導言

信息科學與技術（information science and technology , IST）已經深刻地改變了我們的社會和生活。隨著計算機科學和超大規(guī)模集成電路（very-large scale integration, VLSI)技術的飛速發(fā)展，無線技術作為信息科學與技術的物理基礎，在過去30年里得以蓬勃發(fā)展。由于固有的物理局限性，天線技術作為無線系統的關鍵技術之一，其創(chuàng)新正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。同時，系統急需性能更強、功能

毫無疑問，作為一種硬件器件，天線的設計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，會嚴重影響天線的輻射性能[1]。自1887年赫茲在電磁波實驗中首次使用金屬天線以來，主流的輻射結構一直基于少數幾種金屬材料，而支撐材料主要為低電阻損耗的介電材料。金屬和介電材料簡單且有限的電特性支撐著天線的基本性能。

在過去的一個世紀里，人們一直致力于研究具有超越傳統金屬電特性的材料。在20世紀40年代，人們發(fā)現電磁波在人造微波結構中的特性與在天然材料中發(fā)現的特性截然不同，這是因為其獨特的電磁特性，譬如，有效折射率小于單位值[2]。這一發(fā)現引起了人們對人造電介質研究和設計的興趣。之后的所有研究都是圍繞微波頻段特定的天線技術而展開。

1. 超構材料和超構表面

1）超構材料。直到20世紀90年代末，人們才對人造材料重新進行了更多的理論研究，以期實現更廣泛的技術覆蓋。通常，電磁超構材料（metamaterial，MTM）是指人為設計的、能夠產生自然界中從未發(fā)現的獨特電磁特性的結構。總的來說，超構材料仍然以天然材料為基礎，但其電磁特性，如介電常數ε、磁導率μ或折射率n均超越現有的天然材料。這一物理概念最早由Kock [2]在20世紀40年代提出，是一種帶有金屬透鏡天線的人造電介質。在20世紀60年代， Veselago [3]在數學上將這一概念擴展到負折射率（介電常數和磁導率同時為負）。到20世紀90年代末和21世紀初，Pendry等[4]和Shelby等[5]提出并經過實驗驗證了負折射率。自此之后，我們有機會領略到過去25年里這一革命性電磁研究的新浪潮。

2）超構表面。根據超構材料的概念，電磁超構表面（MTS）可以看作為一種二維的超構材料結構。通常，超構表面是指具有較小電學厚度和具有二維周期性的散射體陣列[6]。然而，若將超構表面視為電磁器件，筆者更傾向于將其定義為一種由二維極化單胞陣列構成的電磁結構。事實上，超構表面不一定是周期結構。與用介電常數、磁導率等材料特性來描述的超構材料不同，超構表面是以電磁波的傳播特性，如透射、反射等參數來表征。在其電尺寸發(fā)生變化時，超構表面中的單胞充當“原子”“色散性散射體”或loquet-Bloch結構”[6]。超構表面主要用于操控穿過表面或經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行傳播。為進一步提升單層設計的性能，可將超構表面進行多層化設計。

此外，還可將超構表面視為電磁問題的邊界，如圖1所示。在該電磁問題中，兩個區(qū)域中的任意場由一個虛構的閉合曲面S分隔。兩組電場和磁場分別位于區(qū)域1和區(qū)域2中。運用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超構材料Schelkunoff表面和超構表面 Figure 1.Metamaterial Schelkunoff's surface and metasurface

例如，如圖1（b）所示，對于透射超構表面，區(qū)域1中的總電場和總磁場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S面的反射波。同時，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計虛構Schelkunoff表面的Js和Ms。具有設計邊界條件的物理表面可被視為一個超構表面。因此，超構表面可以用控制電磁波器件的電磁透射和反射來表示。

2. 超構表面的特性和功能

在天線工程中，將超構表面建模為二維面的器件比較方便。例如，超構表面早期被認為是“薄膜”[7]。通常，超構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成。通過改變單胞的尺寸、形狀和方向，可在超構表面上實現需要的相移、振幅甚至極化等參數目標。

作為一種周期陣列，超構表面可以通過多種方式來表征和設計。在天線設計中，首先，根據著名的天線理論或光學原理，可將超構表面設計為所需的相移、振幅或極化分布，從而保證目標性能。其次，可將單胞設計成具有上述相移、振幅或極化的單個器件。第三，根據單胞對頻率的參數響應來選擇或設計單胞，且可通過改變單胞的尺寸或方向來獲得該參數響應。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分布的表面。最后，采用全波電磁法對該表面的性能進行評估，以確保其實現目標性能。

在超構表面設計中，如何快速、準確地對單胞進行表征至關重要。通常，在透射和反射的振幅和相位方面，會使用散射參數（S11，S21）來表征單胞，并具備特定的極化特性。

對超構表面中的單胞進行參數提取。例如，在矩形單胞陣列形成的超構表面中，單胞的尺寸是兩個方向上周期p1乘以周期p2。4條邊界是通過周期性邊界條件來實現，例如一對理想磁導體（PMC）和一對理想電導體（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，設置兩個波導端口。因此，類似于兩端口網絡的設置可模擬平面入射波下無限平面二維周期陣列中的一個單胞。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，所需帶寬內超構表面的透射和反射響應。

