超表面调制天线的国内外最新进展

王军会

（中国西南电子技术研究所，成都 610036）

引 言

电磁超材料(Metamaterial)拥有天然材料所不具备的一些超常特性，在近些年引起了国内外学术界的广泛关注. 超材料由亚波长尺寸的单元结构周期或者非周期排列构成，单元结构及其排列方式决定了超材料的等效媒质参数[1-3]. 因此，通过合理设计，可实现具有超常电磁属性的人工电磁超材料等效媒质，达到对空间电磁波的调控.

电磁超表面(Metasurface)又称为人工电磁表面，实质可等效为一种纵向厚度可忽略不计的二维超材料，是由亚波长尺寸的超材料单元在横向维度周期或非周期拓展而成的二维超薄表面，具有低损耗和易共形等特点[4]. 通过调控超表面单元物理参数和阵列排布方式，可改变电磁波传播方向、极化方向和传输模式，超表面这种独特的物理特性引起了工业界和学术界科研工作者的极大兴趣.

早期的超表面主要由相同结构的单元周期性排布而成，如频率选择表面(frequency selective surface,FSS)[5]、电磁带隙(electromagnetic band-gap, EBG)[6]、极化栅[7]、人工磁导体[8]等. 随着对超表面研究的日益深入，近些年业界提出了超表面调制技术，通过对超材料单元的物理参数调制，实现自由调控电磁波的波束指向、极化状态以及传输模式等性能，这种调制型超表面展现出其在天线设计和隐身应用等方面的潜在价值. 超表面调制天线主要通过对超表面单元物理参数进行调制以实现目标波束赋形. 将超表面调制技术与传统天线技术结合，对突破和解决传统天线所遇到的一些瓶颈提供了新的设计思路和解决方法.

电控超表面是通过在超表面(超材料)单元加载PIN二极管、MEMS开关或变容二极管等有源器件来改变单元工作状态，利用FPGA电路系统实时控制超表面天线的调制状态，进而实现对空域电磁波的动态可控，电扫超表面调制天线就是典型示例之一. 电扫超表面调制天线作为一种新型电扫天线，伴随着有源超表面调制技术的快速发展受到了广泛关注，这种新型电扫天线与传统电扫相控阵天线相比，具有成本低、功耗低和剖面低等优点[9].

图1为传统有源相控阵天线与新型电扫超表面调制天线的架构对比[10]. 相控阵是当前电扫天线的主流技术，主要通过在单元或子阵对应射频前端通道加载T/R组件，进而调控通道相位，实现波束赋形或波束扫描等功能(如图1(a)所示). 这种基于电路方法移相的技术，能够使相控阵天线波束具有高精度、快速扫描的能力，但其应用往往受成本、尺寸、重量、功耗和系统复杂度所限制. 超表面调制天线采用电磁场调制方法，实现辐射和移相功能一体化，通过在超材料单元加载有源器件，对超表面口径域电磁散射特性进行调控，实现天线目标方向图的综合(如图1(b)所示). 这种新型电扫天线省去了相控阵天线T/R移相模块和机扫天线机械伺服模块，实现天线的波束扫描、动态赋形、极化切换等一系列功能. 在功耗和成本方面，超表面调制天线拥有传统相控阵天线所不具备的优势，未来具有广阔的发展前景和巨大的应用潜力.

图1 电扫天线不同架构示意图[10]Fig. 1 Different architecture diagram of electronic scanned antenna[10]

1 超表面调制天线的工作原理

1.1 超表面调制天线设计思路

图2为超表面调制天线的工作原理框图，其本质上是激励场与调制超表面干涉后所激发电场场的幅相叠加效果. 根据天线设计的不同，激励场可以是导行波、表面波、平面波、球面波等多种形式，超表面调制技术可采用多种方式：阻抗调制、幅相调制、时空调制等. 超表面调制天线的不同调制状态对应着不同辐射波束，其调制状态直接影响天线的辐射特性. 超表面调制天线的综合设计过程主要包含以下三步骤(如图3所示)：

1)针对目标口面场分布对其超表面的调制特性进行分析综合，调制参数可根据天线目标辐射特性和入射激励场进行求解，进而得出其口面区域的调制参数连续分布；

2)对阻抗、幅度或相位等调制参数连续分布进行离散取样，以便运用人工超表面材料单元对其对应调制参数进行模拟，离散采样点密度为亚波长量级，以便在满足单元设计尺寸的同时准确模拟调制特性；

3)采用超材料单元对口面所有离散点调制参数进行人工模拟，并对其全波仿真分析得出其调制信息.

