数字编码超表面:迈向电磁功能的可编程与智能调控

数字编码超表面是超材料与超表面领域的重要研究分支。通过数字编码方法替代等效媒质理论来表征超表面，不仅有效简化了超表面设计，而且建立了数字信息与超材料物理的联系。该文系统梳理数字编码超表面的发展历程，重点介绍其在可编程与智能电磁调控领域的最新研究进展。首先，详细介绍数字编码超表面的基本概念以及基于数字编码超表面的信息论研究；然后，具体介绍可编程超表面的工作原理和实现方式以及可编程超表面的不同研究方向，包括辐射式可编程超表面、多维度可编程超表面、时域数字编码超表面与新体制通信系统；接着，介绍智能超表面的最新研究进展，展示其环境感知与自适应电磁调控能力；最后，对超表面的未来发展进行讨论与展望。      

基于超表面的智能电磁感知:理论、系统与实验

电磁感知是现代社会迫切需要的非接触式探测技术，而实现实时数据处理、低成本、低能耗的智能电磁感知系统一直是微波探测领域的长期追求目标. 为了实现这一目标，文中将能够任意调控电磁波前的可编程超表面与具有强大信息处理能力的深度学习技术相结合，实现了智能电磁感知系统；并分别从理论、系统设计与实验三个角度深入研究了深度学习驱动的智能电磁感知方法. 文中首先利用“k空间”法分析了基于可编程超表面的电磁感知系统的理论分辨率和影响因素；然后介绍了一款32×24的1比特可编程超表面的系统设计，并实验验证了其动态调控电磁波前的良好性能；在此基础上将深度学习技术引入感知系统中，建立了自适应处理高维感知数据的成像卷积神经网络，实现了高保真度的人体姿态成像. 本文的研究成果可用于指导智能电磁感知系统的设计与分析，并且为未来人工智能时代的电磁感知系统开辟了一条新的途径.     

基于有源微波器件的动态调控型智能超表面设计

针对微波信号多频段宽带吸收与屏蔽的应用需求,在无源超表面基础上,对吸波频带和幅值动态可调的智能超表面进行了简要介绍.采用HFSS电磁仿真软件对智能超表面的动态可调性能进行了仿真,并分析了其动态调控机理及吸波特性,揭示了可变电阻调控对超表面吸波性能的作用规律,提出了基于有源微波器件PIN二极管加载的智能超表面设计方案.通...     

电磁超表面在隐身技术中的应用研究进展

电磁超表面能够利用散射调控和电磁波吸收2种主要机理进行隐身是隐身技术中一种极具潜力的新型技术途径。对电磁超表面在隐身技术中的应用与研究进展进行综述,首先介绍了超表面散射调控机理进行隐身设计的基本原理与实现方法,介绍了相位梯度超表面、编码超表面和超表面隐身套的发展历程和研究成果;其次介绍了基于吸波机理的超表面隐身技术研究进展,包括完美吸波结构、多频带吸波结构、宽频带吸波结构、宽角域吸波结构;再次介绍了超表面雷达隐身与其他功能的复合设计研究,包括超表面隐身强度复合设计、超表面吸波透波散射一体化、雷达红外兼容隐身等内容;最后总结了一些超表面在隐身技术应用中存在的问题和未来的研究方向。     

惠更斯电磁超构表面微波天线的研究进展(特邀文章)

惠更斯电磁超构表面脱胎于现代三维超构材料,是一种特殊的二维亚波长阵列结构.基于经典电磁学惠更斯等效原理,惠更斯电磁超构表面可以灵活地调控电磁波的传播和电磁场的分布,其独特的电磁特性给天线的创新带来了巨大的机遇.文章将综述惠更斯电磁超构表面在微波天线中的研究进展,简要介绍惠更斯超表面的基本概念和原理并总结其在微波天线设计中的应用,重点阐述三种惠更斯超构表面天线技术及其设计案例.最后,展望惠更斯超构表面在天线工程中的广阔应用前景.     

