在雷达与通信系统中，信号的来源分为有线和无线两种，有线的信号通过导波来输入，而无线的信号一般来自于自由空间。无论是传统的天线或者超构表面器件只能对其中的一种进行调控，限制了电磁波调控能力的进一步拓展。针对这一限制，近日空军工程大学的管春生、蔡通与哈尔滨工业大学的丁旭旻课题组提出了基于极化隔离的导波与空间波复用型超构表面，能够对辐射电磁波实现复振幅调控的同时实现对散射波的全相位调控，而不会产生串扰问题，并在微波段实现了一系列基于导波与空间波复用型超构表面的先进电磁功能，如低副瓣低散射天线、多功能无线能量传输以及多通道全息成像。相关工作以“Guided and Space Waves Multiplexed Metasurface for Advanced Electromagnetic Functionalities in Microwave Region”为题，发表在《Advanced Materials》上。空军工程大学管春生讲师，蔡通副教授，齐齐哈尔大学的朱磊教授为论文的共同第一作者，哈尔滨工业大学的丁旭旻教授为论文的通讯作者，空军工程大学为论文第一单位。
图1 导波与空间波复用的超构表面功能示意图
由人造平面散射体阵列组成的超构表面由于其优越的波前调控的能力而引起科学界和工程界的广泛关注。通过设计单元的振幅和相位分布，超构表面可以实现复杂而先进的功能，如平面超透、高性能天线、无线电力传伪装、全息图等。以往的研究主要集中在探索操纵空间波的机制和应用上。外部馈源的存在增加了超构表面的整体剖面，使其不适高集成度的应用场景。因此，探索具有紧凑型馈电的设计方法成为新的研究方向之一。研究者们先后提出了基于法布里-珀罗谐振腔结构、谐振腔结构以及基于功分网络的辐射型超构表面，前者仍然不能完全解决系统集成问题，后者馈电网络较为复杂且存在损耗较高的问题。最近，研究者提出了导波驱动超构表面的概念，通过在导波结构上加载单元来实现导波与空间波耦合的有效转换。与传统的漏波天线相比，导波驱动的超构表面提供了额外的自由度，从而实现了更先进、更复杂电磁功能。此外，虽然导波驱动的超构表面已经大大提高了集成度，但对来自自由空间的波的同时在无线通信、WPT和雷达系统中仍然非常重要，如无线信道改、空间能量收集和RCS缩减等。
针对以上问题，我们提出了一种利用单个超构表面同时独立地实现导波和空间入射波集成控制的新方法。导波与空间波复用型超构表面结构分为两个部分，一部分是位于超构表面下方的基片集成波导（SIW）结构如图2所示，用来提供导波激励的同时充当反射结构的地板，另一部分是位于SIW上方的多层贴片结构，水平方向的结构的贴片作为辐射贴片可以通过SIW上的缝隙将导波耦合到自由空间中，通过对贴片和缝隙尺寸的联合优化，可以同时实现对辐射波的幅度与相位调控；而垂直结构的贴片作为反射贴片，可以调控来自自由空间的入射波的相位。并且通过极化隔离的方式，有效避免了对导波和空间波的相互串扰问题。通过分别设计辐射结构和反射结构，就能实现任意的辐射和反射功能。
图2 超构表面单元的设计
在传统的由空间波激励的超构表面中，突变的相位变化是由超构表面单元提供的，通过单元的排列可以实现期望的发射或透射波的相位分布。然而，在导波驱动的超构表面中，总相移包含两部分：导波传播产生的相积和由单元引起的突变相移，如图2a所示。因此，辐射波的最终相位分布可以需要对导波传播的累积相移进行补偿。为了完全控制辐射波的复振幅，还需要操纵每个单元的振幅。由于每个单元处的辐射效应，导波在沿波导行进时能量减小。因此，导波在每个单元处的初始振幅分布是不均匀的需要考虑和补偿，以达到期望的辐射波振幅分布。导波驱动的超构表面可以看作是一个双端口网络，其中透射系数定义为导波在第n个元原子前后传播时振幅的比值，利用透射系数可以得到不同尺寸下单元的衰减系数，通过设计单元的辐射幅度对衰减进行补偿，从而实现对辐射波复幅度的完全控制。
