可重構(gòu)電磁超表面及其應(yīng)用研究進(jìn)展

楊歡歡 曹祥玉 高 軍 李 桐 李思佳 叢麗麗 趙 霞

①(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710077)

②(78111部隊(duì) 成都 610031)

1 引言

電磁超表面被視為電磁超材料的二維形式，它可以在表面處對(duì)電磁波的特性有效調(diào)控，從而突破自然材料表面的Snell定律限制，實(shí)現(xiàn)各種奇異的電磁現(xiàn)象[1,2]。2011年，美國哈佛大學(xué)Yu等人[3]在Science發(fā)文首次提出超表面的概念，介紹了利用超表面實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)光波的調(diào)控，并將光波在超表面的反射和折射規(guī)律歸納為廣義Snell定律。與三維的超材料相比，超表面的亞波長厚度，使其可以采用光刻、印刷等大規(guī)模生產(chǎn)方式制備，也可直接和電路集成應(yīng)用，這些突出優(yōu)勢極大激發(fā)了研究人員的興趣。起初，超表面的研究集中在無源設(shè)計(jì)，一旦制備完成后，其功能是固定的，這在某種程度上限制了其適用范圍。2014年，東南大學(xué)Cui等人[4]和美國賓夕法尼亞大學(xué)Giovam paola等人[5]相互獨(dú)立地提出數(shù)字超材料的概念。與Giovam paola等人相比，崔鐵軍[6]利用數(shù)字編碼代替等效媒質(zhì)描述超材料，并首次提出可編程超材料的概念，構(gòu)建了超材料研究的新體系。他們還利用可編程超表面實(shí)現(xiàn)了微波頻段對(duì)平面波的動(dòng)態(tài)調(diào)控，可調(diào)諧超表面隨之進(jìn)入研究人員的視線并得到了迅速發(fā)展。

“可重構(gòu)”一詞源于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，其本意是指通過電子器件控制計(jì)算電路，在不改變電路結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)多種可控的功能。物理學(xué)家將這一概念引入超表面領(lǐng)域，用可重構(gòu)超表面描述具有多種可調(diào)性能的超表面。區(qū)別于早期的性能固定超表面，可重構(gòu)超表面的性能可以靈活調(diào)節(jié)，這立刻吸引了眾人的廣泛關(guān)注。截至目前，可重構(gòu)超表面的研究主要集中于3個(gè)層面：可重構(gòu)單元設(shè)計(jì)與優(yōu)化、可重構(gòu)超表面功能與實(shí)現(xiàn)、基于可重構(gòu)超表面的系統(tǒng)構(gòu)建與驗(yàn)證。

高性能的單元是可重構(gòu)超表面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。以反射型超表面為例，圖1給出了單元實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的3種主要方式：改變諧振頻率、改變傳輸線長度、改變旋轉(zhuǎn)角度。在這3種方式的基礎(chǔ)上可以衍生出各式各樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[7–13]?？芍貥?gòu)單元設(shè)計(jì)與優(yōu)化的難點(diǎn)主要在于如何將可重構(gòu)技術(shù)與超表面巧妙結(jié)合以獲得需要的高性能。如在電控可重構(gòu)單元中，如何選擇電子器件類型與數(shù)量[14]、電子器件在單元中的位置設(shè)計(jì)[15]、電子器件的偏置結(jié)構(gòu)加載[16]、如何提高可重構(gòu)性能(高吸波率/低損耗、寬帶寬)[7,17,18]和如何拓展可重構(gòu)的性能維度(雙極化、多功能)[19–21]等。

圖1 反射型超表面單元可重構(gòu)的主要方式Fig.1 Reconfigurable methods of reflective metasurfaces

利用可重構(gòu)單元組成表面，可以獲得多種電磁功能的捷變調(diào)控。早在2003年，Sievenpiper等人[22]通過整列控制超表面單元，獲得相位梯度，實(shí)現(xiàn)了反射波束在±40°內(nèi)二維掃描。后來，人們發(fā)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單元獨(dú)立控制可以獲得很多重構(gòu)的先進(jìn)性能，實(shí)現(xiàn)諸如空間波束賦形[23,24]、新型相控陣[25–28]、全息成像[29,30]、渦旋波復(fù)用[31]甚至是多種功能的一體化[32]等。2016年，Cui等人[33]利用可重構(gòu)超表面進(jìn)行信息熵操作及數(shù)字卷積和加法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁波和數(shù)字信息的同時(shí)調(diào)控。近兩年，從時(shí)間、空間和時(shí)域、頻域維度研究時(shí)空編碼超表面[34]和非線性超表面[35]使得可重構(gòu)超表面的研究有了新的突破。

