張 磊，劉 碩，崔鐵軍

（東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096）

電磁編碼超材料的理論與應(yīng)用

張 磊，劉 碩，崔鐵軍*

（東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096）

本文系統(tǒng)地對編碼超材料、數(shù)字超材料及現(xiàn)場可編程超材料的新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，討論其對電磁波的實時調(diào)控和構(gòu)造多功能器件的能力。首先，引入1-bit編碼超材料，由“0”和“1”兩種編碼單元構(gòu)成，分別對應(yīng)于相位相反的電磁響應(yīng)。通過控制不同的“0”和“1”編碼序列，可以調(diào)控電磁波，并實現(xiàn)不同功能。這種1-bit編碼超材料可以擴(kuò)展到2-bit，甚至更高比特。其次，介紹了一種由開關(guān)二極管來控制的數(shù)字編碼超材料，每個編碼單元可通過二極管的開和關(guān)來獲得不同的相位響應(yīng)，進(jìn)而獲得不同的數(shù)字態(tài)。結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對數(shù)字超材料的實時可編程設(shè)計，構(gòu)造出現(xiàn)場可編程超材料。最后，研究了編碼超材料對太赫茲波的調(diào)控，包括太赫茲波寬帶漫散射及其對目標(biāo)雷達(dá)散射截面（RCS）的縮減、各向異性編碼超材料對太赫茲波的極化調(diào)控和波束調(diào)控等。數(shù)值仿真和實驗測試結(jié)果吻合很好，驗證了編碼超材料的出色性能，展示了編碼超材料調(diào)控電磁波的多功能性。編碼超材料對微波及太赫茲波的實時控制可用于制作波束分離、波束偏折、極化轉(zhuǎn)換等功能器件，也可在寬帶范圍內(nèi)有效縮減目標(biāo)RCS。

編碼超材料；數(shù)字可編程；超表面；太赫茲；漫反射；各向異性

1 引 言

隨著現(xiàn)代社會逐漸步入信息化，相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域如通信、國防、電子技術(shù)及基礎(chǔ)自然科學(xué)等都獲得了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。電磁超材料（Metamaterials）作為一種新技術(shù)，自誕生以來，因其獨特的電磁特性而受到極為廣泛的關(guān)注，并迅速發(fā)展成為涉及物理、化學(xué)、材料、信息等領(lǐng)域的前沿交叉學(xué)科。所謂電磁超材料，是將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元周期或非周期性的排列，或者植入基體材料內(nèi)（或表面）所構(gòu)成的一種人工電磁材料。電磁超材料與傳統(tǒng)材料的區(qū)別在于：電磁超材料用宏觀尺寸單元代替了原來的微觀尺寸單元（原子、分子）。盡管二者的單元尺寸相差很大，但是它們對外界電磁波的響應(yīng)都是通過基本單元諧振系統(tǒng)與外加電磁場的相互作用來體現(xiàn)的?，F(xiàn)有超材料按其排布不同大致可分為兩類：由周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成的均勻媒質(zhì)和由非周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成的非均勻媒質(zhì)［1］。之前對超材料的研究主要集中在亞波長尺寸的周期結(jié)構(gòu)，可以用統(tǒng)一的宏觀媒質(zhì)參數(shù)來表征。通過設(shè)計特定的人工單元，可以實現(xiàn)極端的媒質(zhì)參數(shù)，從而很好地調(diào)控電磁波，獲得一些不尋常的物理特性［1］，如負(fù)折射現(xiàn)象［2-3］、完美透鏡［4］、零折射率實現(xiàn)的高定向性發(fā)射和遂穿效應(yīng)［5-7］以及高度各向異性的超材料［8-10］。

