可重构电磁超表面及其应用研究进展

杨欢欢 曹祥玉 高 军 李 桐 李思佳 丛丽丽 赵 霞

①(空军工程大学信息与导航学院 西安 710077)

②(78111部队 成都 610031)

1 引言

电磁超表面被视为电磁超材料的二维形式，它可以在表面处对电磁波的特性有效调控，从而突破自然材料表面的Snell定律限制，实现各种奇异的电磁现象[1,2]。2011年，美国哈佛大学Yu等人[3]在Science发文首次提出超表面的概念，介绍了利用超表面实现对连续光波的调控，并将光波在超表面的反射和折射规律归纳为广义Snell定律。与三维的超材料相比，超表面的亚波长厚度，使其可以采用光刻、印刷等大规模生产方式制备，也可直接和电路集成应用，这些突出优势极大激发了研究人员的兴趣。起初，超表面的研究集中在无源设计，一旦制备完成后，其功能是固定的，这在某种程度上限制了其适用范围。2014年，东南大学Cui等人[4]和美国宾夕法尼亚大学Giovam paola等人[5]相互独立地提出数字超材料的概念。与Giovam paola等人相比，崔铁军[6]利用数字编码代替等效媒质描述超材料，并首次提出可编程超材料的概念，构建了超材料研究的新体系。他们还利用可编程超表面实现了微波频段对平面波的动态调控，可调谐超表面随之进入研究人员的视线并得到了迅速发展。

“可重构”一词源于计算机领域，其本意是指通过电子器件控制计算电路，在不改变电路结构的前提下实现多种可控的功能。物理学家将这一概念引入超表面领域，用可重构超表面描述具有多种可调性能的超表面。区别于早期的性能固定超表面，可重构超表面的性能可以灵活调节，这立刻吸引了众人的广泛关注。截至目前，可重构超表面的研究主要集中于3个层面：可重构单元设计与优化、可重构超表面功能与实现、基于可重构超表面的系统构建与验证。

高性能的单元是可重构超表面设计的基础和关键。以反射型超表面为例，图1给出了单元实现可重构的3种主要方式：改变谐振频率、改变传输线长度、改变旋转角度。在这3种方式的基础上可以衍生出各式各样的结构设计[7–13]。可重构单元设计与优化的难点主要在于如何将可重构技术与超表面巧妙结合以获得需要的高性能。如在电控可重构单元中，如何选择电子器件类型与数量[14]、电子器件在单元中的位置设计[15]、电子器件的偏置结构加载[16]、如何提高可重构性能(高吸波率/低损耗、宽带宽)[7,17,18]和如何拓展可重构的性能维度(双极化、多功能)[19–21]等。

图1 反射型超表面单元可重构的主要方式Fig.1 Reconfigurable methods of reflective metasurfaces

利用可重构单元组成表面，可以获得多种电磁功能的捷变调控。早在2003年，Sievenpiper等人[22]通过整列控制超表面单元，获得相位梯度，实现了反射波束在±40°内二维扫描。后来，人们发现对每个单元独立控制可以获得很多重构的先进性能，实现诸如空间波束赋形[23,24]、新型相控阵[25–28]、全息成像[29,30]、涡旋波复用[31]甚至是多种功能的一体化[32]等。2016年，Cui等人[33]利用可重构超表面进行信息熵操作及数字卷积和加法，实现了对电磁波和数字信息的同时调控。近两年，从时间、空间和时域、频域维度研究时空编码超表面[34]和非线性超表面[35]使得可重构超表面的研究有了新的突破。

随着可重构超表面研究的深入，可重构超表面实时调控电磁波的能力不断丰富。这使得人们不禁思考：基于可重构超表面的系统设计能否代替传统的无线通信系统？2017年，采用1比特可重构超表面实现的实时动态可调微波全息成像系统成功实现[30]。2019年，基于可重构超表面的无线数字传输系统研制成功[36]。与经典的无线传输系统相比，这类传输系统不再需要数模转换等中间过程，而是直接将信息加载到超表面上进行辐射，极大简化了发射机的架构[37]。同年，基于可重构超表面的可认知超表面系统也被报道[38]，这将摆脱超表面控制对人工的依赖，实现智能化，加速人工智能时代的到来。

作为可重构超表面研究团队家族中的一员，空军工程大学曹祥玉教授领导的课题组从2006年起就持续关注超材料的最新进展，并开展了大量探索研究。2010年以来，团队将可重构概念和超表面技术有机结合，开展微波频段的可重构电磁超表面研究，取得了一些有益成果。本文在介绍国内外可重构超表面研究现状的基础上，以该团队的研究成果作为案例进行综述，从一个侧面见证可重构超表面的研究与发展历程，并分析了可重构超表面未来的发展方向。