隨著可重構(gòu)超表面研究的深入，可重構(gòu)超表面實(shí)時(shí)調(diào)控電磁波的能力不斷豐富。這使得人們不禁思考：基于可重構(gòu)超表面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無線通信系統(tǒng)？2017年，采用1比特可重構(gòu)超表面實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可調(diào)微波全息成像系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)[30]。2019年，基于可重構(gòu)超表面的無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)研制成功[36]。與經(jīng)典的無線傳輸系統(tǒng)相比，這類傳輸系統(tǒng)不再需要數(shù)模轉(zhuǎn)換等中間過程，而是直接將信息加載到超表面上進(jìn)行輻射，極大簡化了發(fā)射機(jī)的架構(gòu)[37]。同年，基于可重構(gòu)超表面的可認(rèn)知超表面系統(tǒng)也被報(bào)道[38]，這將擺脫超表面控制對(duì)人工的依賴，實(shí)現(xiàn)智能化，加速人工智能時(shí)代的到來。

作為可重構(gòu)超表面研究團(tuán)隊(duì)家族中的一員，空軍工程大學(xué)曹祥玉教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組從2006年起就持續(xù)關(guān)注超材料的最新進(jìn)展，并開展了大量探索研究。2010年以來，團(tuán)隊(duì)將可重構(gòu)概念和超表面技術(shù)有機(jī)結(jié)合，開展微波頻段的可重構(gòu)電磁超表面研究，取得了一些有益成果。本文在介紹國內(nèi)外可重構(gòu)超表面研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以該團(tuán)隊(duì)的研究成果作為案例進(jìn)行綜述，從一個(gè)側(cè)面見證可重構(gòu)超表面的研究與發(fā)展歷程，并分析了可重構(gòu)超表面未來的發(fā)展方向。

2 可重構(gòu)超表面的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)超表面可重構(gòu)的技術(shù)可分為機(jī)械方式和電控方式兩大類。

機(jī)械方式是通過機(jī)械改變超表面物理結(jié)構(gòu)，從而獲得電磁性能變化。常見的機(jī)械方式主要包括單元旋轉(zhuǎn)[26]和高度平移[39]。由于實(shí)施簡單，機(jī)械方式是實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)較早的一種方式，但由于重構(gòu)速度慢、空間受限、控制復(fù)雜、精度易受機(jī)械誤差影響，機(jī)械方式并未受到太多重視。近些年，隨著電控機(jī)械控制器件的發(fā)展，采用直線執(zhí)行器、微馬達(dá)等控制超表面單元重新引起人們的關(guān)注。尤其機(jī)械方式特有的不增加單元損耗、線性度好等特點(diǎn)在工程上很受青睞。

電控方式通過電控器件或電控材料實(shí)現(xiàn)超表面性能的重構(gòu)。與機(jī)械方式相比，電控方式具有響應(yīng)速度快、集成度高、設(shè)計(jì)靈活等突出優(yōu)點(diǎn)，也是可重構(gòu)超表面近些年的主要實(shí)現(xiàn)方式[40,41]。表1總結(jié)了文獻(xiàn)中常用的電控可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。其中，常用的集總電子元件主要包括PIN二極管、壓控/變?nèi)荻O管和基于MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)的開關(guān)/二極管。PIN二極管可以作為微波開關(guān)[42]，采用N個(gè)PIN二極管的超表面單元其重構(gòu)狀態(tài)往往不超過2N個(gè)；而壓控/變?nèi)荻O管在外加不同電壓時(shí)，其PN結(jié)反偏結(jié)電容會(huì)發(fā)生連續(xù)變化，可實(shí)現(xiàn)超表面的連續(xù)重構(gòu)狀態(tài)[43]。盡管這兩種集總元件技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、響應(yīng)時(shí)間快，但其在微波高頻段損耗較大。MEMS技術(shù)的發(fā)展則可克服這一不足。MEMS是利用微機(jī)械技術(shù)將機(jī)械構(gòu)件、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)單元的微型系統(tǒng)，基于MEMS制作的開關(guān)/變?nèi)莨躘44,45]損耗幾乎可忽略、功耗低、線性度好、工作頻帶寬，但受技術(shù)成熟度、成本等限制，其大規(guī)模應(yīng)用仍然十分有限。功能材料也是實(shí)現(xiàn)超表面可重構(gòu)的研究熱點(diǎn)之一[46–50]，尤其在頻率相對(duì)較高的毫米波頻段，以功能材料作為超表面的介質(zhì)，通過外加電壓改變介質(zhì)的等效電參數(shù)，可連續(xù)調(diào)整超表面的性能。