而對于單元間距較大的周期結(jié)構(gòu)諸如光子晶體等，不適合采用宏觀媒質(zhì)理論描述，可以采用通帶和禁帶的分析方法以實現(xiàn)對電磁波的調(diào)控［11-12］。相對地，亞波長非周期結(jié)構(gòu)的單元尺寸呈漸變分布，在宏觀尺度上表現(xiàn)為非均勻超材料，其擁有更大的自由度來調(diào)控電磁波。此外，變換光學(xué)方法可以用于設(shè)計理想的各向異性且非均勻的超材料，可任意地控制電磁波的傳播、極化、散射等特性［13-14］，從而實現(xiàn)新奇的物理現(xiàn)象和新穎功能器件，如隱形斗篷［13-19］、電磁波集中器［20］、幻覺光學(xué)器件［21-22］和新奇透鏡［23-24］。傳統(tǒng)的幾何光學(xué)方法和費馬原理也可以用于設(shè)計漸變的折射率超材料［25］，實現(xiàn)高性能天線［26-28］、高分辨率的成像透鏡［29］、低散射截面［30］，甚至實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算［31］等。近年來，為了減少體超材料的厚度及構(gòu)造復(fù)雜性，單層平面結(jié)構(gòu)的超表面（Metasurfaces）廣泛地用于調(diào)控電磁波［32-39］，此外可調(diào)超表面實現(xiàn)對相位的動態(tài)調(diào)控也成為了研究熱點［40-44］。

以往在對超材料進(jìn)行分析與研究時，通常采用宏觀連續(xù)的、均勻或非均勻的等效媒質(zhì)參數(shù)來描述，可將這種傳統(tǒng)的超材料稱為“模擬超材料”。2014年，Giovampaola和Engheta提出了通過空間混合的“數(shù)字超材料比特位”來構(gòu)建“超材料字節(jié)”的方法［45］，但這里的“數(shù)字超材料比特位”是由不同電磁特性的材料粒子構(gòu)成（如正介電常數(shù)的硅和負(fù)介電常數(shù)的銀）。然而，這些超材料字節(jié)仍然是用等效媒質(zhì)參數(shù)來描述。與此同時，東南大學(xué)崔鐵軍教授課題組提出了“編碼超材料”、“數(shù)字超材料”及“可編程超材料”的概念［40］?？删幊坛牧弦馕吨豢顔我坏某牧贤ㄟ^數(shù)字控制可以實現(xiàn)不同的功能，從而真正實現(xiàn)對電磁波的數(shù)字調(diào)控和實時調(diào)控。為了實現(xiàn)此功能，崔鐵軍等人設(shè)計了分別具有“0”和“π”相位響應(yīng)的兩種單元來模擬“0”和“1”數(shù)字態(tài)，并且結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行實時調(diào)控［40］。

這種“0”和“1”單元不需要用宏觀的媒質(zhì)參數(shù)來描述，可以通過設(shè)計簡單的“0”和“1”編碼序列來調(diào)控電磁波［40，46-47］。其實，相反相位的方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于天線和光通信領(lǐng)域。例如，將一個人工理想磁導(dǎo)體（0相位響應(yīng)）與理想電導(dǎo)體（π相位響應(yīng)）組合成棋盤格結(jié)構(gòu)［48］，任何垂直入射的平面電磁波都會很好的相互抵消，可以用來降低目標(biāo)雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，簡稱RCS）。此外，利用設(shè)計好蝕刻圖案的多層介質(zhì)掩模板來產(chǎn)生二進(jìn)制光柵也已經(jīng)應(yīng)用于衍射光學(xué)領(lǐng)域的研究［49-50］，通常要在光波段獲得π相位差，蝕刻深度只需達(dá)到光的波長量級，易于實現(xiàn)，而對于微波頻段來說尺寸較大。類似的研究也包括空間光調(diào)制器［51-52］，它能夠在光波束上施加一定形式的空間變化調(diào)制；通過設(shè)計超材料諧振單元，基于超材料吸波器的空間光調(diào)制器在太赫茲波段也得以實現(xiàn)［53-56］。

本文對編碼、數(shù)字及現(xiàn)場可編程超材料進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述。首先引入編碼超材料的概念［40］并通過不同的編碼實例來展示其操控電磁波的能力。接著介紹一種特殊的數(shù)字超材料單元，它加載一個開關(guān)二極管來實現(xiàn)“0”和“1”數(shù)字態(tài)。由這種數(shù)字單元構(gòu)成一款可編程數(shù)字超材料，通過現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，簡稱FPGA）系統(tǒng)可實現(xiàn)對電磁波的實時控制［40］。最后，將編碼超材料的應(yīng)用從微波拓展到太赫茲波，包括太赫茲波寬帶漫反射用于降低RSC［46］和各向異性編碼超材料受太赫茲波極化控制的多功能性［47］。這種編碼超表面具有設(shè)計簡單、成本低廉、易于加工等優(yōu)點，在高性能天線，減少RCS等方面都有著重要的應(yīng)用前景。

