電磁超表面對(duì)輻射波的調(diào)控與應(yīng)用

朱 潛，田翰闈，蔣衛(wèi)祥,2*

1 東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院毫米波全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；

2 紫金山實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211111

1 引言

超材料由亞波長(zhǎng)尺寸的人工電磁單元構(gòu)成。與自然界中天然材料不同，超材料的特性主要取決于基本電磁單元的結(jié)構(gòu)與排列方式。通過(guò)精心設(shè)計(jì)基本單元結(jié)構(gòu)，其對(duì)外部電磁場(chǎng)的響應(yīng)可以被人為改變。得益于這一特性，超材料可以實(shí)現(xiàn)天然材料不具備的電磁特性，例如負(fù)介電常數(shù)[1]、負(fù)磁導(dǎo)率[2]、負(fù)折射率[3]等。然而，超材料通常需要單元的三維空間排布來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的電磁功能，這不可避免地帶來(lái)了損耗高、體積龐大、重量大、加工困難等問(wèn)題，使其難以走向更廣闊的實(shí)際工程應(yīng)用。

超表面作為二維形式超材料，對(duì)電磁波的調(diào)控不再依賴于單元的三維空間排布，而是利用電磁波在超表面二維界面上產(chǎn)生突變相位/幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的自由調(diào)控，相比于三維超材料，其具有體積小、剖面低、易集成、低損耗等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，超表面已被廣泛研究并實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁波的各種調(diào)控與應(yīng)用，例如相位調(diào)控[4]、全息成像[5-6]、雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS)縮減[7-9]、極化轉(zhuǎn)換[9-13]、吸波[10,14-15]等。同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)因其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘和表征能力被引入超表面的設(shè)計(jì)流程，使超表面對(duì)電磁波的復(fù)雜調(diào)控進(jìn)一步被探索，在極化復(fù)用、納米打印、全息成像等領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景[16-18]。

上述超表面均具有固定結(jié)構(gòu)，加工完成后其功能和特性就已確定，因此可統(tǒng)稱為“無(wú)源超表面”。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，例如無(wú)線通信、寬帶吸波、電磁隱身等，往往需要超表面具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電磁波的能力，根據(jù)入射波的不同頻率、功率、極化等實(shí)現(xiàn)不同的功能?；诖祟愋枨螅芯咳藛T通過(guò)在無(wú)源超表面結(jié)構(gòu)上集成有源器件(例如開(kāi)關(guān)二極管[14-15,19-20]、變?nèi)荻O管[20-22]、光電二極管[23-26]等)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了有源超表面。通過(guò)引入數(shù)字編碼表征方式和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)或單片機(jī)(microcontroller unit,MCU)提供外部饋電偏置以改變有源器件的狀態(tài)，有源超表面可以對(duì)電磁波表現(xiàn)出不同的電磁響應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多種電磁功能的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)與可編程調(diào)控[27-29]。除此之外，可進(jìn)一步引入傳感器件與智能算法實(shí)現(xiàn)智能超表面，建立環(huán)境變量與超表面編碼之間的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)不同電磁功能的自主決策與自適應(yīng)切換[30-31]。

由于上述超表面研究主要關(guān)注對(duì)空間電磁波的反射與透射調(diào)控，在輻射波調(diào)控應(yīng)用中，這些超表面僅能作為次級(jí)惠更斯源，需要結(jié)合外置的初級(jí)饋源，以反射陣或透射陣形式工作。然而，外置饋源的引入不僅會(huì)帶來(lái)明顯的溢出損耗以及邊緣衰減，而且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體剖面升高，集成度降低。因此，如何實(shí)現(xiàn)具有直接、高效調(diào)控輻射電磁波能力的低剖面、高集成度超表面成為研究熱點(diǎn)。本文主要討論電磁超表面調(diào)控輻射波領(lǐng)域的相關(guān)工作，其工作頻段主要集中在微波頻段，依據(jù)超表面與饋源的集成方式不同及超表面對(duì)輻射電磁波的調(diào)控原理不同，將超表面劃分為折疊陣超表面、法布里-珀羅超表面、漏波超表面和輻射式超表面四類，從無(wú)源與有源兩個(gè)角度介紹這四類超表面對(duì)輻射波的調(diào)控機(jī)理與應(yīng)用。

