導(dǎo)言

信息科學(xué)與技術(shù)（information science and technology , IST）已經(jīng)深刻地改變了我們的社會(huì)和生活。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和超大規(guī)模集成電路（very-large scale integration, VLSI)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線技術(shù)作為信息科學(xué)與技術(shù)的物理基礎(chǔ)，在過去30年里得以蓬勃發(fā)展。由于固有的物理局限性，天線技術(shù)作為無線系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其創(chuàng)新正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)，系統(tǒng)急需性能更強(qiáng)、功能

毫無疑問，作為一種硬件器件，天線的設(shè)計(jì)主要受制于制造電磁波（EMW）輻射器材料的電特性。而這類材料在輻射器周圍時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響天線的輻射性能[1]。自1887年赫茲在電磁波實(shí)驗(yàn)中首次使用金屬天線以來，主流的輻射結(jié)構(gòu)一直基于少數(shù)幾種金屬材料，而支撐材料主要為低電阻損耗的介電材料。金屬和介電材料簡(jiǎn)單且有限的電特性支撐著天線的基本性能。

在過去的一個(gè)世紀(jì)里，人們一直致力于研究具有超越傳統(tǒng)金屬電特性的材料。在20世紀(jì)40年代，人們發(fā)現(xiàn)電磁波在人造微波結(jié)構(gòu)中的特性與在天然材料中發(fā)現(xiàn)的特性截然不同，這是因?yàn)槠洫?dú)特的電磁特性，譬如，有效折射率小于單位值[2]。這一發(fā)現(xiàn)引起了人們對(duì)人造電介質(zhì)研究和設(shè)計(jì)的興趣。之后的所有研究都是圍繞微波頻段特定的天線技術(shù)而展開。

1. 超構(gòu)材料和超構(gòu)表面

1）超構(gòu)材料。直到20世紀(jì)90年代末，人們才對(duì)人造材料重新進(jìn)行了更多的理論研究，以期實(shí)現(xiàn)更廣泛的技術(shù)覆蓋。通常，電磁超構(gòu)材料（metamaterial，MTM）是指人為設(shè)計(jì)的、能夠產(chǎn)生自然界中從未發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特電磁特性的結(jié)構(gòu)。總的來說，超構(gòu)材料仍然以天然材料為基礎(chǔ)，但其電磁特性，如介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ或折射率n均超越現(xiàn)有的天然材料。這一物理概念最早由Kock [2]在20世紀(jì)40年代提出，是一種帶有金屬透鏡天線的人造電介質(zhì)。在20世紀(jì)60年代， Veselago [3]在數(shù)學(xué)上將這一概念擴(kuò)展到負(fù)折射率（介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)）。到20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初，Pendry等[4]和Shelby等[5]提出并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)折射率。自此之后，我們有機(jī)會(huì)領(lǐng)略到過去25年里這一革命性電磁研究的新浪潮。

2）超構(gòu)表面。根據(jù)超構(gòu)材料的概念，電磁超構(gòu)表面（MTS）可以看作為一種二維的超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)。通常，超構(gòu)表面是指具有較小電學(xué)厚度和具有二維周期性的散射體陣列[6]。然而，若將超構(gòu)表面視為電磁器件，筆者更傾向于將其定義為一種由二維極化單胞陣列構(gòu)成的電磁結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，超構(gòu)表面不一定是周期結(jié)構(gòu)。與用介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等材料特性來描述的超構(gòu)材料不同，超構(gòu)表面是以電磁波的傳播特性，如透射、反射等參數(shù)來表征。在其電尺寸發(fā)生變化時(shí)，超構(gòu)表面中的單胞充當(dāng)“原子”“色散性散射體”或loquet-Bloch結(jié)構(gòu)”[6]。超構(gòu)表面主要用于操控穿過表面或經(jīng)表面反射的電磁波的相位、振幅和極化，并控制表面波在材料表面進(jìn)行傳播。為進(jìn)一步提升單層設(shè)計(jì)的性能，可將超構(gòu)表面進(jìn)行多層化設(shè)計(jì)。