其中第一步中天线口面区域的调制参数求解为超表面调制天线设计的核心，调制参数通常为天线口面区域的阻抗、幅相等，调制参数的解析求解的准确性、有效性、快速性等均会对天线波束特性产生影响. 对于不同的应用场景，往往有多种求解方法，如全息技术解析[11]、基于边界条件的“平面光学”法[12-13]、迭代优化算法等.

图2 超表面调制天线工作原理框图Fig. 2 Schematic diagram of modulated metasurface antenna

图3 超表面调制天线综合设计步骤Fig. 3 The synthesize and design process of modulated metasurface antenna

1.2 超表面调制天线辐射机理

为进一步说明超表面调制天线的工作原理，以导行波激励的全息幅度超表面调制天线和空间球面波激励的反射型超表面调制天线为典型案例，对其辐射机理进行深入分析说明.

1.2.1 全息幅度超表面调制天线

我们以一维全息幅度调制超表面天线为例[11]，对超表面调制天线的工作原理进一步说明. 该天线的辐射机理为导行波通过幅度调制表面干涉后产生目标波束，其单元可采用加载有源器件的超材料单元，通过模拟压控或数字开关等方法对其口面区域幅度进行动态调控，实现波束扫描.

图4为基于幅度调制方法而设计的一维全息幅度超表面天线结构示意，采用导行波对超材料单元馈电，每个单元可假设为一个对称振子或类似模型，单元之间相互不影响，这样可以显著简化分析过程.假设天线远场方向图为

全息幅度调制超表面的每个单元幅值为

则天线阵因子为

通过适当选择合适的导行波传输常数β，可使其可见区谱域分布为

由式(4)可知其主波束方向为θ0方向，因此按照式(2)的全息幅度调制可实现目标波束指向. 式(3)中第二项对应目标波束，第一项和第三项对应非目标波束，因此须选择适度的传输常数和单元间距，使其处于非可见区，避免产生额外波束.

图4 一维全息幅度超表面调制天线示意图[11]Fig. 4 1-D modulated metasurface antenna diagram[11]

这种一维幅度调制方法同样适用于二维布局超表面调制天线，除幅度调制外还有多种调制方式，不同的调制方式所对应的调制参数求解方式可能略有不同，但其总体思路均是根据目标口面场和激励场进行求解，进而根据调制参数完成超表面调制天线设计.

1.2.2 空间球面波激励反射型超表面调制天线

图5给出了一种典型的二维反射型电磁超表面调制天线结构示意图，系统由空间馈源和电磁超表面组成. 空间馈源辐射电磁波后，电磁表面单元接收、调制、再辐射电磁波，使电磁表面阵列获得聚焦波束.

图5 二维反射型超表面调制天线示意图[14]Fig. 5 2-D reflective metasurface antenna diagram[14]

为了在特定方向实现聚焦波束，电磁超表面需要引入一定相移，即相位调制，改变电磁波的相位特性，从而实现目标波束辐射特性. 假定目标波束为

入射球面波为

式中：(θ0,ϕ0)为目标波束方向；rfmn为 球面波入射至超表面的位置矢量. 则超表面单元的相位调制参数为

式中：ϕp(x)表示复数x相位；Δφ0是相位常数. 这种确定单元相位调制参数分布的方法也被称为射线追踪法[14].

可以看出，当电磁目标波束指向变化时，电磁表面的相位分布也随之变化. 因此，通过在单元中加载控制器件，改变电磁表面的相位分布，可以灵活控制辐射波束指向，实现电调波束扫描性能. 基于超表面口径面的幅相分布，可以利用阵列法或口径场法计算电磁表面远场辐射性能[14-16].