2 折疊陣超表面

2.1 無(wú)源折疊陣超表面

傳統(tǒng)反射陣天線通常由饋源和反射陣列(reflectarray,RA)組成[32-34]，由于饋源與RA 之間需要一定的距離，天線的剖面通常較高。為了降低剖面，提高集成度，Pilz 和Menzel[35]在1998 年提出了折疊式反射陣天線(folded reflectarray antenna,FRA)，該天線由波導(dǎo)喇叭饋源、中心集成饋電的RA 和平行于RA 的偏振片組成。根據(jù)射線追蹤路徑可以推出折疊式反射陣天線的高度H僅為原反射陣列焦距f的二分之一。文獻(xiàn)[36]和[37]使用基片集成波導(dǎo)(substrate integrated waveguide,SIW)縫隙陣代替喇叭饋源，進(jìn)一步降低了結(jié)構(gòu)剖面。然而，上述研究?jī)H關(guān)注低剖面、低副瓣、高增益天線的實(shí)現(xiàn)，對(duì)輻射電磁波的調(diào)控能力仍較為單一。

隨著超表面對(duì)電磁波調(diào)控能力的不斷發(fā)掘，利用超表面代替?zhèn)鹘y(tǒng)反射陣的FRA 開(kāi)始被廣泛研究。得益于超表面對(duì)輻射電磁波的相位、極化等多維度調(diào)控，基于超表面的FRA 不僅可以實(shí)現(xiàn)上述研究中的高性能天線，還可以實(shí)現(xiàn)諸如波束掃描、多波束、RCS 縮減等功能。由于超表面在天線結(jié)構(gòu)中既作為反射面又作為相位補(bǔ)償器，是至關(guān)重要的一部分，因此本文將此類工作統(tǒng)稱為折疊式反射陣超表面。例如，文獻(xiàn)[38]和[39]分別設(shè)計(jì)了兩款折疊式反射陣超表面，分別用于對(duì)圓極化波和線極化波的RCS 縮減，如圖1(a)、(b)所示。圖1(a)為棋盤格型超表面，能夠反射左旋圓極化波(left circular polarization,LCP)并透射右旋圓極化波(right circular polarization,RCP)，令相鄰兩個(gè)棋盤單元間的反射相位差接近π，對(duì)超表面進(jìn)行1 比特相位編碼，從而實(shí)現(xiàn)RCS 縮減。另外，也可以引入聚焦和漫散射超表面，同時(shí)實(shí)現(xiàn)帶外的高吸波性能以及帶內(nèi)交叉極化波的散射性能，如圖1(b)所示。2018 年，Shen 等人[40]在微波頻段通過(guò)3 比特相位編碼超表面實(shí)現(xiàn)攜帶軌道角動(dòng)量(orbital angular momentum,OAM)的貝塞爾波束(圖1(c))，后來(lái)，Miao 等人[41]采用“準(zhǔn)I 型”單元的超表面實(shí)現(xiàn)高效率極化轉(zhuǎn)換與全相位覆蓋?；诟倪M(jìn)型純相位傅里葉變換法，在不需要體積龐大的物理透鏡進(jìn)行傅里葉變換的情況下，將相應(yīng)的透鏡相位輪廓被加載到超表面上以實(shí)現(xiàn)所需的立方相位分布，最終實(shí)現(xiàn)低剖面太赫茲艾里波束發(fā)生器(圖1(d))。

圖1 無(wú)源折疊式反射陣超表面原型。(a)圓極化波RCS 縮減[38]；(b)線極化波RCS 縮減[39]；(c)貝塞爾波束產(chǎn)生器[40]；(d)艾里波束產(chǎn)生器[41]Fig.1 Passive folded reflectarray metasurface prototype.(a) RCS reduction for CP wave[38];(b) RCS reduction for LP wave[39];(c) OAM beam generator[40];(d) Airy beam generator[41]