此外，還可將超構(gòu)表面視為電磁問題的邊界，如圖1所示。在該電磁問題中，兩個(gè)區(qū)域中的任意場(chǎng)由一個(gè)虛構(gòu)的閉合曲面S分隔。兩組電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別位于區(qū)域1和區(qū)域2中。運(yùn)用Schelkunoff的等效原理來定義S面上滿足邊界條件的等效電磁表面電密度Js和磁密度Ms，如圖1（a）所示。

圖 1超構(gòu)材料Schelkunoff表面和超構(gòu)表面 Figure 1.Metamaterial Schelkunoff's surface and metasurface

例如，如圖1（b）所示，對(duì)于透射超構(gòu)表面，區(qū)域1中的總電場(chǎng)和總磁場(chǎng)E1(即Ei+Er)和H1( 即Hi+Hr)被稱為源，其中Ei和Hi表示入射波，Er和Hr代表經(jīng)S面的反射波。同時(shí)，可通過物理改變2區(qū)中所需透射波E2和H2的表面邊界條件來人為地設(shè)計(jì)虛構(gòu)Schelkunoff表面的Js和Ms。具有設(shè)計(jì)邊界條件的物理表面可被視為一個(gè)超構(gòu)表面。因此，超構(gòu)表面可以用控制電磁波器件的電磁透射和反射來表示。

2. 超構(gòu)表面的特性和功能

在天線工程中，將超構(gòu)表面建模為二維面的器件比較方便。例如，超構(gòu)表面早期被認(rèn)為是“薄膜”[7]。通常，超構(gòu)表面作為一種二維陣列，是由單胞以固定的周期均勻排列構(gòu)成。通過改變單胞的尺寸、形狀和方向，可在超構(gòu)表面上實(shí)現(xiàn)需要的相移、振幅甚至極化等參數(shù)目標(biāo)。

作為一種周期陣列，超構(gòu)表面可以通過多種方式來表征和設(shè)計(jì)。在天線設(shè)計(jì)中，首先，根據(jù)著名的天線理論或光學(xué)原理，可將超構(gòu)表面設(shè)計(jì)為所需的相移、振幅或極化分布，從而保證目標(biāo)性能。其次，可將單胞設(shè)計(jì)成具有上述相移、振幅或極化的單個(gè)器件。第三，根據(jù)單胞對(duì)頻率的參數(shù)響應(yīng)來選擇或設(shè)計(jì)單胞，且可通過改變單胞的尺寸或方向來獲得該參數(shù)響應(yīng)。第四，利用表征的單胞，以固定的周期生成第一步確定的具備所需參數(shù)分布的表面。最后，采用全波電磁法對(duì)該表面的性能進(jìn)行評(píng)估，以確保其實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能。

在超構(gòu)表面設(shè)計(jì)中，如何快速、準(zhǔn)確地對(duì)單胞進(jìn)行表征至關(guān)重要。通常，在透射和反射的振幅和相位方面，會(huì)使用散射參數(shù)（S11，S21）來表征單胞，并具備特定的極化特性。

對(duì)超構(gòu)表面中的單胞進(jìn)行參數(shù)提取。例如，在矩形單胞陣列形成的超構(gòu)表面中，單胞的尺寸是兩個(gè)方向上周期p1乘以周期p2。4條邊界是通過周期性邊界條件來實(shí)現(xiàn)，例如一對(duì)理想磁導(dǎo)體（PMC）和一對(duì)理想電導(dǎo)體（PEC）可以在某些情況下用來模擬周期性邊界條件。如圖2（a）所示，設(shè)置兩個(gè)波導(dǎo)端口。因此，類似于兩端口網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置可模擬平面入射波下無限平面二維周期陣列中的一個(gè)單胞。采用上述方法，利用任何電磁仿真軟件，均可獲得任意極化、任意入射角的平面波照射下，所需帶寬內(nèi)超構(gòu)表面的透射和反射響應(yīng)。