2 各向同性編碼超材料

2.1編碼超材料的概念

編碼超材料的概念由崔鐵軍等人［40］于2014年首次提出并進(jìn)行了實驗驗證。編碼超材料是相對于傳統(tǒng)的模擬超材料而言，以一種數(shù)字編碼的方式來簡化單元的設(shè)計，能夠更加簡單高效地調(diào)控電磁波。圖1（a）展示了一種由二進(jìn)制數(shù)字“0”或“1”單元構(gòu)成1-bit反射式編碼超表面，由于存在金屬背板，在無耗情形下反射率均為1，圖1（b）中兩種單元反射相位差為180°，規(guī)定0°相位為“0”數(shù)字態(tài)，180°相位為“1”數(shù)字態(tài)。實際上，這種數(shù)字態(tài)的物理實現(xiàn)并不唯一，但是單元必須具有不同的相位響應(yīng)以便自由地調(diào)控電磁波［40］。一般理想磁導(dǎo)體和理想電導(dǎo)體可用來模擬“0”和“1”數(shù)字態(tài)，然而為了達(dá)到寬頻帶的目的，文獻(xiàn)［40］中采用的基本單元是由亞波長尺寸的金屬方片印刷在帶有金屬背板的介質(zhì)基板上構(gòu)成，如圖1（b）中插圖所示，這種單元構(gòu)造簡單，易于加工實現(xiàn)。

圖1 1-bit編碼超表面［40］Fig.1 Illustration of the 1-bit codingmetasurface［40］

當(dāng)單元貼片的寬度w分別為4.8 mm和3.75 mm時，兩者反射相位差在一個寬頻帶內(nèi)接近180度，在8.7 GHz和11.5 GHz處為180度，如圖1（b）所示。因此，定義w=4.8 mm的單元為“0”數(shù)字態(tài)，w=3.75 mm的單元為“1”數(shù)字態(tài)。雖然“0”數(shù)字態(tài)單元在某些頻點處的絕對相位值并不是0度，但是并不影響其功能，將相位歸一化到0度即可［40］。相比于傳統(tǒng)的模擬超材料采用等效媒質(zhì)參數(shù)去調(diào)控電磁波，編碼超材料的核心思想在于：通過設(shè)計“0”和“1”單元的編碼序列來靈活地調(diào)控電磁波。

編碼超材料調(diào)控電磁波的原理可以用傳統(tǒng)相控陣天線的理論來解釋［40］：以N×N個相同尺寸為D的方形柵格構(gòu)成的編碼超表面為例，每個柵格填充由“0”或“1”單元構(gòu)成的子陣列，其散射相位設(shè)為φ=（m，n）。在平面波垂直入射的情形下，超表面的遠(yuǎn)場方向函數(shù)可表示為：

式中，θ和φ為任意方向上的俯仰角和方位角，fe（θ，φ）為柵格的方向函數(shù)。超表面的方向性系數(shù)可表示為：

利用式（2）可計算出任意編碼序列下超表面的散射方向圖，最終可通過設(shè)計不同的編碼序列實現(xiàn)對電磁波的控制［40，46-47］。

為了獲得更大的自由度來操控電磁波，編碼可以拓展到2-bit甚至更高。在2-bit編碼中，利用特定相位響應(yīng)的4種單元來模擬“00”、“01”、“10”和“11”數(shù)字態(tài)［40］，分別對應(yīng)相位0°、90°、180°和270°。較1-bit編碼而言，2-bit編碼擁有更豐富的編碼序列，可實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，不過這也增加了數(shù)字控制電路設(shè)計的復(fù)雜性。需要指出：本文所涉及的編碼超材料均為反射式［40，46-47］，但是編碼的概念同樣適用于設(shè)計透射式超表面。