上述折疊式反射陣超表面中，超表面作為下層的主反射面，能夠?qū)椛洳ㄟM(jìn)行自由調(diào)控，但是上層的極化選擇表面僅對(duì)某一極化方向的波全透射或全反射，并不能對(duì)相位進(jìn)行調(diào)控。為了進(jìn)一步增強(qiáng)折疊式超表面對(duì)輻射波的相位調(diào)控，研究人員提出了折疊式透射陣超表面構(gòu)型，用超表面替代上層的極化選擇表面，這樣超表面可以同時(shí)對(duì)透射波進(jìn)行相位補(bǔ)償和極化轉(zhuǎn)換。圖2(a)展示了一種圓極化折疊式透射陣超表面[42]，其由三部分組成：用于極化轉(zhuǎn)換的底層超表面、用于相位調(diào)制和極化選擇的頂層超表面、位于底層超表面中心的饋源。由射線追蹤路徑可以推出，折疊式透射陣超表面的高度H僅為焦距f的三分之一，進(jìn)一步降低了折疊式超表面的剖面。研究人員由此研究出一系列寬帶、高增益、超低剖面天線[43-45]。值得一提的是，2017 年Fan 等人[46]理論上提出了一種Ⅱ型透射陣構(gòu)型，如圖2(b)所示。通過(guò)將饋源從下層移動(dòng)到上層中心，根據(jù)射線追蹤路徑可以推出，折疊陣的剖面進(jìn)一步降低至焦距f的四分之一，但作者并沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證該構(gòu)型。后來(lái)，Li 等人[47]設(shè)計(jì)并實(shí)測(cè)了這種新型折疊式透射陣，實(shí)現(xiàn)了圓極化高增益天線，驗(yàn)證了這種構(gòu)型的可行性。

圖2 無(wú)源折疊式透射陣超表面。(a)圓極化折疊式透射陣超表面[42]；(b)Ⅱ型透射陣構(gòu)型[46]Fig.2 Passive folded transmitarray metasurface.(a) Circularly-polarized folded transmitarray metasurface[42];(b) Ⅱ-type folded transmitarray metasurface prototype[46]

2.2 有源折疊陣超表面

近年來(lái)，集成有源器件的有源超表面因其動(dòng)態(tài)可編程調(diào)控能力被廣泛研究，一些加載有源器件的折疊陣超表面也被相繼提出以實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射電磁波的動(dòng)態(tài)調(diào)控。如圖3(a)和圖3(b)所示，文獻(xiàn)[48]通過(guò)在底層反射面集成開(kāi)關(guān)二極管構(gòu)成1 比特可編程折疊式反射陣超表面。通過(guò)選通單元上的二極管，可以使得單元在兩種狀態(tài)下具有180°的反射相位差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大角度波束掃描。文獻(xiàn)[49]以同樣的思路構(gòu)建1 比特可編程折疊式反射陣超表面(圖3(c))，實(shí)現(xiàn)了各階OAM波束的產(chǎn)生。同年，Li 等人[50]提出使用特征模分析(characteristic modes analysis,CMA)輔助折疊陣超表面的設(shè)計(jì)(圖3(e))，實(shí)現(xiàn)0°到60°波束偏折。相比于無(wú)源折疊陣超表面，這些有源折疊陣超表面設(shè)計(jì)不僅具有低剖面的優(yōu)點(diǎn)，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輻射電磁波的直接與動(dòng)態(tài)調(diào)控，其實(shí)際應(yīng)用前景更加廣泛與豐富。

圖3 有源折疊陣超表面。(a)用于波束掃描[48]；(b)實(shí)測(cè)輻射方向圖；(c)用于產(chǎn)生OAM 波束[49]；(d) 2 階OAM 波束近場(chǎng)幅度和相位分布圖；(e)用于波束偏折[50]；(f)仿真和實(shí)測(cè)歸一化輻射方向圖Fig.3 Active folded metasurface.(a) Programmable folded metasurface for beam scanning[48];(b) Measured radiation pattern;(c) Active folded metasurface for OAM beam generation[49];(d) Near-field amplitude and phase distribution for l=+2;(e) Active folded metasurface for beam steering[50];(f) Simulated and measured normalized radiation patterns

