所示。

首先，將超表面的頻率元、極化元、位置元信息與雙面像進行混合編碼和調(diào)制，可望突破反射或透射域的半空間波束調(diào)控范圍，最終實現(xiàn)全空間電磁調(diào)控并進一步拓展相控陣雷達天線的波束掃描覆蓋范圍。其次，由于多元雙面像超表面可以調(diào)控靈活多樣的電磁散射功能，呈現(xiàn)不同的非對稱雷達目標散射特征，將該超表面加裝或賦形于需要隱身的重要軍事目標，對不同面的觀察者可望產(chǎn)生不同的幻覺信號來制造假象，從而達到非對稱幻覺隱身。最后，由于在一塊板子上集成了多個功能，無需級聯(lián)多個器件，射頻設(shè)備的體積和重量將顯著減小，最終實現(xiàn)機載彈載設(shè)備的集成化、小型化，具有可觀的工程實用價值。

圖8 多元雙面像超表面概念及功能示意圖[67]Fig.8 Schematic diagram of the concept and function of Janus multiplexing metasurface[67]

圖9 開展多元雙面像超表面研究的科學意義和潛在工程實用價值Fig.9 The scientific significance and potential engineering value of the research on Janus multiplexing metasurface

總之，雙面像超表面的組合元越多，自由度越大，電磁超表面調(diào)控的靈活度就越高。更重要的是如果將所有自由度結(jié)合在一起，通過動態(tài)改變?nèi)肷錀l件和出射波檢測位置，超表面可以根據(jù)需求實時呈現(xiàn)預定電磁功能，這是多功能超表面發(fā)展的最終目標，也是研究人員未來繼續(xù)努力的重要方向。然而，多元編碼超表面研究目前仍然處于初步階段，更復雜組合方式的理論極限(由信噪比決定)、實現(xiàn)和新機理有待進一步研究。

4.2 時空編碼與智能感知多功能集成超表面

目前，多功能電磁超表面的相位分布均在無源情形下基于空間結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的空間相位編碼來實現(xiàn)，但器件一旦制備，其功能被固化，要想重新定制電磁功能必須重新設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，通常效率低、可復用性差，難以實時操控電磁波?；诳烧{(diào)技術(shù)的實時相位操控來實現(xiàn)多功能成為未來的重要發(fā)展趨勢[8,9,68–70]。但絕大多數(shù)可調(diào)超表面只關(guān)注空間相位調(diào)控，忽略了頻譜調(diào)控。而時間編碼可控制電磁波的頻譜分布，若將空間相位和時間相位編碼結(jié)合起來不但可調(diào)控電磁波束的空間分布，還可操控頻譜分布并極大地增加信息容量[71]，因此基于時空編碼的可編程超表面將是未來多功能超表面的重要發(fā)展方向。多功能集成超表面的另一個重要發(fā)展方向是智能感知超表面[72]，通過機器學習快速地感知并動態(tài)適應復雜環(huán)境變化和外界刺激，在現(xiàn)實工程中具有廣闊應用前景。