圖 2基于S參數(shù)法表征超構(gòu)表面單胞

Figure 2.Characterization of an MTS unit cell using anS-parameters based method

圖2（b）顯示了周期陣列中單胞透射系數(shù)隨頻率的響應(yīng)特性。陣列中單胞的周期為p，單胞的尺寸為a×a，且p≥a。當(dāng)a增加時(shí)，S21的振幅和相位隨頻率的響應(yīng)，如圖2（b）所示，透射率|S21|高于?1 dB，而相移在fL～fU的頻率范圍內(nèi)達(dá)到Δ??。

不同尺寸下，用相移Δ??、透射系數(shù)|S21|和反射系數(shù)|S11|表征單胞后，單胞可用于陣列超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)，以獲得所需的相移、振幅和極化等參數(shù)。考慮到均勻周期陣列中單胞與超構(gòu)表面中不斷變化的相鄰單胞之間存在互耦差異，通常需在設(shè)計(jì)環(huán)境中微調(diào)單胞。但是，此種差異的影響是可以接受或可忽略的，因?yàn)槌嗽讦小?π范圍內(nèi)發(fā)生突變相移從而產(chǎn)生漸變相移分布外，在相鄰單胞之間單胞的尺寸變化始終較小。

超構(gòu)表面器件可在較小電學(xué)距離內(nèi)操控電磁波。例如，超構(gòu)表面可以使表面或經(jīng)表面反射的電磁波的相位、振幅和極化發(fā)生不連續(xù)變化（圖3）。例如，與入射平面波（Ei=aiEicos(ωt?kz)，V/m）相比，透射波（Et=atEtcos(ωt?kz+Δ??)，V/m）由于相移Δ??，其極化和振幅分別從ai和Ei變?yōu)閍t和Et。

圖 3超構(gòu)表面對(duì)透射波的影響

Figure 3.Effects of metasurface on transmitting wave

在相移Δ??可控的情況下，超構(gòu)表面通過實(shí)現(xiàn)所需的相移分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)透射波的操控。如圖4（a）和圖4（b）所示，平板超構(gòu)表面透鏡可作為接收天線將入射平面波聚焦到焦點(diǎn)處，或像常規(guī)全介質(zhì)透鏡一樣，將焦點(diǎn)處源所輻射的球面波轉(zhuǎn)換為該方向上的平面波。超構(gòu)表面是由所選類型的單胞構(gòu)成，如圖4（c）所示[8-11]。因此，電學(xué)薄平面聚焦超構(gòu)表面可用于取代傳統(tǒng)電學(xué)厚三維電介質(zhì)透鏡。

圖 4超構(gòu)表面的平板透鏡

Figure 4.A flat lens of metasurfaces

此外，單層超構(gòu)表面還可擴(kuò)展到作為級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的多層設(shè)計(jì)中，以實(shí)現(xiàn)大范圍相移。同時(shí)，當(dāng)有效阻抗由中心層逐漸向外層變化，或有效介電常數(shù)由中心逐漸向外層減小，趨近于1時(shí)或可以引入外過渡層來實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面與空氣之間的阻抗匹配。

3. 超構(gòu)表面在微波天線中的應(yīng)用

超構(gòu)材料和超構(gòu)表面的概念首次在微波波段提出后，已得到驗(yàn)證并已成功應(yīng)用于微波天線中[2，4-5]。自21世紀(jì)以來，按電磁特性劃分的超構(gòu)表面主要包括以下4種類型：