2.2典型編碼實例

當(dāng)采用離散的數(shù)字式編碼來表征基本組成單元后，就可以通過設(shè)計簡單的編碼序列來實現(xiàn)對電磁波的控制［40，46-47］。在1-bit編碼情形下：當(dāng)垂直入射波照射到編碼序列為“010101…／010101…”和“010101…／101010…”的超表面時，會分別形成對稱的2個和4個反射波束［48］，如圖2所示。而在2-bit編碼序列“0001101100011011…”情形下，由于相鄰單元之間具有90度的相位梯度差，根據(jù)廣義斯涅耳定律［32-34］，垂直入射波將會出現(xiàn)異常波束偏折現(xiàn)象［40，46］。

2.3數(shù)字可編程設(shè)計

編碼超材料提供了一種全新的思路來控制電磁波，崔鐵軍等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展，提出了一種數(shù)字單元來實現(xiàn)可編程超材料［40］。如圖3（a）所示，兩個平面對稱的金屬結(jié)構(gòu)印刷于F4B介質(zhì)基板的上表面，并由一個開關(guān)二極管相連接。另外，兩個金屬過孔將兩個金屬結(jié)構(gòu)分別與兩片相互隔離的地相連接，用于外加直流偏壓以控制二極管的通與斷［40］。圖3（b）為商業(yè)仿真軟件CST得到的單元反射相位曲線，二極管開與關(guān)狀態(tài)的兩個單元在8.6 GHz處相位差恰好是180°，二極管導(dǎo)通時呈現(xiàn)“1”數(shù)字態(tài)，二極管截止時呈現(xiàn)“0”數(shù)字態(tài)，由此可實現(xiàn)反射相位在0度和180°之間的瞬時電切換。

圖2 編碼序列“010101…／010101…”和“010101…／101010…”下1-bit編碼超表的遠(yuǎn)場方向圖［40］Fig.2 Full-wave simulated scattering patterns of 1-bit periodic coding metasurfaces with coding sequences“010101…／010101…”and“010101…／101010…”［40］

圖3 數(shù)字超表面的基本單元Fig.3 Metamaterials particle for realizing the digital metasurface

文獻(xiàn)［40］中利用此數(shù)字單元構(gòu)造了一款1-bit的可編程超表面，其包含30×30個相同的單元，每相鄰的5列單元共用一個偏置電壓。為了數(shù)字地控制編碼序列，設(shè)計了FPGA控制電路［57］，如圖4所示，當(dāng)其中一個開關(guān)被觸發(fā)時，F(xiàn)PGA就會輸出相應(yīng)的編碼序列。通過觸發(fā)開關(guān)來控制二極管的開或關(guān)，從而形成數(shù)字超表面所需的“0”和“1”數(shù)字態(tài)。此情形下，同一款數(shù)字超表面通過FPGA的控制就可以擁有不同的功能，最終實現(xiàn)可編程超表面［40］。當(dāng)賦予可編程超表面不同的編碼時，可實現(xiàn)多樣的功能：如圖5所示，在編碼序列為“000000”和“111111”時，垂直入射波直接被后向反射，此情形與理想電導(dǎo)體和理想磁導(dǎo)體類似；在編碼序列為“010101”時，垂直入射波主要被反射到兩個方向上；而在編碼序列為“001011”時，垂直入射波束則被散射成多個波束［40］。需要說明的是，這里所實現(xiàn)的可編程超表面是一維的，只能在一個方向上控制波束，但結(jié)合更復(fù)雜的控制電路后可實現(xiàn)全空間360度的波束掃描。較之相控陣天線，現(xiàn)場可編程超表面構(gòu)造成本低廉，以一種簡單高效的方式實時地調(diào)控電磁波，在未來雷達(dá)應(yīng)用中將發(fā)揮巨大的作用。

圖4 由FPGA控制實現(xiàn)可編程超表面的流程圖Fig.4 A flow diagram for realizing a programmable metasurface controlled by the FPGA hardware

圖5 不同編碼序列下可編程超表面的散射方向圖Fig.5 Scattering patterns of the programmalbemetasurface under different coding squences