圖 2基于S參數法表征超構表面單胞

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隨頻率的響應特性。陣列中單胞的周期為p，單胞的尺寸為a×a，且p≥a。當a增加時，S21的振幅和相位隨頻率的響應，如圖2（b）所示，透射率|S21|高于?1 dB，而相移在fL～fU的頻率范圍內達到Δ??。

不同尺寸下，用相移Δ??、透射系數|S21|和反射系數|S11|表征單胞后，單胞可用于陣列超構表面的設計，以獲得所需的相移、振幅和極化等參數?？紤]到均勻周期陣列中單胞與超構表面中不斷變化的相鄰單胞之間存在互耦差異，通常需在設計環(huán)境中微調單胞。但是，此種差異的影響是可以接受或可忽略的，因為除了在π～?π范圍內發(fā)生突變相移從而產生漸變相移分布外，在相鄰單胞之間單胞的尺寸變化始終較小。

超構表面器件可在較小電學距離內操控電磁波。例如，超構表面可以使表面或經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超構表面對透射波的影響

Figure 3.Effects of metasurface on transmitting wave

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

圖 4超構表面的平板透鏡

Figure 4.A flat lens of metasurfaces

此外，單層超構表面還可擴展到作為級聯網絡的多層設計中，以實現大范圍相移。同時，當有效阻抗由中心層逐漸向外層變化，或有效介電常數由中心逐漸向外層減小，趨近于1時或可以引入外過渡層來實現超構表面與空氣之間的阻抗匹配。

3. 超構表面在微波天線中的應用

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

1） 復阻抗表面（CIS）、電抗表面（RIS）或高阻抗表面（HIS）；

2） 人工磁導體（AMC）；

3） 電磁帶隙（EBG）表面；

4） 高或零或負或各向異性表面（人工電介質）。

超構表面因其具備獨特特性而被廣泛應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、編碼和雷達截面縮減表面；

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

6） 表面濾波器：帶通、帶阻、頻率選擇和極化選擇濾波器。

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

圖 5超構表面在微波天線設計中的功能

Figure 5.The functionalities of MTS in microwave antenna designs

超構表面可用于控制介質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，控制從地面產生的輻射。超構表面還可用作具有設計介電常數或磁導率的人造介質基片，以控制經地面反射的電磁波。例如，超構表面可在確保天線增益和帶寬的同時，實現其波束偏轉或使材料變薄。

當高各向異性有效介電常數超構表面位于天線下方時，作為加載介質，可使面上的電場分布更加均勻，實現更高增益；對于高帶寬，則可引入更多模式，如表面波模式；對于低剖面，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的介質平板，各向異性介電常數超構表面在垂直于表面的方向上提供高介電常數，從而減小厚度，但是沿著表面可提供高阻抗，控制表面波。這類天線設計已經應用于移動網絡的小型蜂窩基站[12-14]。

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

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

超構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，超構表面還能聚集并反射從一根天線輻射的場，從而確保高隔離度[18-19]。

除了作為天線的負載和散射體外，超構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型設計可應用于增強傳統貼片天線的性能[20-22]。采用隙縫化的超構表面輻射器，天線主模的Q值會大大降低。研究表明，可設計的色散特性可以作為一個有力的工具，指導利用孔耦合饋電控制兩個相鄰模式覆蓋，從而實現寬帶化設計。比如，馬賽克天線因其設計靈活、制作簡單等優(yōu)點，已經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用[23]。

4. 超天線未來研發(fā)的機遇與挑戰(zhàn)

相較于采用常規(guī)技術并受物理規(guī)律限制的電磁器件設計，超構材料有望突破天然材料電學特性上的限制。作為一種物理概念，而非特定技術，超構材料極大地延伸了電磁理論的研究，革命性地推動了天線技術的發(fā)展。在微波頻段，超天線已經得到了廣泛成功的應用，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用如表1所示。

表 1成功應用于無線系統的特定超天線

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計中的挑戰(zhàn)。與傳統的諧振元器件天線陣列相比，超構表面還可設計為像素化天線陣列，提供更加獨特的功能，例如具有特定輻射特性的負載表面以及更高的設計自由度。

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

表 2超天線設計和應用的特定挑戰(zhàn)

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

為了更深入地了解上述主題，強大的新型建模工具也很重要，因為超天線在單元形狀、陣列配置和運行機制方面日趨復雜。例如，特征模式分析（characteristic mode analysis ，CMA）已成功地應用于超天線的設計[24]。從特征模式分析中獲得的信息能有效地指導復雜的系統設計與配置，以實現更強性能。

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

圖 6平面三層超構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. 結語

與天然材料相比，快速發(fā)展的超構材料概念已充分展示其優(yōu)異的特性。超構表面具有易于制造、易于組裝、易于表征和成本低等優(yōu)點。因此，在超天線創(chuàng)新中得到了越來越廣泛的應用。超天線成功地彌補了超構材料物理概念與工程設計之間的鴻溝。在超天線的開發(fā)過程中，帶寬、效率、容量和成本等關鍵工程問題已得到全面解決。除了超構材料和超構表面的研發(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元網絡的深度學習方法，在很大程度上進一步推動了超天線的研發(fā)。

審核編輯 ：李倩