2 可重构超表面的实现技术

实现超表面可重构的技术可分为机械方式和电控方式两大类。

机械方式是通过机械改变超表面物理结构，从而获得电磁性能变化。常见的机械方式主要包括单元旋转[26]和高度平移[39]。由于实施简单，机械方式是实现可重构较早的一种方式，但由于重构速度慢、空间受限、控制复杂、精度易受机械误差影响，机械方式并未受到太多重视。近些年，随着电控机械控制器件的发展，采用直线执行器、微马达等控制超表面单元重新引起人们的关注。尤其机械方式特有的不增加单元损耗、线性度好等特点在工程上很受青睐。

电控方式通过电控器件或电控材料实现超表面性能的重构。与机械方式相比，电控方式具有响应速度快、集成度高、设计灵活等突出优点，也是可重构超表面近些年的主要实现方式[40,41]。表1总结了文献中常用的电控可重构实现技术。其中，常用的集总电子元件主要包括PIN二极管、压控/变容二极管和基于MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)的开关/二极管。PIN二极管可以作为微波开关[42]，采用N个PIN二极管的超表面单元其重构状态往往不超过2N个；而压控/变容二极管在外加不同电压时，其PN结反偏结电容会发生连续变化，可实现超表面的连续重构状态[43]。尽管这两种集总元件技术成熟、应用广泛、响应时间快，但其在微波高频段损耗较大。MEMS技术的发展则可克服这一不足。MEMS是利用微机械技术将机械构件、驱动部件、电控系统集成为一个单元的微型系统，基于MEMS制作的开关/变容管[44,45]损耗几乎可忽略、功耗低、线性度好、工作频带宽，但受技术成熟度、成本等限制，其大规模应用仍然十分有限。功能材料也是实现超表面可重构的研究热点之一[46–50]，尤其在频率相对较高的毫米波频段，以功能材料作为超表面的介质，通过外加电压改变介质的等效电参数，可连续调整超表面的性能。

3 可重构超表面的电磁调控特性

电磁波可以用其振幅、相位和极化等特征量描述。当电磁波照射到可重构超表面上时，其与超表面发生作用，可以重构其振幅、相位、极化等特性。

3.1 吸波可重构超表面

吸波材料应用非常广泛。分析表明，如果吸波材料的吸波率超过90%，可以实现雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)减缩10 dB以上[51]。近几年雷达隐身技术的迅猛发展对吸波材料提出了新的需求和挑战。研究具有“薄、轻、宽、强”特点的吸波材料成为科学家孜孜追求的目标。超表面天生具有薄、轻的结构特点，非常契合新一代吸波材料的要求。2008年，Landy等人[52]提出并利用超表面实现了微波频段电磁波的近乎完美吸收。这类吸波体利用电谐振耦合空间波的电场能量、磁谐振耦合空间波的磁场能量，两者同时作用并结合介质损耗可实现99%的吸波率。这一成果极大鼓舞了研究人员，但超表面常伴的窄带特点也限制了吸波带宽。

2012年，本团队[53]提出利用分形结构的自相似性，在Hilbert超表面结构中焊接2个二极管，通过单片机控制二极管的开关状态，完成对吸波频段的调控，设计的结构如图2所示。经测试，该吸波体在二极管闭合时的中心工作频率为4.72 GHz，断开时的中心频率为5.32 GHz，实现了由二极管开关控制吸波频段的切换(如图3)。由于该设计中采用的二极管只有开、关两个状态，得到的强吸波频率只能在两个区间内重构。为了进一步拓展吸波频率带宽，我们在单元中集成连续可调的变容二极管，设计了如图4所示的吸波超构表面[54]。同时，为了提高吸波率，采用电阻和二极管并联的方式集成在单元结构中。图5的结果表明，该结构整体厚度为6 mm，吸波带宽覆盖0.68～2.13 GHz，与文献[7]相比，采用这种渐变形结构后，总厚度减小1.8 mm，带宽拓展了10.9%。

表1 电控可重构实现技术Tab.1 Technologies for the implementation of electronic control reconfigurability

图2 电可控Hilbert吸波可重构超表面Fig.2 Electronic controllable Hilbert metasurface absorber

图3 电可控Hilbert吸波可重构超表面反射系数Fig.3 Reflectivity of the reconfigurable Hilbert metasurface absorber