3 編碼超材料降低RCS

編碼超材料不僅能夠用于控制天線的輻射波束，也能用于覆蓋于目標(biāo)物體表面來降低RCS［40，46-47］。通常，隱身衣能縮減RCS是通過引導(dǎo)電磁波繞射過目標(biāo)［13-14］；而吸波器則是通過吸收入射電磁波來降低RCS［58-59］。在編碼超材料基礎(chǔ)上，高麗華等人于2015年提出了一種新穎的降低RCS的機(jī)理［46］：通過優(yōu)化超表面的編碼排布，可將入射波漫反射到空間各個方向且在每個方向上散射波能量都很小，滿足能量守恒定律。

3.1太赫茲低散射編碼超表面

前述編碼超材料均應(yīng)用在微波段來調(diào)控電磁波，然而太赫茲波由于其特殊的頻譜位置及其自身的優(yōu)越特性，也具有非要重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值［38，46-47，52-56］。圖6（a）展示了一種基于閔科夫斯基結(jié)構(gòu)的2-bit編碼超表面［46］，應(yīng)用在太赫茲波段來降低RCS。圖6（b）中分形結(jié)構(gòu)的單元擁有出色的自對稱特性，可實現(xiàn)小型化和寬頻帶，其構(gòu)成的編碼超表面能夠?qū)⑻掌澆瓷涞娇臻g各個方向上，形成低散射波［46］。

圖6 編碼超表面及閩科夫斯基單元［46］Fig.6 Codingmetasurface and Minkowski coding particle［46］

為了實現(xiàn)對散射方向圖的完全控制，需要這種閔科夫斯基結(jié)構(gòu)單元具有足夠的相位覆蓋。通過改變此單元的寬度L，可以在寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)270度的相位覆蓋，并且相位與寬度L幾乎呈線性關(guān)系，可改變寬度L來獲得多比特的編碼單元［46］，圖7給出了1-bit、2-bit和3-bit編碼下所對應(yīng)的單元結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［46］中利用隨機(jī)的編碼排布來獲得預(yù)期的低散射方向圖，實現(xiàn)對太赫茲波的寬帶漫反射。同時，借助粒子群優(yōu)化（Particle Swarm Optimization，簡稱PSO）算法來尋找超表面的最優(yōu)化編碼排布，以獲得最佳的RSC縮減。這種低散射編碼超表面在1 THz、1.4 THz和1.8 THz處的三維散射方向圖分別如圖8所示，其在寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)了對太赫茲波的漫反射，在上半反射空間擁有很多的散射波束，幾乎形成了全向散射，極大地縮減了RCS［46］。

圖7 1-bit、2-bit和3-bit編碼的構(gòu)成單元［46］Fig.7 Designed 1-，2-，and 3-bit Minkowski particles using different-scale Minkowski loops［46］

圖8 2-bit編碼超表面在1、1.4、和1.8 THz處的三維散射方向圖［46］Fig.8 3D scattering pattern of the 2-bit coding metasurface at 1，1.4，and 1.8 THz［46］

3.2樣品加工與測試結(jié)果

通常，微波段的樣品采用常規(guī)的印制電路板工藝即可制作［40］，而太赫茲波段的樣品則需采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝來加工［46-47］，加工流程如圖9（a）所示：其中主要涉及到勻膠、光刻、電子束蒸發(fā)、剝離等工藝步驟，具體流程見文獻(xiàn)［46］，最終加工的2-bit編碼超表面樣品如圖9（b）所示。

圖9 編碼超表面的加工流程和樣品［46］Fig.9 Fabrication process and sample of the coding metasurface［46］

