电磁超材料在微波成像方面的应用现状

2021-10-25 14:03徐安强

广州化工 2021年19期

徐安强

(上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093)

微波作为电磁波的一部分，其波长范围在1米和1毫米之间，频率范围在300 MHz和300 GHz之间。同其它波段的电磁波相比较，微波具有一些特殊的优势。第一，相比于频率更小的短波无线电波来说，微波波段所包含的信息性更多。这是因为频率越小，供其可用的频带就越窄。第二，相较于可见光、红外光而言，微波的波长更长，因此穿透性也就更好。第三，微波用于安全检测成像时，不会像X射线一样对人体或周围的环境产生危害。而且微波还具有高功率、高稳定性、抗低频干扰特性等独特的性质。基于上述等优点，微波在成像方面具有极大的应用前景，逐渐成为热门的研究领域之一[1]。

然而传统的微波成像系统，主要为合成孔径雷达(SAR, Synthetic Aperture Radar)成像系统，存在着许多难以解决的问题。例如对运动速度慢的目标物体正视成像质量差[2]，响应速度较慢，且成像系统还需要很大的测量空间等。针对传统合成孔径雷达成像的不足之处，科研人员们开始研究利用人为设计的超材料孔径/超表面天线来进行成像，具有成像质量高，响应时间快，抗低频干扰能力强等优点。本文首先对电磁超材料的发展进行了简单的概述，进而总结了近年来基于超材料孔径/超表面天线的电磁超材料成像系统在微波成像方面的应用现状，同时也对近期新兴的可编程超材料在微波成像应用方面做了简要介绍。

1 电磁超材料的概述

电磁超材料，也可以简单地称其为超构材料、超材料，它是一种人造材料，可以人为地设计结构从而使材料表现出天然存在的材料所不具备的一些特殊性能[3-4]，比如负折射[5]，完美透镜[6]，逆Cherenkon辐射[7-8]等，特别是其中的负折射性质，是当时最热门的研究话题之一。因此，最初的电磁超材料一般是指负折射材料。介电常数和磁导率是描述均匀媒质中电磁场性质的的两个基本物理量，在我们的认知当中，自然界中存在的材料的介电常数(ε)和磁导率(μ)都为正值，其电场矢量、磁场矢量和波矢量三者之间遵循右手螺旋定则，如图1(a)所示。但是负折射材料的出现却颠覆了我们的认知，它的介电常数和磁导率都为负值，其电场矢量、磁场矢量和波矢量三者之间遵循左手螺旋定则，如图1(b)所示，故负折射材料又被称为左手材料 (LHM, Left-Handed Materials)[9]。

图1 (a)传统材料中E、H、K之间呈右手螺旋关系; (b)负折射材料中E、H、K之间呈左手螺旋关系Fig.1 (a)Right-hand orientation of vectors E,H,K for the traditional materials；(b)Left-hand orientation of vectors E,H,K for the negative refractive materials

随着二十多年来相关科研人员对电磁超材料认识深度及学习能力的不断加强，现在的电磁超材料已不单单是指左手材料，也就是说如今的超材料不需要同时具有负的介电常数和负的磁导率。从广义上来讲，现在的电磁超材料基本上是指由人工设计单元结构组成的，并具有奇特电磁特性的人造功能复合材料[10]，比如光子晶体(Photonic Crystal)、宽带超材料吸收体、复合左/右手传输线、超表面等。根据等效媒质理论，电磁超材料结构单元的尺寸要远小于波长(基本上小于波长的10倍以上)[11]，即电磁超材料的尺寸属于亚波长范畴，这就使得可以通过常规的制备方法(例如光刻、PCB的制备技术)将电磁超材料结构设计成芯片级别的大小，从而有望做到小型化、阵列化、集成化。

关于超材料这一概念，最早是前苏联物理学家Veselago于1968年提出来的，他基于对麦克斯韦方程组的深入研究，发表了介电常数和磁导率都为负值的理论推测[12]。但这一研究理论在当时并没有得到重视，因为人们并没有在自然界中发现过具有负折射性能的材料。Pendry教授带领的研究小组于1996年利用周期性排布的金属细导线得到了负的电响应，并在微波频段内构造出了等效介电常数为负的人工材料[13]。1999年，他又利用周期性排布的开口谐振环(SRR, Split-Ring Resonator)阵列得到了负的磁响应，构造出了等效磁导率为负的人工材料[14]。这两项重大研究的发表，才算是真正使人们对超材料这一概念重视起来。2001年，Smith等人在Pendry研究的基础上，在Science上报道了将周期性金属细导线和开口谐振环阵列结合起来，首次在实验中构造出了微波波段内的左手材料，证明了负折射材料是可以实现的[5]。随后，关于电磁超材料在各种不同方向的研究如雨后春笋般涌现出来。