太赫兹智能可重构超表面

未来6G网络将是物理世界和数字世界的融合,实现万物互联、智能感知的场景.智能可重构表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)是未来6 G通信重要发展方向.在微波频段智能可重构超表面的研究基础上,提出了一种太赫兹频段智能可重构超表面.该超表面单元加载PIN二极管作为有源器件对电磁...     

低复杂度时空调制超表面设计方法与应用

为利用超表面实现空频域电磁波的高效调控,提出了一种基于解析优化的时空调制超表面设计方法. 根据调控需求引入理想时变散射系数;采用矩形脉冲离散时变散射系数,并根据所需电磁响应设计超表面单元结构;进行傅里叶展开,对每个脉冲的状态、起始时刻、脉冲宽度等进行解析优化,保留目标阶谐波,消去其他阶谐波. 解析和仿真结果具有较好的一致性,表明了设计方法的可行性与准确性. 该设计方法深入地研究了时空调制对空频域电磁波的调控机理,为时空调制超表面在雷达、通信等领域的应用提供了新的设计思路.     

超表面偏振信息编码

超表面在光偏振调控方面具有卓越的能力，利用超表面结构的偏振控制实现信息编码与加密成为一种新兴的光学编码技术。本文旨在介绍超表面偏振光学及其在信息加密领域的最新进展。首先介绍对光束偏振态进行整体调控的各类超表面偏振光学元件，包括超表面波片、偏振器和偏振分束器，强调了超表面在偏振操控方面的卓越性能；接着深入介绍基于不同微型超表面偏振光学元件进行的像素化偏振信息编码，包括对近场偏振态空间分布进行逐点编码的马吕斯超表面，以及对远场偏振态进行空间编码的偏振全息和矢量全息超表面；然后阐述近场与远场像素化偏振空间编码超表面在信息隐藏与加密领域的应用示范；最后进行简要总结，并展望超表面偏振信息编码技术的未来发展趋势与应用潜力。     

基于类电磁诱导透明超材料的可调谐慢光器件

提出并设计了一款能够调控类电磁诱导透明现象的超材料，其单元结构由矩形开缝谐振环和加载变容二极管的开缝金属线组成。当调节变容二极管的电容值时，类电磁诱导透明现象中谐振峰频率会随着电容值的减少往低频方向移动，且对应的幅度值逐渐降低；当电容值降至0.79 pF时，类电磁诱导透明现象消失。通过表面电流分布、双谐振子模型和等效电路模型对其物理特性进行了分析。结合仿真和实验结果证明了该超材料可调谐功能的有效性。通过计算该超材料在不同电容值下的群时延表明其具有良好的慢光效应，因此在设计可调谐的慢光器件中具有潜在应用价值。     

电磁超表面透镜的前沿成像应用进展

电磁超表面是电磁超材料的一种二维形式,它由许多亚波长结构单元按某种特定规律排列形成,可以实现对电磁波相位、偏振和振幅的任意调控。与传统光学器件相比,它具有超薄的厚度,其小型化、紧凑化、易于集成等优点在光学系统中具有广泛的应用前景,掀起了国内外的研究热潮。文中首先从超表面的波前调控原理入手,对电磁超表面透镜成像机理进行了阐述,接着介绍了电磁超表面透镜在成像应用中的一些前沿进展,最后进行了总结,并对其未来的发展方向进行了展望。     

应用于毫米波段的宽带波束调控超表面设计

毫米波段因其较高的数据传输速率和较大的容量而备受关注。为满足现代通信系统对宽带、波束偏转和高辐射效率等天线需求，本文提出了一种工作在88.5～94.6 GHz频带范围内的石墨烯-金属复合结构超表面。该超表面通过调节石墨烯的费米能级，对超表面单元的反射相位进行实时调控编码。调整金属层结构尺寸，可以调制不同编码状态下超表面单元的相位、幅度响应以及编码频段范围。经优化设计，在石墨烯费米能级分别为0 eV和1 eV时，编码超表面单元在88.5～94.6 GHz的宽频带内具有180°±20°的反射相位差，并且反射幅度均大于0.7。利用该单元设计了7×7的超表面，通过合理排布编码单元，可对毫米波段波束进行偏转和多波束切换等动态调控。实验结果显示，单波束最大偏转角度可达105°(-55°～50°),且可实现1～5个波束的切换。该超表面为多功能天线设计提供了新的解决方案，在高速无线局域网、车载雷达、卫星通信等领域具有潜在的应用价值，对毫米波段通信技术的发展具有重要意义。     