圖10 為實驗采用的太赫茲測試系統(tǒng)，可用來測量散射系數(shù)與散射角度及工作頻率之間的關(guān)系［46］。在測試過程中，將樣品安置在金屬架上，發(fā)射和接收均采用光纖耦合的光導(dǎo)天線，可通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌來改變?nèi)肷浣呛头瓷浣?，并采用光?dǎo)采樣的方式來探測散射波，具體測試過程及原理可見文獻(xiàn)［46］。從圖11的測試結(jié)果可以看出：與裸露金屬板相比，這種2-bit編碼超表面可以在0.8～1.8 THz寬帶內(nèi)實現(xiàn)出色的漫反射性能，很好地抑制了后向散射。此外，高麗華等人也探究了漫反射特性對入射角度的依賴性［46］，證明了這種低散射編碼超表面可以在一個寬頻帶和寬角域內(nèi)實現(xiàn)對太赫茲波的漫反射，最終可應(yīng)用在太赫茲波段來縮減RSC。這種漫反射原理的提出開創(chuàng)了控制太赫茲散射波的新途徑，也為將來設(shè)計更多編碼設(shè)備奠定了基礎(chǔ)［46-47］。

圖10 實驗測試系統(tǒng)［46］Fig.10 A custom-builtmeasurement system［46］

圖11 垂直入射波下2-bit編碼超表面散射系數(shù)的測試和仿真結(jié)果對比［46］Fig.11 Measured and simulated backward scattering coefficients of the 2-bit codingmetasurface in the frequency range from 0.8 to 2 THz under normal incidence［46］

4 各向異性編碼超材料

4.1各向異性編碼的概念

文獻(xiàn)［40，46］中設(shè)計的編碼超材料均是由各向同性的單元構(gòu)成，是不依賴于入射波的極化狀態(tài)，即設(shè)計好編碼之后功能就固定了，不會隨著入射波極化的改變而改變。2016年，劉碩等人提出了各向異性編碼超材料的概念［47］：其功能取決于入射波的極化方向，對不同極化的入射波呈現(xiàn)獨立的編碼響應(yīng)。圖12為原理示意圖：在y極化入射波照射下，編碼超表面呈現(xiàn)“010101…”的編碼排布，入射波主要被反射為兩個對稱的波束；而在x極化入射波照射下，編碼超表面呈現(xiàn)棋盤格編碼排布，入射波主要被反射為4個對稱的波束［40，46，48］。

圖12 各向異性編碼超材料的雙功能示意圖Fig.12 An example to demonstrate the flexibility of the anisotropic codingmetasurface

為了實現(xiàn)這種極化受控的雙功能編碼超表面，劉碩等人設(shè)計了一種啞鈴型結(jié)構(gòu)的各向異性單元［47］，這種單元結(jié)構(gòu)在x極化和y極化入射波照射下分別呈現(xiàn)獨立的相位響應(yīng)，從而允許將兩種不同的編碼疊加在同一款超表面上。在1-bit形下，各向異性的單元可以在兩種互相正交極化的入射波照射下分別獨立地呈現(xiàn)反射相位0°和180°，對應(yīng)數(shù)字編碼“0”和“1”。文獻(xiàn)［47］中將其編碼命名為“s／s”的形式，其中前者為x極化下的編碼響應(yīng)，后者為y極化下的編碼響應(yīng)，將“1／0”單元旋轉(zhuǎn)90°就可得到“0／1”單元。為了獲得全部的編碼狀態(tài)，還需要文獻(xiàn)［40］中提到的方片型各向同性單元來構(gòu)成“0／0”和“1／1”兩種編碼。這兩種啞鈴型和方片型單元結(jié)構(gòu)也可以用來構(gòu)造2-bit各向異性編碼超表面［47］：通過參數(shù)優(yōu)化，每個單元在不同極化波照射下獨立地呈現(xiàn)4種不同的數(shù)字態(tài)“00”、“01”、“10”和“11”，排列組合后便有16種不同的數(shù)字編碼“00／00”、“00／01”、“00／10”、“00／11”、“01／00”、“01／01”“01／10”、“01／11”、“10／00”、“10／01”、“10／10”、“10／11”、“11／00”、“11／01”、“11／10”和“11／11”，這些2-bit編碼單元的幾何構(gòu)造如圖13所示。

圖13 2-bit各向異性編碼超表面的16種單元結(jié)構(gòu)［47］Fig.13 Structure of the 16 unit cells for the 2-bit anisotropic codingmetasurface［47］

4.2各向異性編碼實例分析

基于各向異性編碼超材料的設(shè)計思想，只要按照一定的編碼序列排布各向異性和各向同性編碼單元，就可以通過改變?nèi)肷洳ǖ臉O化方向來實現(xiàn)不同的功能。下面通過介紹文獻(xiàn)［47］中的3個實例來展示各向異性編碼超材料在不同極化波垂直照射下的多功能性。