2 电磁超材料在微波成像方面的应用

传统的雷达天线成像系统由于通常需要昂贵且复杂的射频组件，且抗干扰能力差，处理速度慢，无法适应如今小型化、多元化、集成化、陈列化等发展要求。基于电磁超材料发展起来的超材料孔径/超表面天线的组成结构单元都处于亚波长尺寸，可以大幅度地减小天线的尺寸，易做到小型化、阵列化，且占地面积小且响应速度快，提供了一种新的微波成像解决方案，并且一种新兴发展起来的可编程超材料也可被用在微波成像方面。

2.1 超材料孔径/超表面天线

超材料孔径一般为平行板波导的形式，板上的图案化互补超材料相元会将能量从波导模式耦合到场景[15]，随后可根据各种不同的算法对场景进行重建。我们可以根据超材料奇特的电磁特性自由地设计天线频率，以应用于不同的测量模式。

Lipworth等人[16]介绍了一种二维超材料孔径，并通过模拟证明该超材料孔径可用于相干计算成像。随后，他们于文献[17]中介绍了基于频率采集的超材料孔径的计算成像，超材料的共振频率随机分布在较大的宽带(18-26GHz)上，因此孔径会根据频率产生快速变化的场模式序列，通过在合理的带宽内对典型场景进来了多次不同测量，在实验上实现了衍射受限的物理场景重建。Yurduseven等人[18]提出了一种基于三维打印的分频超表面天线计算成像系统。通过使用聚乳酸(PLA)聚合物材料和导电聚合物材料的组合实现了对超表面天线的制作，以全电子方式通过简单的扫频进行成像，可以在衍射极限下实现物体的微波成像。这种新型的超表面天线制作方法，解决了常规制造技术(例如机器铣削、光刻和激光刻蚀等)价格贵且耗时长的问题。

为了解决传统超材料孔径/超表面天线成像系统中重建算法耗时长、效率低的问题，Mancera等[19]通过转换动态超表面的测量值，使其在快速的计算步骤中与距离偏移算法(RMA, Range migration algorithms)兼容，进而达到优化RMA的目的，为基于动态超表面的成像系统提供了一种有效且快速的重建图像技术。Boyarsky等人[20]基于两个超表面孔径组成的动态超表面天线搭建了一套高分辨成像系统，根据对反向散射的测量，通过RMA有效地重建出目标物体的三维图像，展示了单一频率下对三维物体进行分辨及重构成像的能力。

超材料孔径/超表面天线成像系统还可用于医疗方面对疾病的检测。Ahsan等[21]提出了一种用于在头部有效传输微波信号的新型超材料天线阵列设计，仿真结果表明该超材料天线阵列可应用在一些对脑部成像(如中风检测和监视)的微波系统。Islam等人[22]基于超宽带定向天线阵列，提出了一种便携式的低成本微波成像系统，通过使用新提出的迭代校正延迟求和(IC-DAS, Iteratively Corrected Delay and Sum)算法处理散射场的偏差，完成了对乳房模型中的肿瘤细胞检测。

2.2 可编程超材料

编码超材料、数字超材料、可编程超材料这一概念是由东南大学的崔铁军教授提出来的[23]，是近几年新兴并迅速发展起来的一种由若干结构单元按照编码的方式排布的电磁超材料。所谓的编码，就是对组成超材料表面的每个结构单元粒子编码并进行相位划分：对于1比特编码超材料，其最优化的编码粒子相位分别为0°和180°；对于n比特编码超材料，其编码粒子在2π相位范围内被划分为2n个相等的部分[24]。此处，我们针对典型的1位和2位编码的可编程超材料进行成像的文献做了简单概括。

Li等[25]设计了一款微波频段下基于1位编码的可编程超表面，通过直流电压控制PIN二极管，可以在编码超表面的每个结构单元的状态之间灵活切换“0”和“1”。验证表明，仅使用一个编码超表面就可实时地实现多个所需的全息图像.文献[26]提出了一种传输型2位编码的可编程超表面，可用于微波频率下的单传感器和单频率成像，通过足够多的传输模式解决了单传感器成像中的逆散射问题，与传统的单传感器成像仪相比，在很大程度上减少了成像系统的成本和复杂性，

可编程超材料将物理世界与信息世界两者之间紧密的结合在了一起，使人们可以在超材料的物理层面上进行基于波的实时信息编码和处理[27]，推进了诸如数据存储和先进信息处理等各个层面的进步，并在成像方面表现出巨大的应用前景。目前对于可编程超材料而言，未来可以朝着实现简单性、低成本的设计以及实现高质量图像的方向发展。

3 结语