2 国内外研究现状

2.1 国外研究情况

近几年超表面调制天线研究成为天线领域热点之一. 美国、意大利等国家在该领域处于领先地位，其中意大利锡耶纳大学的Stefano Maci团队、美国杜克大学的David R. Smith团队以及美国Kymeta公司对超表面调制天线进行了多年的研究，并取得丰硕的成果[9-13,17-20].

意大利的Stefano Maci团队采用表面阻抗调制方式对超表面调制天线进行了大量研究[17]. 图6为阻抗调制型超表面天线不同放大比例的示意图，阻抗调制式超表面天线的辐射机理可简述为馈源激励在其口面所产生表面波通过阻抗调制表面干涉转化为空间辐射. 2016年Stefano Maci提出一种“平面光学法”(flat optics, FO)[12]，基于“透射”边界条件(式(8))，采用迭代算法对其表面张量阻抗分布进行解析求解. 通过优化迭代算法求解得出张量阻抗表面分布并离散化采样后，采用超材料单元对离散点张量阻抗进行人工模拟.

图6 阻抗型调制超表面天线示例[17]Fig. 6 Metasurface antenna based on impedance modulation[17]

式中：Et为目标口面场分布；为张量阻抗；J为其超表面电流. 图7和图8为采用这种FO方法所实现的波束指向为30°、极化为右旋圆极化(right-hand circularly polarized, RHCP)的主平面和U-V坐标系下的增益辐射方向图，并将分析结果与矩量法(method of momentm, MoM)做了对比，验证了这种解析分析方法的准确性.

图7 超表面调制天线辐射方向图[12]Fig. 7 The radiation pattern of modulated metasurface antenna[12]

图8 U-V坐标系3D辐射方向图[12]Fig. 8 3-D radiation pattern in U-V coordinate system[12]

2019年，Stefano Maci团队将多馈点技术应用于超表面调制天线，实现了多波束、多极化和波束扫描特性[18]. 图9为其基于电场积分方程和傅里叶-贝塞尔基函数分析方法实现的三个圆极化波束方向图，其中每个波束对应一个馈电点. 同时，该团队通过调控超表面调制天线多馈点相位首次实现波束扫描，图10为基于调控两馈点相位而实现的波束扫描特性，扫描角度约为78°～102°.

图9 圆极化三波束辐射方向图[18]Fig. 9 Circularly polarized azimuthal tri-symmetric radiation pattern[18]

图10 两馈点超表面调制天线的波束扫描特性[18]Fig. 10 Beam-scanning capabilities of a two-feed MTS antenna[18]

Stefano Maci团队所采用的阻抗调制超表面天线尽管能够对其辐射特性进行准确分析，但其表面阻抗分布的解析分析计算通常较为复杂. 美国杜克大学的David R. Smith长期致力于电磁超材料研究，2017年Smith团队提出一种更易于分析计算的幅相调制超表面天线(如图11所示)，其采用导行波与全息调制超表面干涉的思路产生目标波束，超材料单元自身谐振频率可通过改变其单元尺寸参数或者单元所附介质的介电常数进行调控，超表面幅相调制正是基于此而实现[9]. 通过在超材料单元上加载PIN或MEMS等有源器件可实现波束动态可调[19-20]，图12为采用PIN二极管电调方式所设计的一维超表面天线的PCB正面、背面和整体结构示意图. 其调控方式为 |∠H−∠P|≤ 60°时(∠H为单元激励相位，∠P为单元目标相位)，PIN二极管为开状态(“1”)，此时单元参与辐射；否则，PIN二极管为关状态(“0”)，此时单元不参与辐射. 这种相位调制实际上属于二进制离散调制方式，图13为其波束指向分别为0°、±30°的远场辐射方向图仿真结果，图中下方为三种波束指向所对应的二进制调制编码，“深色”代表单元为开状态(“1”)，“浅色”代表单元为关状态(“0”).

图11 天线结构及其幅度调制示意图[9]Fig. 11 The structural representation of modulated metasurface antenna and the amplitude modulation[9]

2019年，David R. Smith团队将动态超表面天线应用于Massive MIMO通信，以解决目前Massive MIMO天线所面临的成本、功耗和尺寸等问题[19].图14为该团队设计的超表面MIMO天线示意图，为表征其上行速率，采用两种优化算法设计超表面天线，使其达到最优性能. 仿真表明，通过适当调整动态超表面天线的内部组合和压缩，该天线所能实现性能与常规Massive MIMO系统理论极限相当，而且超表面调制天线低成本、低功耗和小尺寸等方面更具显著优势.