3 法布里-珀羅超表面

3.1 無(wú)源法布里-珀羅超表面

除了上述折疊式超表面外，研究人員還提出將超表面集成到法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)諧振腔結(jié)構(gòu)中構(gòu)造F-P 超表面。F-P 超表面的結(jié)構(gòu)與折疊式超表面結(jié)構(gòu)類似，同樣由三部分組成：饋源、人工磁導(dǎo)體(artificial magnetic conductor,AMC)、部分反射表面(partially reflective surface,PRS)。電磁波在F-P 諧振腔中多次反射，相對(duì)于折疊陣超表面而言，進(jìn)一步降低了剖面，僅為工作波長(zhǎng)的四分之一。文獻(xiàn)[51]將2 比特相位編碼超表面與F-P 腔結(jié)合(圖4(a))，使其對(duì)輻射波實(shí)現(xiàn)高增益、低副瓣定向輻射，同時(shí)對(duì)來(lái)波具有RCS 縮減功能。不同于文獻(xiàn)[51]利用相位編碼使來(lái)波反射到各個(gè)方向以實(shí)現(xiàn)RCS 縮減，文獻(xiàn)[52]采用高阻抗頻率選擇表面吸收來(lái)波以實(shí)現(xiàn)RCS 縮減，此外同樣能實(shí)現(xiàn)高增益、寬帶低散射的輻射波，如圖4(b)所示。為了進(jìn)一步拓展F-P 超表面對(duì)輻射波束的調(diào)控，2020 年Li 等人[53]通過(guò)引入透射相位并對(duì)其進(jìn)行2 比特編碼，實(shí)現(xiàn)三/五對(duì)稱點(diǎn)聚焦全息和“T”型全息，如圖4(c)所示。另外，文獻(xiàn)[54]精心設(shè)計(jì)了一種“三明治”型PRS，如圖4(d)所示，能夠?qū)佋摧椛涞木€極化波轉(zhuǎn)化為兩個(gè)相互正交的圓極化波，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域有較大應(yīng)用潛力。

圖4 無(wú)源F-P 超表面。(a)低散射F-P 編碼超表面[51]；(b) RCS 縮減F-P 超表面[52]；(c) F-P 超表面實(shí)現(xiàn)二維全息成像[53]；(d) F-P 超表面實(shí)現(xiàn)雙圓極化輻射[54]Fig.4 Passive F-P metasurface.(a) Low-scattering F-P coding metasurface[51];(b) F-P metasurface for RCS reduction[52];(c) F-P metasurface for 2D holographic imaging[53];(d) F-P metasurface for dual circularly polarized radiation[54]

3.2 有源法布里-珀羅超表面

與有源折疊陣超表面設(shè)計(jì)思路類似，在無(wú)源F-P超表面的基礎(chǔ)上集成有源器件也可以實(shí)現(xiàn)有源F-P 超表面。2017 年，Long 等人[55]在主反射層單元加載對(duì)稱的四個(gè)變?nèi)荻O管(圖5(a))，通過(guò)偏置電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)變?nèi)莨苋葜?，?shí)現(xiàn)工作頻率動(dòng)態(tài)可調(diào)，并同時(shí)具有高增益與低RCS 特性。后來(lái)，Bai 等人[56]基于動(dòng)態(tài)反射超表面 (Dynamic Metasurface Reflective Plane,DMRP)實(shí)現(xiàn)了雙頻段動(dòng)態(tài)可重構(gòu)F-P 超表面(圖5(b))。在此基礎(chǔ)上，還利用1 比特相位編碼超表面對(duì)帶外來(lái)波實(shí)現(xiàn)RCS 縮減。針對(duì)帶內(nèi)RCS 縮減問(wèn)題，文獻(xiàn)[57]設(shè)計(jì)了一款F-P 超表面，上層采用吸波表面實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)RCS 縮減，下層設(shè)計(jì)了集成變?nèi)荻O管的超表面單元，在可調(diào)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高增益波束，如圖5(c)所示。進(jìn)一步，文獻(xiàn)[58]提出了一種基于變?nèi)荻O管的散射波可重構(gòu)F-P 超表面(圖5(d))，對(duì)帶內(nèi)的共極化來(lái)波實(shí)現(xiàn)—40°到40°的波束掃描，對(duì)交叉極化來(lái)波起到RCS 縮減功能，對(duì)饋源的輻射波實(shí)現(xiàn)高增益定向輻射，在雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域和低可觀測(cè)平臺(tái)中具有應(yīng)用前景。