旁瓣电平是天线设计中的一个重要参数，它直接影响天线的抗干扰能力和信号采集能力。副瓣电平的精确控制一般需要对天线孔径上的幅度分布进行特殊的处理，如泰勒幅度分布和切比雪夫幅度分布。复幅度超构表面利用相位补偿能力实现高增益波束，利用调幅能力降低旁瓣电平，在低旁瓣天线设计中具有独特的应用优势。现有基于超构表面的低旁瓣超构表面天线大多是反射阵和发射阵类型，它们受到外部空间源引入的高剖面的影响。在这里，我们实现了一种基于复幅度导波超构表面的低剖面和低副瓣的天线。此外，降低RCS对于达到隐身性能至关重要，特别是在军事应用中。通过对导波和入射空间波的操纵，该超构表面不仅具有低RCS特性，而且具有良好的辐射性能。这里设计了两个天线，一个用于前向辐射另一个用于后向辐。通过对复振幅的设计，实现了低副瓣的辐射波束，通过对交叉极化波反射相位的设计实现了交叉极化波的RCS缩减。此外，由于辐射贴片在同极化空间波入射下也会发生谐振，因此辐射贴片在同极化波的入射下呈现随机反射相位分布，这也使得同极化波入射下RCS降低了7.8 dB和6.1 dB。因此，所提出导波和空间波复用超构表面可以在任意极化入射下实现低旁瓣水平辐射并降低RCS，在隐身雷达领域具有潜在的应用前景。
图3 低副瓣低散射天线
基于超构表面的无线传能是一种极具前景的技术，可以为设备和传感器提供长期和可持续的电力，特别是在物联领域。与已报道的由空间波驱动的设计相比，所提出的制导和空间波多路复用超构表面不仅能够收集来自自由空间的能量，还能够通过有线输入辐射能量，从而在无线传能设备中表现出前所未有的能力。聚焦光束和艾里光束是WPT中最常用的光束，它们可以显著提高效率，适合远距离能量传输。此外，艾里光束具有固有的无衍射特性。为了验证我们提出的超构表面在无线传能中的能力，设计了一个同时在反射模式下工作的聚焦光束和在辐射模式下产生的艾里光束，并进行了实验验证，如图4所示。如上节所述，所设计的超构表面在同极化空间波入射下呈现出随机的反射相位分布。因此，同极化波入射下的超构表面不会呈现特定的功能，这里没有讨论。然而，在未来的设计中，可以通过在超构表面单元中嵌入二极管、液晶、微机电系等可调谐元件来解决这一问题，使超构表面在同极化波入射下可以在辐射和反射之间切换功能，实现基于时间隔离的导波与空间波复用功能。
图4 多功能近场无线传能
最近，各种超构表面被提出使用多路复用技术来实现多通道全息图，包括波长，偏振和轨道角动量模。然而，基于馈源的多路复用鲜见报道。在这里，我们通过复用导波和空间波提出并实现了多通道全息图的功能，如图5所示。常用的Gerchberg-Saxton算利用格林函数对真实空间中所有点源和c超构表面产生的电磁场进行累加，这对于大规模的超构表面和复杂的全息图来说是非常耗时的。因此，这里提出了一种基于傅立叶变换的全息算，避免了每个光源的叠加过程，从而大大减少了计算时间。此外，为了进一步提高纯相位全息图的成像质量，引入了一种迭代方法来减小计算图像与目标图像之间的均方根误。
图5 馈源复用的多通道全息
论文在远场和近场区域提出了一系列用于高级电磁功能的导波和空间波复用超构表面。在微波区域进行了实验验证。实现了包括低副瓣低RCS的天线、多源无线传能以及多功能全息成像在内的多种高级电磁功能。所提出的方法扩展了由多源驱动型超构表面的能力，这将极大地促进无线通信，WPT和雷达系统中高度集成和多功能设备的发展。在未来的设计中，通过可调谐元件的集成可以在极化隔离的基础上进一步实现基于时间隔离机制的空间波和辐射波的复用，从而实现对电磁功能的进一步拓展。总之，该研究成果在显著提高超构表面集成度的同时，极大地拓展了超构表面在操控电磁波方面的能力，有望在隐身雷达，无线传能以及主/被动示假等领域发挥巨大的应用潜力。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202417724
《光学和射频应用的超构材料-2024版》
《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》