3.2 相位可重构超表面

图4 电可控宽带吸波可重构超表面[54]Fig.4 Electronic controllable broadband reconfigurable absorber[54]

图5 电可控宽带吸波可重构超表面反射系数Fig.5 Reflectivity of the reconfigurable absorber

相位是电磁波矢量特性的重要表征。相位调控超表面可以对电磁波的波形灵活控制，其在辐射和散射问题中都有广泛的应用。国内外对于相位可重构超表面的研究相对较多。本团队在反射和透射型相位可重构超表面研究方面也都做了一些探索。

2015年，我们利用PIN二极管设计实现了如图6所示的一种工作在Ku波段的超薄1比特相位可重构单元[16]，并采用印刷微带线设计了具有分布参数的馈电结构。当外加电压控制二极管导通或截止时，该结构呈现出180°的反射相位差。与文献[55,56]相比，该结构具有超薄、简单易行、控制方便的特点。大量研究表明，相位可重构超表面设计中往往存在两个限制：一是带宽窄，二是损耗高。为了拓展带宽，我们进一步分析了上述超表面的谐振工作模式，通过把多个模式结合起来，仅用1个PIN管就实现了双频相位可重构单元，且证实了适当改变结构参数可以独立调控两个相位重构频率[57]。为了减小损耗，我们设计了图7所示的1比特相位可重构单元，通过加载集总电容改变二极管处的强电流分布，该单元可以在8.45～12.60 GHz范围内实现重构相位差180°±30°，同时不同状态所对应的幅度损耗均小于0.75 dB[58]。更进一步，为了同时兼顾宽带宽和低损耗，我们将MEMS技术用于超表面，设计的新型单元结构如图8所示，采用渐变贴片和增加印有贴片的覆盖层后，该结构的1比特相位重构频带为7.0～21.5 GHz，带宽达112%，且反射损耗小于0.05 dB[59]。针对近来特别关注的P和L频段超表面设计，我们从等效电路的角度分析了如何拓展可重构人工磁导体(Artifical Magnetic Conductor,AMC)的带宽，指出并联加载有源器件更有利于小型化和宽带工作，为宽带紧凑型超表面快速设计提供了方法借鉴，并设计了可以覆盖P和L频段的双极化可重构AMC[60]。

图6 1比特相位可重构超表面Fig.6 1-bit phase-reconfigurable metasurface

图7 低损耗相位可重构超表面Fig.7 Phase reconfigurable metasurface with low loss

图8 超宽带低损耗相位可重构超表面结构Fig.8 Ultra-wideband and low-loss phase reconfigurable metasurface

除上述反射型相位可重构超表面之外，我们以正六边形介质为透射型超表面的单元基底，通过在印刷金属片间集成MEMS开关，得到了低损耗紧凑型1比特相位单元[61]，其对电磁波的透射结果如图9所示。为了实现对电磁波的全空间调控，我们设计了图10(a)所示的多层结构，当分别用外加电压控制第2层和第4层表面集成的PIN二极管时，该超表面实现了图10(b)所示的透射或反射相位可重构[62]，相较于文献[63]，在获得可重构性能的同时还提高了带宽。

将上述制备的还原氧化石墨烯薄膜以不锈钢片作基底，依次按照正极壳、活性材料、电解液、隔膜、电解液、活性材料、弹片、负极壳的顺序装配超级电容器。在新威电池测试系统工作站进行电化学性能测试。

因为城本来是不大的，有许多熟人，也都是来看灯的都遇到了。其中我们本城里的在哈尔滨念书的几个男学生，他们也来看灯了。哥哥都认识他们。我也认识他们，因为这时候我们到哈尔滨念书去了。所以一遇到了我们，他们就和我们在一起，他们出去看灯，看了一会，又回到我们的地方，和伯父谈话，和哥哥谈话。我晓得他们，因为我们家比较有势力，他们是很愿和我们讲话的。

图9 低损耗紧凑型1比特可重构超表面Fig.9 Compact 1 bit reconfigurable metasurface with low loss

图10 全空间相位可重构超表面Fig.10 Entire-space phase reconfigurable metasurface

3.3 极化可重构超表面

极化是电磁波最具特色的特征量。如图11所示，2016年，我们验证了当平面波以特定极化角照射1比特相位可重构超表面时，反射波的线极化可以在正交或者保持不变之间重构[32]。为了拓展极化重构的带宽，我们进一步设计了图12所示的超表面[64]，其由单层介质组成，单元中集成型号为RMSW200HP的MEMS开关，当MEMS开关导通时，该超表面在7.78～14.10 GHz内反射波极化与入射波正交，且极化转化率大于0.8，相对带宽为57.7%，而MEMS开关闭合时，反射波极化保持不变。