1） 復(fù)阻抗表面（CIS）、電抗表面（RIS）或高阻抗表面（HIS）；

2） 人工磁導(dǎo)體（AMC）；

3） 電磁帶隙（EBG）表面；

4） 高或零或負(fù)或各向異性表面（人工電介質(zhì)）。

超構(gòu)表面因其具備獨(dú)特特性而被廣泛應(yīng)用于高性能全新電磁器件中，例如：

1）吸收體：更薄、寬帶和廣角響應(yīng)的吸波體；

2） 天線：低剖面和寬頻帶、漏波、聚焦透鏡、平面龍伯透鏡、透射陣列、反射陣列、相控陣列和共享孔徑天線；

3） 阻抗表面：互耦抑制和輻射方向圖控制表面；

4） 智能表面：可重構(gòu)、編碼和雷達(dá)截面縮減表面；

5） 極化器：扭轉(zhuǎn)極化器、左/右旋轉(zhuǎn)換的圓極化轉(zhuǎn)換器，以及線極化?圓極化轉(zhuǎn)換器；

6） 表面濾波器：帶通、帶阻、頻率選擇和極化選擇濾波器。

其中，超構(gòu)表面天線（超天線）的開發(fā)一直是創(chuàng)新天線技術(shù)的重要方向之一。超天線在許多方面顯著提升了天線的關(guān)鍵性能和功能，如圖5所示。

圖 5超構(gòu)表面在微波天線設(shè)計(jì)中的功能

Figure 5.The functionalities of MTS in microwave antenna designs

超構(gòu)表面可用于控制介質(zhì)基片中的表面波或改變接地面上的電流分布，從而在天線接近地面時(shí)，控制從地面產(chǎn)生的輻射。超構(gòu)表面還可用作具有設(shè)計(jì)介電常數(shù)或磁導(dǎo)率的人造介質(zhì)基片，以控制經(jīng)地面反射的電磁波。例如，超構(gòu)表面可在確保天線增益和帶寬的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)其波束偏轉(zhuǎn)或使材料變薄。

當(dāng)高各向異性有效介電常數(shù)超構(gòu)表面位于天線下方時(shí)，作為加載介質(zhì)，可使面上的電場(chǎng)分布更加均勻，實(shí)現(xiàn)更高增益；對(duì)于高帶寬，則可引入更多模式，如表面波模式；對(duì)于低剖面，則可引入傳播方向上的附加相移。不同于一塊各向同性且具備高介電常數(shù)的介質(zhì)平板，各向異性介電常數(shù)超構(gòu)表面在垂直于表面的方向上提供高介電常數(shù)，從而減小厚度，但是沿著表面可提供高阻抗，控制表面波。這類天線設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的小型蜂窩基站[12-14]。

在近場(chǎng)區(qū)覆蓋天線的超構(gòu)表面可視為覆蓋層。隨著超構(gòu)表面與天線之間的耦合作用增強(qiáng)，覆蓋層便成為了主要的輻射器，且其電場(chǎng)分布發(fā)生變化，增益更大、帶寬更高。經(jīng)表面反射也被用來抑制緊鄰天線之間的互耦[15-16]。

超構(gòu)表面可以按照前述的聚焦透鏡的光學(xué)原理充當(dāng)透鏡。與均勻、各向同性的電介質(zhì)透鏡相比，超構(gòu)表面透鏡（即超透鏡）采用了緊湊、輕量化設(shè)計(jì)，且具備相似透鏡的性能和功能[9-10，17]。

超構(gòu)表面還具備電磁帶隙或高阻抗表面的特性，通常可作為隔離墻抑制相鄰輻射器之間的互耦。除了抑制通過表面波相互耦合之外，超構(gòu)表面還能聚集并反射從一根天線輻射的場(chǎng)，從而確保高隔離度[18-19]。

除了作為天線的負(fù)載和散射體外，超構(gòu)表面還可用作輻射器。例如，蘑菇狀陣列、馬賽克貼片陣列及其改進(jìn)型設(shè)計(jì)可應(yīng)用于增強(qiáng)傳統(tǒng)貼片天線的性能[20-22]。采用隙縫化的超構(gòu)表面輻射器，天線主模的Q值會(huì)大大降低。研究表明，可設(shè)計(jì)的色散特性可以作為一個(gè)有力的工具，指導(dǎo)利用孔耦合饋電控制兩個(gè)相鄰模式覆蓋，從而實(shí)現(xiàn)寬帶化設(shè)計(jì)。比如，馬賽克天線因其設(shè)計(jì)靈活、制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在改善阻抗匹配和增益帶寬、抑制互耦、提高增益、拓寬E面波束寬度等方面得到了廣泛的應(yīng)用[23]。