3 可重構(gòu)超表面的電磁調(diào)控特性

電磁波可以用其振幅、相位和極化等特征量描述。當(dāng)電磁波照射到可重構(gòu)超表面上時(shí)，其與超表面發(fā)生作用，可以重構(gòu)其振幅、相位、極化等特性。

3.1 吸波可重構(gòu)超表面

吸波材料應(yīng)用非常廣泛。分析表明，如果吸波材料的吸波率超過90%，可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS)減縮10 dB以上[51]。近幾年雷達(dá)隱身技術(shù)的迅猛發(fā)展對(duì)吸波材料提出了新的需求和挑戰(zhàn)。研究具有“薄、輕、寬、強(qiáng)”特點(diǎn)的吸波材料成為科學(xué)家孜孜追求的目標(biāo)。超表面天生具有薄、輕的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，非常契合新一代吸波材料的要求。2008年，Landy等人[52]提出并利用超表面實(shí)現(xiàn)了微波頻段電磁波的近乎完美吸收。這類吸波體利用電諧振耦合空間波的電場能量、磁諧振耦合空間波的磁場能量，兩者同時(shí)作用并結(jié)合介質(zhì)損耗可實(shí)現(xiàn)99%的吸波率。這一成果極大鼓舞了研究人員，但超表面常伴的窄帶特點(diǎn)也限制了吸波帶寬。

2012年，本團(tuán)隊(duì)[53]提出利用分形結(jié)構(gòu)的自相似性，在Hilbert超表面結(jié)構(gòu)中焊接2個(gè)二極管，通過單片機(jī)控制二極管的開關(guān)狀態(tài)，完成對(duì)吸波頻段的調(diào)控，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。經(jīng)測試，該吸波體在二極管閉合時(shí)的中心工作頻率為4.72 GHz，斷開時(shí)的中心頻率為5.32 GHz，實(shí)現(xiàn)了由二極管開關(guān)控制吸波頻段的切換(如圖3)。由于該設(shè)計(jì)中采用的二極管只有開、關(guān)兩個(gè)狀態(tài)，得到的強(qiáng)吸波頻率只能在兩個(gè)區(qū)間內(nèi)重構(gòu)。為了進(jìn)一步拓展吸波頻率帶寬，我們在單元中集成連續(xù)可調(diào)的變?nèi)荻O管，設(shè)計(jì)了如圖4所示的吸波超構(gòu)表面[54]。同時(shí)，為了提高吸波率，采用電阻和二極管并聯(lián)的方式集成在單元結(jié)構(gòu)中。圖5的結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)整體厚度為6 mm，吸波帶寬覆蓋0.68～2.13 GHz，與文獻(xiàn)[7]相比，采用這種漸變形結(jié)構(gòu)后，總厚度減小1.8 mm，帶寬拓展了10.9%。

表1 電控可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)技術(shù)Tab.1 Technologies for the implementation of electronic control reconfigurability

圖2 電可控Hilbert吸波可重構(gòu)超表面Fig.2 Electronic controllable Hilbert metasurface absorber

圖3 電可控Hilbert吸波可重構(gòu)超表面反射系數(shù)Fig.3 Reflectivity of the reconfigurable Hilbert metasurface absorber

3.2 相位可重構(gòu)超表面

圖4 電可控寬帶吸波可重構(gòu)超表面[54]Fig.4 Electronic controllable broadband reconfigurable absorber[54]

圖5 電可控寬帶吸波可重構(gòu)超表面反射系數(shù)Fig.5 Reflectivity of the reconfigurable absorber

相位是電磁波矢量特性的重要表征。相位調(diào)控超表面可以對(duì)電磁波的波形靈活控制，其在輻射和散射問題中都有廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外對(duì)于相位可重構(gòu)超表面的研究相對(duì)較多。本團(tuán)隊(duì)在反射和透射型相位可重構(gòu)超表面研究方面也都做了一些探索。