需要注意：相鄰不同單元間的電磁耦合效應(yīng)會影響相位響應(yīng)，引入“超級子單元”可避免因此而帶來的性能惡化［40，47］。此示例中，整個材料由16×16個超級子單元構(gòu)成，每個超級子單元的大小為4×4。

圖14 M1編碼下1-bit各向異性超表面三維遠(yuǎn)場散射方向圖（a）x極化（b）y極化［47］Fig.14 3D far-field scattering patterns of the 1-bit anisotropic coding metasurface with coding matrix M1（a）under the x polarization and（b）the y polarization［47］

第二個實例采用在x和y極化入射波照射下相位均呈現(xiàn)梯度分布“00 01 10 11 00 01 10 11…”的編碼矩陣M2-bit1：

此例中整個超表面由32×32個超級子單元構(gòu)成，超級子單元大小為2×2。圖15中（a）和（b）分別展示了編碼為M2-bit1的超表面在x和y極化入射波照射下的三維遠(yuǎn)場方向圖，可以看出x極化垂直入射的波束被偏轉(zhuǎn)到Y(jié)-Z平面內(nèi)，y極化垂直入射的波束被偏轉(zhuǎn)到X-Z平面內(nèi)，并且都與Z軸夾48°角［47］。

圖15 M1編碼下2-bit各向異性超表面的三維遠(yuǎn)場散射方向圖（a）x極化（b）y極化［47］Fig.15 3D far-field scattering patterns of the 2-bit anisotropic codingmetasurface with coding matrix M1（a）under the x polarization and（b）the y polarization［47］

第三個實例采用編碼矩陣M2-bit2：

這樣的編碼設(shè)計保證了每個單元在x和y極化入射波照射下具有90度的相位差，同時沿X軸方向的相鄰單元之間又具有90°梯度相位差［47］。如圖16（a）所示，當(dāng)垂直入射波電場極化方向與X軸夾45°角時，線極化入射波會被轉(zhuǎn)換為圓極化反射波，并偏折到X-Z平面內(nèi)與Z軸夾30°角，形成一個反射式圓極化轉(zhuǎn)換器［47］。從圖16（b）可以看出：隨著頻率增加，波束偏折角在減小，但最大輻射方向的軸比都保持在1.26以下，表明此反射波束為較理想的圓極化波。

4.3各向異性編碼超材料的發(fā)展趨勢

劉碩等人提出的各向異性編碼超材料在各個頻段都具有很好的應(yīng)用前景［47］：在微波頻段，可以通過旋轉(zhuǎn)入射波極化方向來改變反射式天線的輻射模式，為天線可重構(gòu)化設(shè)計提供了新的思路，還可用于實現(xiàn)高效率的圓極化轉(zhuǎn)換器；在太赫茲波段，可用于設(shè)計分束器，分離正交極化調(diào)制的太赫茲信號，此項技術(shù)可以增加單個太赫茲波束攜帶的信息量，未來可用于增加超高速無線通訊的傳輸速率；在可見光范圍，其雙極化特性可用于增加現(xiàn)有存儲媒質(zhì)的存儲密度（如藍(lán)光碟片），每個攜帶兩組獨立數(shù)據(jù)的存儲點可以被具有兩個正交極化態(tài)的激光讀出。另外，將兩幅正交極化的圖像編碼進(jìn)行疊加，可實現(xiàn)更好的3D數(shù)字全息。后續(xù)研究也將向著電可調(diào)的各向異性編碼超材料方向進(jìn)展，結(jié)合FPGA等控制電路后實現(xiàn)可編程各向異性超材料［40，47］。