4. 超天線未來研發(fā)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

相較于采用常規(guī)技術(shù)并受物理規(guī)律限制的電磁器件設(shè)計(jì)，超構(gòu)材料有望突破天然材料電學(xué)特性上的限制。作為一種物理概念，而非特定技術(shù)，超構(gòu)材料極大地延伸了電磁理論的研究，革命性地推動(dòng)了天線技術(shù)的發(fā)展。在微波頻段，超天線已經(jīng)得到了廣泛成功的應(yīng)用，不僅提高了天線的性能，還引入了全新功能。超天線的某些典型應(yīng)用如表1所示。

表 1成功應(yīng)用于無線系統(tǒng)的特定超天線

Table 1.Selected metantennas successfully applied to wireless systems

如上所述，新開發(fā)的超天線解決了器件層面的許多典型基本設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的諧振元器件天線陣列相比，超構(gòu)表面還可設(shè)計(jì)為像素化天線陣列，提供更加獨(dú)特的功能，例如具有特定輻射特性的負(fù)載表面以及更高的設(shè)計(jì)自由度。

下一階段，關(guān)于超天線的研究與開發(fā)將主要側(cè)重于表2中所列出的各項(xiàng)挑戰(zhàn)。

表 2超天線設(shè)計(jì)和應(yīng)用的特定挑戰(zhàn)

Table 2.Selected challenges of meta-antenna design and applications

為了更深入地了解上述主題，強(qiáng)大的新型建模工具也很重要，因?yàn)槌炀€在單元形狀、陣列配置和運(yùn)行機(jī)制方面日趨復(fù)雜。例如，特征模式分析（characteristic mode analysis ，CMA）已成功地應(yīng)用于超天線的設(shè)計(jì)[24]。從特征模式分析中獲得的信息能有效地指導(dǎo)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)性能。

基于人工智能（artificial intelligence， AI）的機(jī)器學(xué)習(xí)（machine learning，ML）或深度學(xué)習(xí)（deep learning，DL）是另一種重要且具有前瞻性的工具，用于生成、設(shè)計(jì)和優(yōu)化超大規(guī)模和復(fù)雜的超天線。圖6給出了一種工作于微波頻段的超構(gòu)表面透鏡天線[25]。隨著設(shè)計(jì)自由度的大幅增加，尤其是單胞的排列升級(jí)，現(xiàn)今單胞和透鏡天線的性能都得到了顯著改善，但其導(dǎo)致單胞設(shè)計(jì)愈加復(fù)雜。然而，所有單胞的設(shè)計(jì)都是由經(jīng)過訓(xùn)練的機(jī)器完成的。越來越多的研究工作表明，基于先驗(yàn)知識(shí)的機(jī)器學(xué)習(xí)（PK-ML）在超天線的優(yōu)化和合成中具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖 6平面三層超構(gòu)表面透鏡天線的前視圖（圖片由Liu Peiqin博士提供）

Figure 6.A front-view of a flat three-layered metasurface lens antenna (picture courtesy of Dr Liu Peiqin)

5. 結(jié)語(yǔ)

與天然材料相比，快速發(fā)展的超構(gòu)材料概念已充分展示其優(yōu)異的特性。超構(gòu)表面具有易于制造、易于組裝、易于表征和成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，在超天線創(chuàng)新中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。超天線成功地彌補(bǔ)了超構(gòu)材料物理概念與工程設(shè)計(jì)之間的鴻溝。在超天線的開發(fā)過程中，帶寬、效率、容量和成本等關(guān)鍵工程問題已得到全面解決。除了超構(gòu)材料和超構(gòu)表面的研發(fā)之外，一些圍繞超天線優(yōu)化和合成的有效新方法，如特征模式方法和基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法，在很大程度上進(jìn)一步推動(dòng)了超天線的研發(fā)。

審核編輯 ：李倩