图12 一维电扫超表面调制天线结构示意图[9]Fig. 12 Schematic diagram 1-D ESMMA[9]

图13 远场辐射方向图扫描特性[9]Fig. 13 Scanning features of far-field radiation pattern[9]

图14 超表面MIMO天线示例[19]Fig. 14 Metasurface MIMO antenna illustration[19]

在超表面调制天线的工程化应用方面，Kymeta公司属于该领域的一家世界标杆企业，该公司是美国一家专注开发卫星通信天线的创业公司，2018年，该公司推出了基于液晶技术的70 cm口径Ku波段超表面天线产品——“mTenna”卫星通信终端天线(如图15g所示)，能够全双工同时收发卫星信号，具有低成本、低剖面等优点. 图15a-f为天线各层示意图，其中超表面层包含一层介于电路板或玻璃片中的液晶间隙层(如图16所示)，间隙中液晶超材料进行电子化配置之后可以对其进行调控，这是因为液晶在不同的加电电压状态下，所对应的介电常数不同，该天线通过液晶的这一特性进行调制，实现波束扫描、极化切换等功能. 与传统电扫相控阵天线相比，该天线采用全息调制方法实现了无移相器式的波束动态可控[21-22]，具有收发全双工、宽角电扫描(图17)、极化可控、低功耗等特点. 该产品是世界上第一款用于卫星通信的Ku频段超表面天线，可应用于车载、舰载等固定平台，目前已完成地面和海上性能测试. 这种天线采用类似于液晶显示器生产技术进行批量生产，将会大幅降低成本，未来市场潜力可期.

图15 Kymeta公司“mTenna”卫通天线Fig. 15 Kymeta “mTenna”SATCOM antenna

图16 液晶封装示意图[21]Fig. 16 Liquid crystal package[21]

图17 超表面天线扫描特性[22]Fig. 17 The scanned feature of ESMMA[22]

2.2 国内研究情况

近些年，超表面调制技术这一新兴领域在国内也成为研究热点之一，并取得了较大进步[23-38]. 东南大学、清华大学、南京大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、中科院光电所等高校和研究机构均进行了许多研究，并取得杰出成果.

东南大学崔铁军教授团队是国内当前在超表面领域研究较为深入的领军团队，并取得了一系列的研究成果. 2014年，崔铁军教授团队提出一种新型的超表面(如图18所示)——电磁编码与可编程超表面[23]，其单元的状态采用有限个二进制数值来表示(通常为“0”和“1”，“0”代表相位为0，“1”代表相位为180°)[24-25]，单元通过加载PIN二极管等有源器件的方式来实现其数字态调控(如图19(a)～(b)所示：“0”为关状态，“1”为开状态)，利用FPGA等硬件系统实时调控数字超表面的编码状态(如图19(c))，实现天线辐射或散射状态动态调控，图19(d)为三种编码状态下所对应的赋形波束：单波束、双波束与多波束.

图18 数字编码超表面示意图[23]Fig. 18 Digital coding metasurface diagram[23]

图19 可编程超表面控制机理[23]Fig. 19 The control diagram of programmable metasurface[23]

2018年，崔铁军团队和意大利萨内奥大学Vincenzo Galdi合作，提出了“时空编码”超表面的全新概念[26](图20)，将数字编码调制与时间调制阵列相结合，每个编码元件具有一组在调制周期中循环切换的时间编码序列，实现对电磁波传播方向和谐波功率分配的同时控制，进一步扩展了超表面对电磁波的操纵. 时间调制序列的引入使得单元具有多种等效编码态，这种编码方法能精准控制电磁波在空域和频域中的分布. 图21(a)为利用“时空编码”调制设计的谐波式扫描数字超表面的时空编码矩阵，图21(b)～(c)为同一时刻不同谐波所对应的不同波束指向，该调制方法可实现对空域和频域的同时调控. 这种编码方法不仅可实现对波束指向的控制，还可以应用于隐身设计[26-27]. 图22(a)和(b)为基于“时空编码”调制的隐身数字超表面的时空编码矩阵和散射方向图，可实现空域和频域对电磁来波的同时分散，全方位降低其雷达散射截面(radar cross section, RCS). 时间维度编码的引入，扩展了空间编码信息量，降低了超表面的系统复杂度，可动态实现多种完全不同的功能.