以图12所示线-线极化可重构超表面为基础，通过对结构的深入细致分析，优化得到了如图13所示的多极化可重构超表面[65]，在相同线极化波入射的条件下，随着MEMS开关由导通到断开，实现了在交叉线极化波反射和右旋圆极化波反射之间的切换，对应的频带分别为7.93～12.42 GHz (44.1%)和8.07～10.77 GHz (28.6%)。如图14，采用PIN二极管技术和多层结构，我们提出了一种新颖的设计[66]，使多极化可重构超表面的带宽进一步拓展，当二极管截止时，在7.6～23.6 GHz (102.5%)范围内，线极化的入射波以圆极化波反射，当二极管导通时，在6.5～19.9 GHz (101.5%)线极化的入射波以正交极化反射。此外，我们还尝试用MEMS开关将相邻单元直接相连，并结合多层技术，在获得宽带的同时，还实现了结构的紧凑设计，提出的单元如图15所示[67]，其正交极化反射的带宽达122.7%，圆极化反射的带宽达123.0%，且两种极化重构的频带基本一致，这些性能是目前公开报道中最优的。

图11 X频段超表面编码状态与极化可重构性能Fig.11 Coding matrix and polarization reconfigurable properties of the X-band metasurface

图12 宽带线-线极化可重构超表面及其功能Fig.12 Wideband linear-to-linear polarization reconfigurable metasurface and its properties

图13 宽带多极化可重构超表面及其功能Fig.13 Wideband multi-polarization reconfigurable metasurface and its properties

4 可重构超表面的应用

4.1 波束可重构

从宏观结构上看，超表面最大的特点是由多个单元沿横向周期或准周期排列，这与阵列天线的外形类似。因此，研究人员甚至在超表面的概念被正式提出之前，就开始思考能否利用超表面实现阵列天线的性能，由此得到的一类高增益天线被命名为反射阵列或透射阵列。

2013年开始，我们和清华大学合作，在国内较早开始利用相位可重构超表面设计波束扫描阵列，并成功研制了国内首部电控反射阵列天线样机[28]。如图16所示，该阵列仅用1比特单元实现了±50°波束扫描，工作带宽为11.75～13.25 GHz，经过对单元和阵面的优化，该阵列的口面效率提升至17.9%，是已报道小口径1比特阵列中效率最高的设计，此外，我们还利用搭建的测试系统实测了由单片机控制的波束切换速度为12 µs。2015年，我们率先研制出国际上首个大口径双频波束扫描阵列[57]，如图17(a)，图17(b)所示，该阵列采用阵面切割拼接技术，由5个5×40子阵拼接而成，通过FPGA对每个单元实时独立控制。有趣的是，我们在阵面背后设计了与单元一一对应的LED灯，以帮助调试、判断每个单元上二极管的工作状态，这一方法后来被很多团队借鉴。图17(c)、图17(d)给出了该阵列的实测双频扫描波束。除聚焦波束之外，我们还充分挖掘该阵列的强大波束重构能力，验证了其可以实现宽波束、多波束、和差波束、赋形波束[40]，对平面波还可以形成多种赋形散射波束等[32]，如图17(e)所示。这些研究展现了相控阵的低成本化和智能隐身的光明前景。

4.2 RCS减缩

图14 超宽带多极化可重构超表面单元Fig.14 Ultra-wideband multi-polarization reconfigurable metasurface unit cell

图15 超宽带紧凑型多极化可重构超表面单元Fig.15 Ultra-wideband multi-polarization compact reconfigurable metasurface unit cell

图16 10×10电控反射阵列天线Fig.16 Electronic controllable 10×10 reflectarray antenna

RCS是表征目标雷达隐身能力的重要指标。随着电子对抗技术的快速发展，如何减小目标的RCS成为工程实践特别是军事实践牵引出的热点问题。将超表面这一学科前沿用于解决RCS减缩这一工程问题是我们团队的一个创新思路。而更深入的研究也使我们认识到，仅仅依靠固定超表面的吸波、波束空间再分布能力实现RCS减缩往往会带来新问题，如发热易被红外设备探测、散射波束易被双基地雷达发现等。