2015年，我們利用PIN二極管設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了如圖6所示的一種工作在Ku波段的超薄1比特相位可重構(gòu)單元[16]，并采用印刷微帶線設(shè)計(jì)了具有分布參數(shù)的饋電結(jié)構(gòu)。當(dāng)外加電壓控制二極管導(dǎo)通或截止時(shí)，該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出180°的反射相位差。與文獻(xiàn)[55,56]相比，該結(jié)構(gòu)具有超薄、簡單易行、控制方便的特點(diǎn)。大量研究表明，相位可重構(gòu)超表面設(shè)計(jì)中往往存在兩個(gè)限制：一是帶寬窄，二是損耗高。為了拓展帶寬，我們進(jìn)一步分析了上述超表面的諧振工作模式，通過把多個(gè)模式結(jié)合起來，僅用1個(gè)PIN管就實(shí)現(xiàn)了雙頻相位可重構(gòu)單元，且證實(shí)了適當(dāng)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)可以獨(dú)立調(diào)控兩個(gè)相位重構(gòu)頻率[57]。為了減小損耗，我們設(shè)計(jì)了圖7所示的1比特相位可重構(gòu)單元，通過加載集總電容改變二極管處的強(qiáng)電流分布，該單元可以在8.45～12.60 GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)重構(gòu)相位差180°±30°，同時(shí)不同狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的幅度損耗均小于0.75 dB[58]。更進(jìn)一步，為了同時(shí)兼顧寬帶寬和低損耗，我們將MEMS技術(shù)用于超表面，設(shè)計(jì)的新型單元結(jié)構(gòu)如圖8所示，采用漸變貼片和增加印有貼片的覆蓋層后，該結(jié)構(gòu)的1比特相位重構(gòu)頻帶為7.0～21.5 GHz，帶寬達(dá)112%，且反射損耗小于0.05 dB[59]。針對(duì)近來特別關(guān)注的P和L頻段超表面設(shè)計(jì)，我們從等效電路的角度分析了如何拓展可重構(gòu)人工磁導(dǎo)體(Artifical Magnetic Conductor,AMC)的帶寬，指出并聯(lián)加載有源器件更有利于小型化和寬帶工作，為寬帶緊湊型超表面快速設(shè)計(jì)提供了方法借鑒，并設(shè)計(jì)了可以覆蓋P和L頻段的雙極化可重構(gòu)AMC[60]。

圖6 1比特相位可重構(gòu)超表面Fig.6 1-bit phase-reconfigurable metasurface

圖7 低損耗相位可重構(gòu)超表面Fig.7 Phase reconfigurable metasurface with low loss

圖8 超寬帶低損耗相位可重構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)Fig.8 Ultra-wideband and low-loss phase reconfigurable metasurface

除上述反射型相位可重構(gòu)超表面之外，我們以正六邊形介質(zhì)為透射型超表面的單元基底，通過在印刷金屬片間集成MEMS開關(guān)，得到了低損耗緊湊型1比特相位單元[61]，其對(duì)電磁波的透射結(jié)果如圖9所示。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的全空間調(diào)控，我們設(shè)計(jì)了圖10(a)所示的多層結(jié)構(gòu)，當(dāng)分別用外加電壓控制第2層和第4層表面集成的PIN二極管時(shí)，該超表面實(shí)現(xiàn)了圖10(b)所示的透射或反射相位可重構(gòu)[62]，相較于文獻(xiàn)[63]，在獲得可重構(gòu)性能的同時(shí)還提高了帶寬。

將上述制備的還原氧化石墨烯薄膜以不銹鋼片作基底，依次按照正極殼、活性材料、電解液、隔膜、電解液、活性材料、彈片、負(fù)極殼的順序裝配超級(jí)電容器。在新威電池測試系統(tǒng)工作站進(jìn)行電化學(xué)性能測試。

因?yàn)槌潜緛硎遣淮蟮模性S多熟人，也都是來看燈的都遇到了。其中我們本城里的在哈爾濱念書的幾個(gè)男學(xué)生，他們也來看燈了。哥哥都認(rèn)識(shí)他們。我也認(rèn)識(shí)他們，因?yàn)檫@時(shí)候我們到哈爾濱念書去了。所以一遇到了我們，他們就和我們在一起，他們出去看燈，看了一會(huì)，又回到我們的地方，和伯父談話，和哥哥談話。我曉得他們，因?yàn)槲覀兗冶容^有勢力，他們是很愿和我們講話的。