图20 时空编码超表面工作机理示意图[26]Fig. 20 Space-time coding metasurface operation diagram[26]

图21 时空编码序列及其谐波辐射特性(谐波扫描)[26]Fig. 21 Space-time coding sequence and harmonic radiation pattern: scanning application[26]

图22 时空编码序列及其谐波辐射特性(隐身)[26]Fig. 22 Space-time coding sequence and harmonic radiation pattern: cloaking application[26]

2020年，崔铁军教授团队设计了一种极化可控双编程超表面(polarization-controlled dual-programmable metasurfaces，PDPM)[28]，采用可编程超表面实现了一对正交极化电磁波的实时独立控制，该超表面具有两比特编码能力，实现正交极化电磁波的相位调控. 如图23所示，每个超表面单元均加载两对变容二极管，加电或非加电状态(“0”和“1”)对应其反射相位同相和反相，两排控制接口通过独立可编程的专用控制电路模块分别实现其正交极化的调控.该PDPM具有可擦写、可扩展特性，能实现多种灵活可变功能，比如极化可控、宽角双波束扫描、双极化口径共用等，未来可广泛应用于智能通信、成像、计算等技术.

图23 实时独立控制正交极化超表面[28]Fig. 23 Proposed PDPM for real-time and independent control of orthogonal-polarized EM waves[28]

清华大学的杨帆教授团队在电磁超表面调制技术的电控反射阵方面取得了许多研究成果，其基于“界面电磁学”的理论分析方法[29-30]，采用在电磁表面加载二极管等控制器件，进而调控电磁波的散射相位，实现高增益辐射、波束扫描及波束赋形等功能. 图24为该团队与空军工程大学联合设计的一款超表面反射阵天线[30]，超表面单元加载PIN二极管，通过FPGA控制PIN二极管而调控单元反射相位，实现超表面的二进制相位调制. 图25为超表面反射阵天线实物，图26(a-c)为扫描仿真结果，图26(d)为测试结果，其采用快速逆傅里叶变换方法加快了二进制调制参数的优化过程，实现了波束0～40°扫描，这种可编程超表面反射阵天线通过对电磁波直接调制进而实现动态波束扫描、波束捷变、多波束等，具有很大的应用潜力.

图25 超表面反射阵天线实物图[30]Fig. 25 Prototype of the reflective metasurface antenna[30]

图26 天线仿真结果(a-c)与测试结果(d)[30]Fig. 26 Simulated results (a-c) and measured results (d)[30]

超表面调制天线不仅可以实现电控波束扫描或波束赋形，其灵活调制特性还可以实现轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)锥形辐射场，2018年，南京大学的冯一军教授团队将超表面调制技术应用于角动量涡旋场的产生，图27为产生OAM锥形场的超表面反射阵原理示意图[31]，通过分析综合得出超表面的相位调制特性，进而产生任意锥角任意模式的OAM锥形场. 图28为具有PB (Pancharatnam-Berry)调制相位特性的超表面反射阵，工作于Ku频段(14～17 GHz)，由图可知其测试结果与理论分析和仿真结论基本一致，进一步验证了超表面调制技术对电磁波的灵活调控特性.

此外，该团队通过在超表面加载有源器件实现对电磁波极化的调控[32]，图29为PIN二极管两种加电调制状态下，超表面对空间电磁波传输中极化的调控.

图27 具有OAM锥形场的超表面反射阵[31]Fig. 27 Schematic of a reflective metasurface for generating conical beam carrying OAM[31]

图28 具有PB相位特性超表面样件(l = 10, δ = 0)及其仿真测试结果[31]Fig. 28 Fabricated PB phase metasurface sample with l = 10,δ = 0 and the simulated and measured results[31]

图29 有源手性超材料对电磁波传播的调控[32]Fig. 29 Active chiral metamaterial for dynamic control of the asymmetric EM wave transmission[32]

除了反射式超表面天线外，超表面调制技术还可应用于透射阵，2018年，香港城市大学的林权纬、黄衡团队通过改变上下两层介质的介电常数，从而实现超表面天线折射率的调控，所提出高折射率超表面单元大大降低了透镜天线剖面高度，图30为采用该方法设计的天线实物，实现了58%的阻抗带宽(7～13 GHz)和21 dBi的最高增益，未来可应用于卫星探测、航空航天等领域[35].