5 結(jié)束語

本文系統(tǒng)的回顧了編碼超材料，數(shù)字超材料及現(xiàn)場可編程超材料的研究進(jìn)展，通過介紹微波和太赫茲頻段相應(yīng)的實例，展示了編碼超材料在微波、太赫茲乃至可見光頻段應(yīng)用中的潛力。與傳統(tǒng)基于等效媒質(zhì)理論的模擬超材料相比，編碼超材料引入數(shù)字化編碼機(jī)制，可以簡單地通過設(shè)計編碼序列來調(diào)控電磁波，并在此概念的基礎(chǔ)上拓展出一種特殊的數(shù)字超材料單元結(jié)構(gòu)，它可以通過控制二極管的開與關(guān)來實現(xiàn)單元的“0”和“1”數(shù)字態(tài)響應(yīng)，由此構(gòu)成的一款可編程超材料，可實現(xiàn)對電磁波的數(shù)字化實時控制。此外，本文也著重介紹了編碼超表面對太赫茲波的調(diào)控，包括基于太赫茲波寬帶漫反射的原理，利用PSO算法優(yōu)化隨機(jī)編碼排布實現(xiàn)RSC縮減，以及各向異性編碼超材料在不同極化太赫茲波照射下的多功能性?？傊?，通過設(shè)計合適的編碼序列，就可以實現(xiàn)預(yù)期的功能：如波束分離、異常波束偏折、極化轉(zhuǎn)換等，也可用于縮減目標(biāo)RCS，這些應(yīng)用背景都展示了編碼超材料用于調(diào)控電磁波的無窮潛力。值得一提地是，編碼超材料結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)達(dá)到現(xiàn)場可編程之后，可實現(xiàn)對電磁波的實時調(diào)控，為波束掃描開辟了新的途徑，將來可應(yīng)用于新型現(xiàn)場可編程雷達(dá)，相對于傳統(tǒng)相控陣天線，它具有簡單高效廉價的優(yōu)勢。我們相信編碼超材料未來將會在信號處理、數(shù)字通信、信息論、電磁成像等領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用潛力。

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Theory and application of coding metamaterials

ZHANG Lei，LIU Shuo，CUITie-jun*
（School of Information Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）*Corresponding author，E-mail：tjcui＠seu．edu．cn

In this paper，we review the recent progress on codingmetamaterial，digitalmetamaterial and programmable metamaterial，and discuss their capacities in manipulating the electromagnetic（EM）waves in real time and constructing the multi-functional devices.First，we present 1-bit coding metamaterials that are composed of only two types of unit cellswith 0 andπphase responses，named as‘0’and‘1’elements，respectively.By encoding‘0’and‘1’elementswith controlled sequences，we canmanipulate EM waves and realize different functionalities.The concept of coding metamaterials can be extended from 1-bit coding to 2-bit coding or higher.Second，we introduce a uniquemetamaterialparticle thathas either0′or1′response electrically controlled by a biased diode.Based on this particle，we present digitalmetamaterialswith unit cells that possess either 0′or1′state.Using a field-programmable gate array（FPGA），we realize the digital controls over the codingmetamaterial，thereby realizing a programmablemetamaterial.Finally，we study themanipulations to terahertz waves using the coding metamaterial，such as to produce wideband diffusions of terahertzwaves，achieving the efficient reductions of radar cross sections（RCSs），aswell as to propose anisotropic codingmetamaterials，realizing distinct coding behaviors for different polarizations.The measured results are in good agreements with the simulated results，demonstrating the powerful abilities of coding metamaterials to control EM waves.The property of coding metamaterials to manipulate EM waves can be used for designing beam splitter，realizing anomalous reflections and polarization conversions，and reducing RCSs ofmetallic objects in wide frequency bands.

codingmetamaterials；digital and programmable；metasurfaces；terahertz；diffusion；anisotropic

O441.4

：A

10.3788／CO.20171001.0001

張 磊（1992—），男，安徽蕪湖人，博士研究生，2015年于西安電子科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事透射式、反射式超材料天線方面的研究。E-mail：cheunglee＠126.com

崔鐵軍（1965—），男，河北灤平人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1987年、1990年、1993年于西安電子科技大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位，主要從事計算電磁學(xué)和新型人工電磁材料方面的研究。E-mail：tjcui＠seu.edu.cn

2095-1531（2017）01-0001-12

2016-09-14；

2016-09-27

國家自然科學(xué)基金資助項目（No.61571117）

Supported by National Natural Science Foundation of China（No.61571117）