有源频率选择表面研究进展及应用前景

有源频率选择表面(AFSS)是在传统频率选择表面(FSS)单元图形间加载一系列阻抗元件而构成的新型FSS,它具有可调的电磁特性。在分析了AFSS电磁特性调控机理的基础上,综述了AFSS在可调电磁屏蔽室、可调空间电磁滤波器、可调雷达天线等领域的研究进展,并重点阐述了AFSS在智能吸波结构上的应用,最后归纳了AFSS分析方法。     

太赫兹动态超表面

太赫兹波段处于微波、毫米波与光波段之间，其相关技术对下一代高速通信、高分辨成像、智能感通一体等多个信息领域的发展具有重要的意义.发展太赫兹应用技术需要对太赫兹波束进行操控和信息加载.动态超表面作为一种新型的实现结构和器件，是实现该功能的重要途径之一.本文将以太赫兹动态超表面的调控功能作为分类依据，从相辅相成的材料、结构、机理及其最终表现的应用演示对幅度调控、相位调控、极化调控、波束调控、高阶非线性调控太赫兹动态超表面5个方面进行了概述，介绍了不同类型动态超表面的相似性与独特性，并对部分工作进行了指标对比.最后，展望了太赫兹动态超表面的发展趋势.本文希望更多学者可以了解太赫兹动态超表面，并促进此领域的发展.     

光控电磁超材料研究进展

电磁超材料是由亚波长尺寸单元周期或非周期排列组成的人工结构,能对电磁波的频率、幅度、相位和极化等基本物理特征进行调控,突破了传统材料的限制,可实现很多自然界不存在的有趣物理现象及应用.过去二十余年,超材料因其强大的电磁调控能力一直是物理领域的研究热点.但无源超材料在电磁波调控中存在局限性,如工作频率固定、实现功能单一等...     

基于编码电磁超表面的Bessel波束设计

编码电磁超表面构成信息超材料研究领域的一个分支. 文中提出了基于编码电磁超表面的Bessel波束产生设计方法，为Bessel波束的产生与调控提供了新的解决方案；同时对基于电磁超表面的Bessel波束产生与设计的基本方法进行了梳理总结. 首先通过反射型编码电磁超表面分别设计了不同类型的Bessel波束，包括单波束零阶Bessel波束、双波束零阶Bessel波束、单波束高阶Bessel波束以及双波束高阶Bessel波束；然后对于每一种类型的Bessel波束分别对应给出了有关的设计理论和方法，并通过全波电磁仿真的方法进行了相应的仿真验证；最后，鉴于信息超材料技术的发展，基于编码电磁超表面的Bessel波束设计可以进一步地应用于信息超材料有关的系统设计，如近场无线信息/能量传输、近场雷达探测与成像，这也为信息超材料提供了一种可供选择的应用场景.     

基于极化旋转单元的宽带雷达散射截面缩减

提出并设计了一种基于非对称开口圆环形结构的极化转换单元，并以此为基础设计实现了超宽带雷达散射截面（radar cross-section，RCS）缩减电磁超表面.利用非对称开口圆环形结构极化转换单元可灵活设计转极化反射相位的特点，设计了两种极化转换单元以实现在超宽频带范围内满足反射相位相差接近180°，将这两种单元在平面上进行编码优化排布，使得入射电磁波产生漫反射效应从而实现超宽带后向散射RCS缩减.最后设计并加工了一个192 mm×192 mm尺寸的电磁超表面，仿真和实测结果表明该表面在11.2~24.1 GHz的宽频带内实现了10 dB以上的RCS缩减，最大缩减可达35 dB.     