圖5 有源F-P 超表面。(a)頻率可重構(gòu)F-P 超表面[55]；(b)雙頻段可重構(gòu)F-P 超表面[56]；(c)帶內(nèi)RCS 縮減F-P 超表面[57]；(d)散射方向圖可重構(gòu)F-P 超表面[58]Fig.5 Active F-P metasurface.(a) Frequency reconfigurable F-P metasurface[55];(b) Dual-band reconfigurable F-P metasurface[56];(c) F-P metasurface for in-band RCS reduction[57];(d) Reconfigurable scattering patterns F-P metasurface[58]

4 漏波型超表面

4.1 無(wú)源漏波型超表面

前兩節(jié)所述的折疊式超表面和F-P 超表面均是調(diào)控由饋源輻射的空間波，通過(guò)使電磁波在上下兩層表面發(fā)生多次反射以降低結(jié)構(gòu)剖面并進(jìn)行相位補(bǔ)償。除調(diào)控空間波外，超表面還具有調(diào)控表面波的能力。通過(guò)調(diào)整表面阻抗，可以將表面波轉(zhuǎn)化為空間輻射波并同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射波的波前調(diào)控，這類超表面可統(tǒng)稱為漏波超表面。相比于大型平面陣列存在復(fù)雜的饋電系統(tǒng)、較高的插入損耗等，漏波超表面通常采用表面波饋電技術(shù)，避免了復(fù)雜饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

根據(jù)漏波超表面的表面阻抗是否均勻分布，可以將超表面分為兩類：均勻漏波超表面和非均勻漏波超表面(非均勻漏波超表面常被稱為“全息超表面”)。圖6(a)展示了一種均勻漏波超表面[59]，由交錯(cuò)排列的金屬貼片組成，通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)槽寬度以及周期長(zhǎng)度，保持大角度波束掃描的同時(shí)，降低副瓣電平和主瓣寬度。文獻(xiàn)[60]研究了多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)均勻超表面的輻射特性(圖6(b))，通過(guò)比較1/3/5 層介質(zhì)構(gòu)成的超表面的輻射特性，發(fā)現(xiàn)隨著層數(shù)的增加，掃描角度變寬的同時(shí)也會(huì)引起增益降低。

圖6 無(wú)源漏波超表面。(a)大角度均勻漏波超表面[59]；(b)多層均勻漏波超表面[60]；(c)雙功能全息超表面[66]；(d)復(fù)用張量全息超表面[67]Fig.6 Passive leaky-wave metasurface.(a) Wide-angle uniform leaky-wave metasurface[59];(b) Multilayer uniform leaky-wave metasurface[60];(c) Dual-functional holographic metasurface[66];(d) Multiplexing tensor holographic metasurface[67]

全息超表面的設(shè)計(jì)思路來(lái)源于光學(xué)全息成像，通過(guò)計(jì)算饋源產(chǎn)生的輻射場(chǎng)與目標(biāo)場(chǎng)之間的干涉圖案，設(shè)計(jì)非均勻分布表面阻抗來(lái)匹配這種干涉圖案，從而使饋源輻射出的波經(jīng)過(guò)全息超表面調(diào)制后轉(zhuǎn)化為目標(biāo)輻射波。對(duì)于全息圖像的重建，研究人員探索了各種復(fù)用方式，包括同時(shí)控制幅度和相位實(shí)現(xiàn)極化和頻率的復(fù)用[61-62]，調(diào)制復(fù)振幅實(shí)現(xiàn)空間和頻譜的復(fù)用[63]，加密偏振相關(guān)的OAM 加密全息法[64-65]等。2016 年，Li 等人[66]設(shè)計(jì)了一款雙功能全息超表面(圖6(c))。該超表面由各向同性的矩形貼片單元組成，通過(guò)相互正交的端口激勵(lì)，可以分別實(shí)現(xiàn)相同偏振下的雙波束掃描和正交偏振下的單波束掃描，且兩種功能相互獨(dú)立。此類雙功能頻率掃描裝置在新型雷達(dá)系統(tǒng)、前視成像系統(tǒng)、計(jì)算成像系統(tǒng)等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。2021 年，Shen 等人[67]使用開(kāi)槽圓形貼片張量單元(圖6(d))，通過(guò)表面阻抗疊加方法，使兩個(gè)獨(dú)立的單極子天線端口分別激勵(lì)出左旋圓極化的一階渦旋波和右旋圓極化的零階貝塞爾波束，具有低剖面、緊湊尺寸和平面集成的特點(diǎn)。