圖9 低損耗緊湊型1比特可重構(gòu)超表面Fig.9 Compact 1 bit reconfigurable metasurface with low loss

圖10 全空間相位可重構(gòu)超表面Fig.10 Entire-space phase reconfigurable metasurface

3.3 極化可重構(gòu)超表面

極化是電磁波最具特色的特征量。如圖11所示，2016年，我們驗(yàn)證了當(dāng)平面波以特定極化角照射1比特相位可重構(gòu)超表面時(shí)，反射波的線極化可以在正交或者保持不變之間重構(gòu)[32]。為了拓展極化重構(gòu)的帶寬，我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了圖12所示的超表面[64]，其由單層介質(zhì)組成，單元中集成型號(hào)為RMSW200HP的MEMS開關(guān)，當(dāng)MEMS開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，該超表面在7.78～14.10 GHz內(nèi)反射波極化與入射波正交，且極化轉(zhuǎn)化率大于0.8，相對(duì)帶寬為57.7%，而MEMS開關(guān)閉合時(shí)，反射波極化保持不變。

以圖12所示線-線極化可重構(gòu)超表面為基礎(chǔ)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的深入細(xì)致分析，優(yōu)化得到了如圖13所示的多極化可重構(gòu)超表面[65]，在相同線極化波入射的條件下，隨著MEMS開關(guān)由導(dǎo)通到斷開，實(shí)現(xiàn)了在交叉線極化波反射和右旋圓極化波反射之間的切換，對(duì)應(yīng)的頻帶分別為7.93～12.42 GHz (44.1%)和8.07～10.77 GHz (28.6%)。如圖14，采用PIN二極管技術(shù)和多層結(jié)構(gòu)，我們提出了一種新穎的設(shè)計(jì)[66]，使多極化可重構(gòu)超表面的帶寬進(jìn)一步拓展，當(dāng)二極管截止時(shí)，在7.6～23.6 GHz (102.5%)范圍內(nèi)，線極化的入射波以圓極化波反射，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，在6.5～19.9 GHz (101.5%)線極化的入射波以正交極化反射。此外，我們還嘗試用MEMS開關(guān)將相鄰單元直接相連，并結(jié)合多層技術(shù)，在獲得寬帶的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的緊湊設(shè)計(jì)，提出的單元如圖15所示[67]，其正交極化反射的帶寬達(dá)122.7%，圓極化反射的帶寬達(dá)123.0%，且兩種極化重構(gòu)的頻帶基本一致，這些性能是目前公開報(bào)道中最優(yōu)的。

圖11 X頻段超表面編碼狀態(tài)與極化可重構(gòu)性能Fig.11 Coding matrix and polarization reconfigurable properties of the X-band metasurface

圖12 寬帶線-線極化可重構(gòu)超表面及其功能Fig.12 Wideband linear-to-linear polarization reconfigurable metasurface and its properties

圖13 寬帶多極化可重構(gòu)超表面及其功能Fig.13 Wideband multi-polarization reconfigurable metasurface and its properties

4 可重構(gòu)超表面的應(yīng)用

4.1 波束可重構(gòu)

從宏觀結(jié)構(gòu)上看，超表面最大的特點(diǎn)是由多個(gè)單元沿橫向周期或準(zhǔn)周期排列，這與陣列天線的外形類似。因此，研究人員甚至在超表面的概念被正式提出之前，就開始思考能否利用超表面實(shí)現(xiàn)陣列天線的性能，由此得到的一類高增益天線被命名為反射陣列或透射陣列。