基于氧化铟锡的空间光相位调控超表面设计

空间光的相位调控对于光学相控阵以及焦距可调透镜等的应用具有重要意义。氧化铟锡(ITO)是一种透明金属材料,其介电常数可以通过外部电压进行高速调制,因此被广泛应用于电光调控设备。本课题组基于ITO薄膜和金属谐振器设计了一种谐振增强结构,通过静电调控ITO的载流子浓度,使入射光与超表面发生临界耦合,显著提升了结构对电磁特性的调控能力,实现了高于330°的相位调制范围。利用相位调控单元构建光学相控阵,实现了波束的动态偏转;同时设计了焦距可调透镜,通过仿真实现了焦距为10,15,20μm的可调聚焦效果。所设计的相位调控超表面在光学探测、传感、成像等领域具有重要的应用价值。     

中红外超表面的成像和检测原理及应用进展（特邀）

中红外波段包含两个大气窗口及分子指纹区，在红外成像与物质检测方面具有重要应用。传统中红外光学器件在成像方面受材料、加工等限制成本昂贵、加工复杂；在检测方面，受分子吸收截面小的限制，检测灵敏度低，对微量化学物质检测具有较大挑战。超表面是由亚波长尺度的人造单元构成的二维结构阵列，具有体积小、易集成、调控自由度高等特点，能够为制造低成本、轻型化、集成化的中红外光学器件提供一种新的实现方案。表面增强红外吸收能够有效增强分子振动信号，提高检测灵敏度。文章介绍了中红外超表面在电磁波调控方面的机理及其中红外检测应用的原理。着重整理了超表面结构在中红外波段的成像与检测领域的研究进展，包括偏振成像、可调及可重构超表面、其他特殊功能以及用于检测的基于等离子体激元或连续体束缚态原理的使用金、银、铝、石墨烯、硅、锗等材料的超表面结构。     

一种应用于无线网络通信智能超表面的设计

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)作为未来无线通信关键技术之一,在无线通信网络中发挥着重要的作用。在基站与终端的无线环境中引入智能超表面,对无线环境进行可编程,能够显著提高网络覆盖区信号强度、用户速率以及网络容量。介绍了智能超表面单元模型及PIN管相应的等效电路,设计了一种与现有基站极化方向相匹配的各单元独立可调的反射式智能超表面,通过仿真设计,每个智能超表面单元可以实现1 bit调相。在此基础之上,根据阵列智能超表面单元的散射场理论以及每个单元状态矩阵,通过算法优化,可以得出实现不同角度反射电磁波的码本(每个基本单元需要控制PIN的状态),并且通过工程实践以及实测,不同的码本能够实现不同角度的反射电磁波出射,工程上验证了反射式智能超表面具有对电磁波进行波束控制调整的能力,能够实现对无线环境的传输信道优化。     

宽带消色差红外光学超构透镜研究进展（特邀）

超构透镜是由亚波长散射单元结构排列而成的具有聚焦功能的平面二维超构表面。超构表面能够在亚波长尺度上操控光场的振幅、相位、色散和偏振态,是近年来迅速发展起来的新型光场调控载体。亚波长共振纳米结构使得高阶衍射被抑制,入射光场可以完美地被调制到设计的衍射级次上,从而确保了超构表面器件具有高的光子调控效率。同时,超构单元在设计上的灵活性及其特定的电磁响应使得超构表面可以实现对光场多个维度的定制化操控。不同于传统光学透镜依赖光传播的相位累积效应,宽带消色差超构透镜通过对光场相位和相位色散的同时独立调控解决了传统通过级联多个透镜修正色差造成的光学系统复杂和体积庞大限制,为发展小型化片上集成光学提供了全新的思路。文中围绕超构透镜的相关研究,首先介绍了超构表面调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾了近年来关于超透镜的研究发展,包括通过单一参量调控的单波长超透镜的实现,以及通过对光场偏振、相位及相位色散的多参量联合调控的多功能宽带消色差超构透镜的发展现状,最后讨论其进一步发展的可能挑战与应用前景。