4.2 有源漏波型超表面

在有源漏波型超表面的研究方面，Wu 等人[68]設(shè)計(jì)了一款集成波導(dǎo)時(shí)空編碼漏波超表面天線。每個(gè)超表面單元集成一個(gè)PIN 二極管，并通過(guò)FPGA 加載不同的1 比特時(shí)空編碼矩陣，可以在頻率和空間維度上對(duì)輻射波進(jìn)行靈活調(diào)控。通過(guò)優(yōu)化時(shí)空編碼矩陣，只有滿足相位匹配條件的諧波頻率可輻射到自由空間，而其他非期望諧波頻率(邊帶)由于和自由空間及波導(dǎo)動(dòng)量不匹配而被抑制(圖7(a))。另外，利用時(shí)間平均效應(yīng)在基頻處形成等效正弦幅度分布，從而在基頻實(shí)現(xiàn)高增益輻射和動(dòng)態(tài)波束掃描，如圖7(b)所示。通過(guò)采用空分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多諧波獨(dú)立調(diào)控(圖7(c))，可應(yīng)用于多目標(biāo)探測(cè)和多用戶通信等場(chǎng)景。文獻(xiàn)[69]設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)近場(chǎng)聚焦可重構(gòu)全息超表面(圖7(d))，在不使用移相器和功率放大器的情況下實(shí)現(xiàn)了波束聚焦，在無(wú)線輸電和成像等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。同樣，文獻(xiàn)[70]設(shè)計(jì)了一種1 比特可編程全息超表面(圖7(e))，可以實(shí)現(xiàn)一維和二維的波束掃描動(dòng)態(tài)切換，滿足單脈沖雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的要求。

圖7 有源漏波型超表面。(a)無(wú)邊帶輻射漏波型超表面[68]；(b)基頻波束掃描；(c)多諧波獨(dú)立調(diào)控；(d)動(dòng)態(tài)近場(chǎng)聚焦全息超表面[69]；(e)動(dòng)態(tài)波束全息超表面[70]Fig.7 Active leaky-wave metasurface.(a) Sideband-free leaky-wave metasurface[68];(b) Fundamental-frequency beam scanning;(c) Multi-harmonic independent control;(d) Dynamic near-field focusing holographic metasurface[69];(e) Dynamic beam holographic metasurface[70]

5 輻射式超表面

5.1 無(wú)源輻射式超表面

從超表面與饋源的集成方式來(lái)看，上述折疊式超表面與F-P 超表面均屬于空間饋電，而漏波超表面屬于表面波饋電，將饋源輻射出的電磁波從表面波轉(zhuǎn)化到空間波。這三種超表面的設(shè)計(jì)過(guò)程中，超表面與饋源的高度集成一定程度上影響了輻射波的直接調(diào)控性能。為了解決這一問(wèn)題，metantenna 采用傳統(tǒng)天線的縫隙耦合或同軸饋電方式，將超表面直接作為天線的輻射口徑，超表面子陣列作為陣列天線的輻射單元，用饋源激勵(lì)整個(gè)子陣列。在此基礎(chǔ)上通過(guò)特征模分析(characteristic mode analysis,CMA)等理論，最終實(shí)現(xiàn)增益提升、帶寬拓展、副瓣降低等性能[71-74]。

除此之外，為了實(shí)現(xiàn)陣元級(jí)別對(duì)電磁波的獨(dú)立調(diào)控能力，2020 年，Xu 等人[75]提出一種集成饋源式的編碼超表面陣列天線(圖8(a))，利用了超表面與饋源的耦合效應(yīng)，不僅有效縮減了輻射陣元的尺寸，同時(shí)基于超表面的調(diào)相能力實(shí)現(xiàn)了對(duì)輻射波前靈活調(diào)控。然而，這種強(qiáng)耦合設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，且對(duì)系統(tǒng)的裝配精度要求高，難以拓展到大規(guī)模應(yīng)用。