针对该问题，2017年我们提出智能隐身超表面的概念，并与天线概念相结合，设计了图18所示的动态隐身超表面天线[68]，该天线单元中集成有可控的变容二极管，将该天线与智能处理板相连接，就可实现对照射雷达波的跳频吸收或波束捷变。新近的工程实践表明，P和L等较低频段的隐身成为新的短板和难点。为此，我们提出了图19(a)所示的新型超表面单元结构[69]，通过控制该单元中的变容二极管，整个阵列分别实现了0.90～2.19 GHz的可调辐射和0.86～1.82 GHz的动态隐身，而其剖面厚度仅有0.028λ，目前公开报道中尚未见到此类设计。

4.3 涡旋场产生

5 总结与展望

可重构技术为超表面的发展提供了新的驱动力。当下，可重构超表面的研究正如火如荼地开展。本文首先从总体上梳理了可重构超表面的发展历程及国内外的研究现状，并以空军工程大学曹祥玉教授团队为点，总结了其在可重构超表面及其应用领域所做的一些工作，主要包括吸波、相位、极化可重构超表面，及可重构超表面在阵列天线波束重构、RCS减缩及涡旋场产生方面的典型应用。限于篇幅，很多研究内容没有详细展开，具体细节可参阅参考文献。

可重构超表面作为超表面向可控、智能化、系统化发展的一个关键阶段，其前景不可估量。后续可以在以下3个方面作更深入的探索：

一是高性能的可重构超表面单元设计。目前，可重构超表面单元的研究仍面临诸多问题。从频域上看，已有研究主要集中在微波频段，且以S-X频段为主，未来的研究可朝超低频段(如P波段)和较高频段(红外、毫米波段、光波段)发展。对于低频，其设计的挑战主要在于如何获得较低的剖面；对于高频，表1中的实现方式适用性变差，因此，如何实现高频的可重构也是一个难点，也许可以结合新材料的发展找到突破。另外，谐振型超表面的可重构频带仍较窄，研究非谐振/准谐振型可重构超表面是值得探索的领域。此外，可重构超表面的非线性特性现已在前沿科学和无线通信等领域起到重要的作用，而目前对非线性效应研究刚刚起步，这涉及超表面结构自身和电子器件的非线性，其理论研究和物理实现都非常具有挑战性，将时域响应和非线性效应结合研究也为可重构超表面开辟了新的探索路线。从幅度上看，目前常用的PIN/变容二极管在较高的X频段时，其损耗急剧增大，这也给单元插入损耗的优化增加了难点。尽管MEMS技术为解决该问题带来了希望，其成本、成熟度等仍有待突破，因此如何降低插入损耗是非损耗性可重构超表面研究的课题。从性能上看，单一的可重构已无法满足未来多变的需求，实现对全空间电磁波的频率、幅度、相位和极化调控势在必行，但如何避免或利用多维度性能间的耦合效应实现想要的多性能可重构是单元设计的关键。

图17 40×40双频电控阵列天线Fig.17 Electronic controllable dual-frequency 40×40 array

二是可重构超表面功能的进一步挖掘与丰富。目前的研究大致集中于两个方面：一方面，单一功能不断提升和多个功能的复合。如实现极化重构的频带宽度不断拓展或极化转换率不断提升、对不同方向电磁波的反射和透射相位灵活调控等。展望未来，可重构超表面还有一些新的未知功能需要我们继续挖掘。另一方面，器件和电路不断集成化、小型化，如何在有限的表面上集成更多的可重构功能？如何将控制电路和可重构超表面一体化设计？这些都值得进一步思考。此外，如何将以深度学习为代表的人工智能和可重构超表面技术有机融合，实现可重构超表面的智能感知、自主学习、自适应调节乃至智慧交互都值得深入研究。

图18 动态隐身超表面天线Fig.18 Dynamic stealth metasurface antenna

三是基于可重构超表面的系统完善与应用。近3年，微波全息成像系统、无线信息传输系统、认知超表面系统相继研制成功。它们打破了传统的通信架构，明显简化信息传输的系统构成，使得信息传输的效率和智能化水平进一步提升。这些突破性的创新成果给可重构超表面的研究加入了助推剂。我们有理由相信运用可重构超表面可以搭建更多新架构的信息系统。未来对这一领域展开深入研究，并与工程实践相结合，必将从理论和应用两个维度推动可重构超表面向持续深入和广泛实用快速进步！

图19 低频动态隐身超表面天线Fig.19 Dynamic stealth metasurface antenna at low frequency

图20 16×16可重构超表面及产生的涡旋场Fig.20 16×16 reconfigurable metasurface and the generated vortex field