在雷达与通信系统中，信号的来源分为有线和无线两种，有线的信号通过导波来输入，而无线的信号一般来自于自由空间。无论是传统的天线或者超构表面器件只能对其中的一种进行调控，限制了电磁波调控能力的进一步拓展。针对这一限制，近日空军工程大学的管春生、蔡通与哈尔滨工业大学的丁旭旻课题组提出了基于极化隔离的导波与空间波复用型超构表面，能够对辐射电磁波实现复振幅调控的同时实现对散射波的全相位调控，而不会产生串扰问题，并在微波段实现了一系列基于导波与空间波复用型超构表面的先进电磁功能，如低副瓣低散射天线、多功能无线能量传输以及多通道全息成像。相关工作以“Guided and Space Waves Multiplexed Metasurface for Advanced Electromagnetic Functionalities in Microwave Region”为题，发表在《Advanced Materials》上。空军工程大学管春生讲师，蔡通副教授，齐齐哈尔大学的朱磊教授为论文的共同第一作者，哈尔滨工业大学的丁旭旻教授为论文的通讯作者，空军工程大学为论文第一单位。
图1 导波与空间波复用的超构表面功能示意图
由人造平面散射体阵列组成的超构表面由于其优越的波前调控的能力而引起科学界和工程界的广泛关注。通过设计单元的振幅和相位分布，超构表面可以实现复杂而先进的功能，如平面超透、高性能天线、无线电力传伪装、全息图等。以往的研究主要集中在探索操纵空间波的机制和应用上。外部馈源的存在增加了超构表面的整体剖面，使其不适高集成度的应用场景。因此，探索具有紧凑型馈电的设计方法成为新的研究方向之一。研究者们先后提出了基于法布里-珀罗谐振腔结构、谐振腔结构以及基于功分网络的辐射型超构表面，前者仍然不能完全解决系统集成问题，后者馈电网络较为复杂且存在损耗较高的问题。最近，研究者提出了导波驱动超构表面的概念，通过在导波结构上加载单元来实现导波与空间波耦合的有效转换。与传统的漏波天线相比，导波驱动的超构表面提供了额外的自由度，从而实现了更先进、更复杂电磁功能。此外，虽然导波驱动的超构表面已经大大提高了集成度，但对来自自由空间的波的同时在无线通信、WPT和雷达系统中仍然非常重要，如无线信道改、空间能量收集和RCS缩减等。
针对以上问题，我们提出了一种利用单个超构表面同时独立地实现导波和空间入射波集成控制的新方法。导波与空间波复用型超构表面结构分为两个部分，一部分是位于超构表面下方的基片集成波导（SIW）结构如图2所示，用来提供导波激励的同时充当反射结构的地板，另一部分是位于SIW上方的多层贴片结构，水平方向的结构的贴片作为辐射贴片可以通过SIW上的缝隙将导波耦合到自由空间中，通过对贴片和缝隙尺寸的联合优化，可以同时实现对辐射波的幅度与相位调控；而垂直结构的贴片作为反射贴片，可以调控来自自由空间的入射波的相位。并且通过极化隔离的方式，有效避免了对导波和空间波的相互串扰问题。通过分别设计辐射结构和反射结构，就能实现任意的辐射和反射功能。
图2 超构表面单元的设计
在传统的由空间波激励的超构表面中，突变的相位变化是由超构表面单元提供的，通过单元的排列可以实现期望的发射或透射波的相位分布。然而，在导波驱动的超构表面中，总相移包含两部分：导波传播产生的相积和由单元引起的突变相移，如图2a所示。因此，辐射波的最终相位分布可以需要对导波传播的累积相移进行补偿。为了完全控制辐射波的复振幅，还需要操纵每个单元的振幅。由于每个单元处的辐射效应，导波在沿波导行进时能量减小。因此，导波在每个单元处的初始振幅分布是不均匀的需要考虑和补偿，以达到期望的辐射波振幅分布。导波驱动的超构表面可以看作是一个双端口网络，其中透射系数定义为导波在第n个元原子前后传播时振幅的比值，利用透射系数可以得到不同尺寸下单元的衰减系数，通过设计单元的辐射幅度对衰减进行补偿，从而实现对辐射波复幅度的完全控制。