圖8 無(wú)源輻射式超表面。(a)集成饋源式編碼超表面[75]；(b)相位和極化調(diào)制輻射式超表面[76]；(c)幅度、相位和極化調(diào)制輻射式超表面[77]；(d)復(fù)振幅調(diào)制輻射式超表面[79]Fig.8 Passive radiation-type metasurface.(a) Integrated coding-metasurface[75];(b) Phase-and polarization-modulated radiation-type metasurface[76];(c) Amplitude-,phase-and polarization-modulated radiation-type metasurface[77];(d) Complex-amplitude modulated radiation-type metasurface[79]

相較于metantenna 的饋源對(duì)超表面子陣列進(jìn)行饋電，文獻(xiàn)[76]提出了直接調(diào)控輻射波的輻射式超表面，將超表面單元作為天線的陣元，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行饋電。作者基于此思想設(shè)計(jì)了一款相位和極化調(diào)控的輻射式超表面，如圖8(b)所示。在這一設(shè)計(jì)中，超表面單元采用雙開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)單元，能夠同時(shí)直接輻射出左旋/右旋圓極化波，分別帶有-α/α角的幾何相位。另外，可通過(guò)引入相位延遲線(phase-delay meta-line,PDML)使輻射波攜帶β角的傳輸相位，最終兩種正交圓極化波分別攜帶-α+β/α+β的輻射相位，為實(shí)現(xiàn)不同極化下的不同輻射功能提供了一種可行解決方案。進(jìn)一步，文獻(xiàn)[77]中提出調(diào)整單元諧振環(huán)開(kāi)口與金屬臂的相對(duì)角度來(lái)引入諧振相位，實(shí)現(xiàn)以任意幅度比、相位、極化的調(diào)控(圖8(c))。利用不同的極化狀態(tài)，提出了一種具有高效信道串?dāng)_抑制和信息加密功能的新型MIMO 天線，此外還設(shè)計(jì)了一個(gè)能量可控的路由器和一個(gè)低剖面超表面全息圖。最近，Wang 等人[78]設(shè)計(jì)了一種純相位輻射式超表面，采用雙e 型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2π 全相位覆蓋，引入遠(yuǎn)場(chǎng)重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)了能量可調(diào)的多波束通信、大角度偏折和波束賦形，可以根據(jù)具體場(chǎng)景的需求高效準(zhǔn)確地計(jì)算超表面所需的相位分布。進(jìn)一步，文獻(xiàn)[79]將兩個(gè)e 型單元交錯(cuò)排列，如圖8(d)所示，通過(guò)調(diào)整各自的旋轉(zhuǎn)角度，利用多重幾何相位干涉實(shí)現(xiàn)解耦的全相位調(diào)制。此外，還引入遠(yuǎn)場(chǎng)復(fù)振幅反演方法，實(shí)現(xiàn)精確的能量分配和復(fù)雜形式的波束賦形，為復(fù)振幅超表面在小型化和高度集成的多功能系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)波束掃描天線需要復(fù)雜饋電網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電路，輻射式超表面可將超表面單元直接作為具有移相能力的輻射陣元，不僅能夠簡(jiǎn)化對(duì)輻射波的調(diào)控成本與復(fù)雜度，且具有更高的調(diào)控自由度。