图30 基于超表面的透镜天线[35]Fig. 30 Prototype of the proposed lens antenna based on metasurface[35]

中科院光电所罗先刚院士及其团队在可重构超表面透射阵天线方面也做了大量的研究，并取得杰出成果[36-37]. 图31(a)和(b)分别为该团队在2016年所研发的可重构超表面透射阵单元结构和阵列实物，单元主要包含具有180°模拟相移特性的接收单元、具有1 bit相移特性和极化切换特性的发射单元两部分，该超表面透射阵能够实现360°的连续相位调制，并能实现线极化至圆极化转变. 图32(a)和(b)分别为6×6规模阵列在xoz面和yoz面主平面±45°范围内电扫辐射特性，扫描范围内具有≤3 dB的轴比特性. 这种电扫方法可应用于未来雷达和无线通信的应用中，具有较大发展潜力.

图31 电控可重构透射阵[36]Fig. 31 Reconfigurable transmit array[36]

图32 主平面远场波束扫描特性[36]Fig. 32 Far field radiation performance of the CP transmit array antenna[36]

3 关键技术

相比于传统的抛物面天线、平板阵列天线、相控阵天线等，这种新型的超表面调制天线能够灵活实现波束扫描或赋形、极化切换等波束动态可控特性，极大降低了天线系统复杂度、体积、重量和成本，能够在本质上解决传统天线所面临的一些瓶颈. 然而，当前超表面调制天线还处于发展阶段，仍存在若干技术问题亟待解决，距离真正工程实用化还有一定距离.

1)超表面调制天线不同的辐射或散射特性对应着不同的调制状态，而不同调制状态下的超表面辐射层往往会影响其激励场，引起导行波激励场的传播常数因子的波动，对天线设计复杂度带来挑战. 因此如何使这种天线在不同调制状态均能够维持一个较为稳定的激励场是超表面调制天线设计中需要解决的一个关键技术难点.

2)超表面调制天线不同工作频点往往也对应着不同的调制状态，这与一个时刻仅存在一个调制状态是相悖的. 此外，超表面单元的调制特性通常会随着频率变化而变化，工作频带往往较窄. 因此，如何拓展超表面调制天线工作带宽，使其能够实时兼顾不同工作频点也是所面临的一个技术挑战.

3)电扫超表面调制天线往往会利用有源器件(比如PIN、MEMS)来实现动态调控，而有源器件的引入会带来一定的损耗，此外导行波串行激励所引起的损耗也不可忽视. 这些因素会导致超表面调制天线的效率降低，如何提升其效率是亟待解决的一个技术问题.

4)超表面单元通常为亚波长结构，超表面天线中所涵盖单元数量成千上万，如何工程化实现如此紧凑而规模巨大的控制电路布局，且不影响超表面辐射层的辐射特性是一个挑战，因此所采取的调控策略对超表面天线设计复杂度起着关键作用.

4 结 论

当前，这种新型超表面调制天线正朝着高效率化、低成本化、多功能化、全系统化的发展方向快速前进，随着超材料技术的不断演变，超表面调制技术已逐渐工程化，其通过数字信息或模拟控制系统调制技术可实现波束扫描、极化切换、波束赋形、低RCS隐身等多动态调控功能. 超表面调制天线，通常由数字/模拟控制模块、导波激励层及超材料辐射层组成. 这种新型天线既不需笨重的机扫伺服系统，也无需传统相控阵天线昂贵的T/R组件，具有优异的SWaP特性(尺寸小、重量轻、功耗低)以及低成本优势. 随着人工电磁表面材料技术的不断发展和工艺制造水平的进一步提高，将会为超表面调制技术带来更多新奇的效果和本质的飞跃，超表面调制天线在未来必然会拥有广泛的应用前景和不可估量的发展潜力.