旁瓣电平是天线设计中的一个重要参数，它直接影响天线的抗干扰能力和信号采集能力。副瓣电平的精确控制一般需要对天线孔径上的幅度分布进行特殊的处理，如泰勒幅度分布和切比雪夫幅度分布。复幅度超构表面利用相位补偿能力实现高增益波束，利用调幅能力降低旁瓣电平，在低旁瓣天线设计中具有独特的应用优势。现有基于超构表面的低旁瓣超构表面天线大多是反射阵和发射阵类型，它们受到外部空间源引入的高剖面的影响。在这里，我们实现了一种基于复幅度导波超构表面的低剖面和低副瓣的天线。此外，降低RCS对于达到隐身性能至关重要，特别是在军事应用中。通过对导波和入射空间波的操纵，该超构表面不仅具有低RCS特性，而且具有良好的辐射性能。这里设计了两个天线，一个用于前向辐射另一个用于后向辐。通过对复振幅的设计，实现了低副瓣的辐射波束，通过对交叉极化波反射相位的设计实现了交叉极化波的RCS缩减。此外，由于辐射贴片在同极化空间波入射下也会发生谐振，因此辐射贴片在同极化波的入射下呈现随机反射相位分布，这也使得同极化波入射下RCS降低了7.8 dB和6.1 dB。因此，所提出导波和空间波复用超构表面可以在任意极化入射下实现低旁瓣水平辐射并降低RCS，在隐身雷达领域具有潜在的应用前景。
图3 低副瓣低散射天线
基于超构表面的无线传能是一种极具前景的技术，可以为设备和传感器提供长期和可持续的电力，特别是在物联领域。与已报道的由空间波驱动的设计相比，所提出的制导和空间波多路复用超构表面不仅能够收集来自自由空间的能量，还能够通过有线输入辐射能量，从而在无线传能设备中表现出前所未有的能力。聚焦光束和艾里光束是WPT中最常用的光束，它们可以显著提高效率，适合远距离能量传输。此外，艾里光束具有固有的无衍射特性。为了验证我们提出的超构表面在无线传能中的能力，设计了一个同时在反射模式下工作的聚焦光束和在辐射模式下产生的艾里光束，并进行了实验验证，如图4所示。如上节所述，所设计的超构表面在同极化空间波入射下呈现出随机的反射相位分布。因此，同极化波入射下的超构表面不会呈现特定的功能，这里没有讨论。然而，在未来的设计中，可以通过在超构表面单元中嵌入二极管、液晶、微机电系等可调谐元件来解决这一问题，使超构表面在同极化波入射下可以在辐射和反射之间切换功能，实现基于时间隔离的导波与空间波复用功能。
图4 多功能近场无线传能
最近，各种超构表面被提出使用多路复用技术来实现多通道全息图，包括波长，偏振和轨道角动量模。然而，基于馈源的多路复用鲜见报道。在这里，我们通过复用导波和空间波提出并实现了多通道全息图的功能，如图5所示。常用的Gerchberg-Saxton算利用格林函数对真实空间中所有点源和c超构表面产生的电磁场进行累加，这对于大规模的超构表面和复杂的全息图来说是非常耗时的。因此，这里提出了一种基于傅立叶变换的全息算，避免了每个光源的叠加过程，从而大大减少了计算时间。此外，为了进一步提高纯相位全息图的成像质量，引入了一种迭代方法来减小计算图像与目标图像之间的均方根误。
图5 馈源复用的多通道全息
论文在远场和近场区域提出了一系列用于高级电磁功能的导波和空间波复用超构表面。在微波区域进行了实验验证。实现了包括低副瓣低RCS的天线、多源无线传能以及多功能全息成像在内的多种高级电磁功能。所提出的方法扩展了由多源驱动型超构表面的能力，这将极大地促进无线通信，WPT和雷达系统中高度集成和多功能设备的发展。在未来的设计中，通过可调谐元件的集成可以在极化隔离的基础上进一步实现基于时间隔离机制的空间波和辐射波的复用，从而实现对电磁功能的进一步拓展。总之，该研究成果在显著提高超构表面集成度的同时，极大地拓展了超构表面在操控电磁波方面的能力，有望在隐身雷达，无线传能以及主/被动示假等领域发挥巨大的应用潜力。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202417724
《光学和射频应用的超构材料-2024版》
《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》