2013年開始，我們和清華大學(xué)合作，在國內(nèi)較早開始利用相位可重構(gòu)超表面設(shè)計(jì)波束掃描陣列，并成功研制了國內(nèi)首部電控反射陣列天線樣機(jī)[28]。如圖16所示，該陣列僅用1比特單元實(shí)現(xiàn)了±50°波束掃描，工作帶寬為11.75～13.25 GHz，經(jīng)過對(duì)單元和陣面的優(yōu)化，該陣列的口面效率提升至17.9%，是已報(bào)道小口徑1比特陣列中效率最高的設(shè)計(jì)，此外，我們還利用搭建的測試系統(tǒng)實(shí)測了由單片機(jī)控制的波束切換速度為12 μs。2015年，我們率先研制出國際上首個(gè)大口徑雙頻波束掃描陣列[57]，如圖17(a)，圖17(b)所示，該陣列采用陣面切割拼接技術(shù)，由5個(gè)5×40子陣拼接而成，通過FPGA對(duì)每個(gè)單元實(shí)時(shí)獨(dú)立控制。有趣的是，我們在陣面背后設(shè)計(jì)了與單元一一對(duì)應(yīng)的LED燈，以幫助調(diào)試、判斷每個(gè)單元上二極管的工作狀態(tài)，這一方法后來被很多團(tuán)隊(duì)借鑒。圖17(c)、圖17(d)給出了該陣列的實(shí)測雙頻掃描波束。除聚焦波束之外，我們還充分挖掘該陣列的強(qiáng)大波束重構(gòu)能力，驗(yàn)證了其可以實(shí)現(xiàn)寬波束、多波束、和差波束、賦形波束[40]，對(duì)平面波還可以形成多種賦形散射波束等[32]，如圖17(e)所示。這些研究展現(xiàn)了相控陣的低成本化和智能隱身的光明前景。

4.2 RCS減縮

圖14 超寬帶多極化可重構(gòu)超表面單元Fig.14 Ultra-wideband multi-polarization reconfigurable metasurface unit cell

圖15 超寬帶緊湊型多極化可重構(gòu)超表面單元Fig.15 Ultra-wideband multi-polarization compact reconfigurable metasurface unit cell

圖16 10×10電控反射陣列天線Fig.16 Electronic controllable 10×10 reflectarray antenna

RCS是表征目標(biāo)雷達(dá)隱身能力的重要指標(biāo)。隨著電子對(duì)抗技術(shù)的快速發(fā)展，如何減小目標(biāo)的RCS成為工程實(shí)踐特別是軍事實(shí)踐牽引出的熱點(diǎn)問題。將超表面這一學(xué)科前沿用于解決RCS減縮這一工程問題是我們團(tuán)隊(duì)的一個(gè)創(chuàng)新思路。而更深入的研究也使我們認(rèn)識(shí)到，僅僅依靠固定超表面的吸波、波束空間再分布能力實(shí)現(xiàn)RCS減縮往往會(huì)帶來新問題，如發(fā)熱易被紅外設(shè)備探測、散射波束易被雙基地雷達(dá)發(fā)現(xiàn)等。

針對(duì)該問題，2017年我們提出智能隱身超表面的概念，并與天線概念相結(jié)合，設(shè)計(jì)了圖18所示的動(dòng)態(tài)隱身超表面天線[68]，該天線單元中集成有可控的變?nèi)荻O管，將該天線與智能處理板相連接，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)照射雷達(dá)波的跳頻吸收或波束捷變。新近的工程實(shí)踐表明，P和L等較低頻段的隱身成為新的短板和難點(diǎn)。為此，我們提出了圖19(a)所示的新型超表面單元結(jié)構(gòu)[69]，通過控制該單元中的變?nèi)荻O管，整個(gè)陣列分別實(shí)現(xiàn)了0.90～2.19 GHz的可調(diào)輻射和0.86～1.82 GHz的動(dòng)態(tài)隱身，而其剖面厚度僅有0.028λ，目前公開報(bào)道中尚未見到此類設(shè)計(jì)。

4.3 渦旋場產(chǎn)生

5 總結(jié)與展望

可重構(gòu)技術(shù)為超表面的發(fā)展提供了新的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)下，可重構(gòu)超表面的研究正如火如荼地開展。本文首先從總體上梳理了可重構(gòu)超表面的發(fā)展歷程及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并以空軍工程大學(xué)曹祥玉教授團(tuán)隊(duì)為點(diǎn)，總結(jié)了其在可重構(gòu)超表面及其應(yīng)用領(lǐng)域所做的一些工作，主要包括吸波、相位、極化可重構(gòu)超表面，及可重構(gòu)超表面在陣列天線波束重構(gòu)、RCS減縮及渦旋場產(chǎn)生方面的典型應(yīng)用。限于篇幅，很多研究內(nèi)容沒有詳細(xì)展開，具體細(xì)節(jié)可參閱參考文獻(xiàn)。

可重構(gòu)超表面作為超表面向可控、智能化、系統(tǒng)化發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵階段，其前景不可估量。后續(xù)可以在以下3個(gè)方面作更深入的探索：