5.2 有源輻射式超表面

由于輻射式超表面的概念近兩年才提出，目前有源輻射式超表面的研究相對(duì)較少。2022 年，Bai 等人[80]提出可編程輻射式超表面，如圖9(a)所示。將饋電網(wǎng)絡(luò)和可編程超表面直接集成，在每個(gè)單元上加載兩個(gè)PIN 二極管實(shí)現(xiàn)1 比特相位編碼，采用集成的串并聯(lián)混合微帶網(wǎng)絡(luò)對(duì)具有初始加權(quán)幅度和相位分布的頂層超表面單元進(jìn)行激勵(lì)。使用這種超表面實(shí)現(xiàn)-45°到45°單波束掃描和產(chǎn)生+1/+2/+3 階OAM 波束，驗(yàn)證了超表面的可編程實(shí)時(shí)調(diào)控性能，可用于低成本車載或機(jī)載共形無(wú)線通信系統(tǒng)。最近，Tian 等人[81]在輻射式超表面的基礎(chǔ)上，利用單個(gè)可編程超表面實(shí)現(xiàn)了對(duì)輻射波和帶內(nèi)同極化反射波的直接、動(dòng)態(tài)和集成控制(圖9(b))。在超表面單元上分別集成兩個(gè)PIN二極管和兩個(gè)變?nèi)荻O管，能夠動(dòng)態(tài)選擇只輻射電磁波或只反射帶內(nèi)同極化入射波，并同時(shí)對(duì)輻射相位和反射相位進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了任意能量分布的多波束、低增益波動(dòng)的反射波束掃描和低旁瓣寬邊輻射等功能，能夠適用于無(wú)線通信和雷達(dá)探測(cè)等多種應(yīng)用的高集成度、多任務(wù)和智能無(wú)線系統(tǒng)。

圖9 有源輻射式超表面。(a)可編程輻射式超表面[80]；(b)輻射和反射集成超表面[81]Fig.9 Active radiation-type metasurface.(a) Programmable radiation-type metasurface[80];(b) Radiations and reflections integrated metasurface[81]

6 總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)介紹了近年來(lái)利用超表面對(duì)輻射波進(jìn)行直接調(diào)控的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了折疊陣超表面、法布里-珀羅超表面、漏波超表面和輻射式超表面四類輻射波調(diào)控超表面。相較于反射式/透射式超表面需要外置饋源所導(dǎo)致的溢出損耗高、剖面高以及集成度低等問(wèn)題，本文中介紹的工作旨在將饋源與超表面高度集成以降低結(jié)構(gòu)剖面，簡(jiǎn)化饋電網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射波各個(gè)維度的調(diào)控，為后續(xù)設(shè)計(jì)低剖面、小型化、集成化的輻射波調(diào)制器件與系統(tǒng)提供了新的視角。超表面在直接調(diào)控輻射波的領(lǐng)域仍存在很多機(jī)遇和挑戰(zhàn)，未來(lái)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步研究和探討：

1)大規(guī)模有源輻射式超表面研究。相比于折疊陣超表面、法布里-珀羅超表面與漏波超表面，輻射式超表面由饋源直接激勵(lì)超表面單元從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射波的直接調(diào)控，不存在空間溢出損耗、表面波-空間波轉(zhuǎn)換等問(wèn)題，具有輻射效率高、超表面-饋源低耦合等優(yōu)勢(shì)。未來(lái)可進(jìn)一步探索有源輻射式超表面的大規(guī)模實(shí)現(xiàn)，構(gòu)造可調(diào)單元數(shù)目、狀態(tài)更多的輻射式超表面，以期提供一種更靈活、更精準(zhǔn)、更高效且成本更低的輻射電磁波調(diào)控方案。

2)超表面對(duì)輻射電磁波的智能調(diào)控研究。在有源超表面研究中，智能超表面已展現(xiàn)出強(qiáng)大的電磁波自適應(yīng)調(diào)控能力。未來(lái)可借鑒此類工作，將超表面的輻射功能與外界環(huán)境進(jìn)行感知與匹配，實(shí)現(xiàn)輻射波的自適應(yīng)與智能調(diào)控，在多普勒雷達(dá)、萬(wàn)物互聯(lián)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域均有廣泛潛在應(yīng)用價(jià)值。

3)超表面對(duì)輻射電磁波的系統(tǒng)級(jí)調(diào)控研究。近年來(lái)，時(shí)域超表面的相關(guān)工作[82-83]實(shí)現(xiàn)了對(duì)相位、幅度等電磁物理特征的時(shí)間域調(diào)制，并在此基礎(chǔ)上衍生了新體制無(wú)線通信系統(tǒng)。此外，超表面還在雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。目前對(duì)超表面的系統(tǒng)級(jí)研究是一大熱點(diǎn)，因此可進(jìn)一步探索基于輻射波調(diào)控超表面的高效、高集成度通信與雷達(dá)系統(tǒng)，進(jìn)一步推動(dòng)超表面走向?qū)嶋H工程應(yīng)用。