一是高性能的可重構(gòu)超表面單元設(shè)計(jì)。目前，可重構(gòu)超表面單元的研究仍面臨諸多問題。從頻域上看，已有研究主要集中在微波頻段，且以S-X頻段為主，未來的研究可朝超低頻段(如P波段)和較高頻段(紅外、毫米波段、光波段)發(fā)展。對(duì)于低頻，其設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)主要在于如何獲得較低的剖面；對(duì)于高頻，表1中的實(shí)現(xiàn)方式適用性變差，因此，如何實(shí)現(xiàn)高頻的可重構(gòu)也是一個(gè)難點(diǎn)，也許可以結(jié)合新材料的發(fā)展找到突破。另外，諧振型超表面的可重構(gòu)頻帶仍較窄，研究非諧振/準(zhǔn)諧振型可重構(gòu)超表面是值得探索的領(lǐng)域。此外，可重構(gòu)超表面的非線性特性現(xiàn)已在前沿科學(xué)和無線通信等領(lǐng)域起到重要的作用，而目前對(duì)非線性效應(yīng)研究剛剛起步，這涉及超表面結(jié)構(gòu)自身和電子器件的非線性，其理論研究和物理實(shí)現(xiàn)都非常具有挑戰(zhàn)性，將時(shí)域響應(yīng)和非線性效應(yīng)結(jié)合研究也為可重構(gòu)超表面開辟了新的探索路線。從幅度上看，目前常用的PIN/變?nèi)荻O管在較高的X頻段時(shí)，其損耗急劇增大，這也給單元插入損耗的優(yōu)化增加了難點(diǎn)。盡管MEMS技術(shù)為解決該問題帶來了希望，其成本、成熟度等仍有待突破，因此如何降低插入損耗是非損耗性可重構(gòu)超表面研究的課題。從性能上看，單一的可重構(gòu)已無法滿足未來多變的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)全空間電磁波的頻率、幅度、相位和極化調(diào)控勢在必行，但如何避免或利用多維度性能間的耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)想要的多性能可重構(gòu)是單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖17 40×40雙頻電控陣列天線Fig.17 Electronic controllable dual-frequency 40×40 array

二是可重構(gòu)超表面功能的進(jìn)一步挖掘與豐富。目前的研究大致集中于兩個(gè)方面：一方面，單一功能不斷提升和多個(gè)功能的復(fù)合。如實(shí)現(xiàn)極化重構(gòu)的頻帶寬度不斷拓展或極化轉(zhuǎn)換率不斷提升、對(duì)不同方向電磁波的反射和透射相位靈活調(diào)控等。展望未來，可重構(gòu)超表面還有一些新的未知功能需要我們繼續(xù)挖掘。另一方面，器件和電路不斷集成化、小型化，如何在有限的表面上集成更多的可重構(gòu)功能？如何將控制電路和可重構(gòu)超表面一體化設(shè)計(jì)？這些都值得進(jìn)一步思考。此外，如何將以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能和可重構(gòu)超表面技術(shù)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)超表面的智能感知、自主學(xué)習(xí)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)乃至智慧交互都值得深入研究。

圖18 動(dòng)態(tài)隱身超表面天線Fig.18 Dynamic stealth metasurface antenna

三是基于可重構(gòu)超表面的系統(tǒng)完善與應(yīng)用。近3年，微波全息成像系統(tǒng)、無線信息傳輸系統(tǒng)、認(rèn)知超表面系統(tǒng)相繼研制成功。它們打破了傳統(tǒng)的通信架構(gòu)，明顯簡化信息傳輸?shù)南到y(tǒng)構(gòu)成，使得信息傳輸?shù)男屎椭悄芑竭M(jìn)一步提升。這些突破性的創(chuàng)新成果給可重構(gòu)超表面的研究加入了助推劑。我們有理由相信運(yùn)用可重構(gòu)超表面可以搭建更多新架構(gòu)的信息系統(tǒng)。未來對(duì)這一領(lǐng)域展開深入研究，并與工程實(shí)踐相結(jié)合，必將從理論和應(yīng)用兩個(gè)維度推動(dòng)可重構(gòu)超表面向持續(xù)深入和廣泛實(shí)用快速進(jìn)步！

圖19 低頻動(dòng)態(tài)隱身超表面天線Fig.19 Dynamic stealth metasurface antenna at low frequency

圖20 16×16可重構(gòu)超表面及產(chǎn)生的渦旋場Fig.20 16×16 reconfigurable metasurface and the generated vortex field