人工電磁超構表面：靈活調控電磁波的新手段

從藍牙互連、WiFi無線區域網接入到手機通訊、4G上網等，電磁波無處不在地融入人們的生活中，它通過無線連接的方式，方便了人與人、人與世界的交流和溝通。另外，電磁波傳播特性的調控也在信息處理系統、感測及監測、電磁成像、雷達探測等技術中起到重要作用，已廣泛應用於各個領域。

近年來，隨著信息技術日新月異的發展，人們對電磁波這一主要信息通信載體調控技術的需求也越來越高。面對日益複雜化的電磁環境、通信要求，以及設備小型化、集成化的發展趨勢，電磁波散射、極化、波束、傳播方式等各方面的調控技術顯得尤為重要，如何在有限尺寸和空間條件下實現高效的電磁波調控已成為困擾研究人員的主要難點與問題。

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當前，傳統的材料及其電磁波調控器件已經很難滿足日益增長的電磁調控發展需求。這時，超構材料（metamaterial）作為一種人工設計的基本單元及其空間序構的排列來構築的新材料，實現了許多自然材料所不具備的新奇電磁現象及電磁調控功能，形成了材料、器件研究領域的新「範式」，是時下國際新興的研究熱點。

近幾年來，馮一軍教授領導的南京大學微波技術實驗室（屬於南京大學電子科學與工程學院「無線電物理」國家重點學科、國防科工局「電磁波特徵信息調控技術」重點學科實驗室、江蘇省「電磁波先進調控技術」重點實驗室）一直致力於超構材料及相關應用的研究，從2010年開始，課題組在國家自然科學重大基金項目、教育部科技研究重大項目支持下，積極開展電磁超構表面的研究，並取得了一系列突出的研究成果。

例如利用優化設計的惠更斯超表面進行相位補償，有效改善了普通微波貼片天線的增益和帶寬，相關研究內容的論文發表後即獲得國際同行的廣泛關注，成為AIP Advances雜誌當季下載排行第一的論文。不僅如此，課題組還率先開展了有源超構表面的研究工作，創新性地將電磁場理論與電路理論相結合，建立了有效的微波有源超構表面分析方法和設計思想，實現了反射相位0-360度完全動態可調的超構表面。論文發表後國家自然科學基金網在「基金要聞」中對研究成果進行了報道，並給予了積極評價。

隨後，課題組進一步將研究內容擴展至透射型超構表面中，從理論上推導出實現透射和反射幅度和相位的任意調控的方式，並提出了一種直觀簡單的超構表面設計方案，進行了實驗驗證。另外，課題組還通過人為的設計和優化超構表面單元的空間分布特性，在微波波段實現了隨機散射人工電磁表面。在入射電磁波照射下，可具有類漫反射現象的散射特性，從而在寬頻內實現了背向電磁散射縮減的目的。相比於傳統縮減散射的微波吸波材料，此類電磁超構表面更加輕薄，甚至可設計成具備光學透明性質，在電磁隱身技術、物體散射特性調控、電磁兼容等方面都具有較大的應用潛力。

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值得一提的是，2016年是電磁超構表面技術取得飛躍發展的一年，許多重量級研究工作相繼出現。其中，哈佛大學利用超構表面技術實現了低成本、超薄光學透鏡（metalens），給眾多光學設備帶來了變革性影響，併入選了美國Science周刊2016年十大科技突破。

但就目前而言，超透鏡在設計製備後，其焦距和成像性能均難以改變，這在一定程度上限制了其應用範圍的進一步擴展。這一問題實際上也存在於其他類型超構表面中，已逐漸成為制約超構表面發展的重要因素之一。為此，馮一軍教授領導研究組成員創新性地在微波頻段研製了首款可重構透鏡的原型器件。具體來說，研究人員們將微波變容管耦合到超表面單元的結構設計中，隨後可通過預先設定的程序獨立、連續控制每個單元的電磁響應特性，從而實現對微波信號的任意焦點位置聚焦、任意多焦點聚焦及動態焦點的快速掃描等一系列調控功能（如圖2所示）。

這一研究的核心思想在於引入可調、可重構元件，並通過合理的優化設計實現超構單元的透射相位連續可變。研究者們選用了電壓調控的方式作為實現可重構的首選方案，相比於其他如機械形變、熱調控等方式，電壓調控的響應速度更具明顯優勢，可實現電磁調控的快速實時響應，更具發展潛力。實驗測量中，該透鏡的響應速度可為10微秒左右，即一秒鐘可以實現10000次的功能切換。

在透射型超構表面研究中，效率是衡量研究工作的重要標準之一。高效率意味著更多的能量能夠穿過超構表面，避免電磁能量資源的浪費，提升工作性能和整體電磁能量利用率。有了前期的實驗室研究工作的積澱，這一問題在實際研究中迎刃而解，研究人員們基於惠更斯等效原理的概念，利用超構單元結構特性產生一定的磁流和電流，再經優化設計，最終使該超構結構能夠實現幾乎無反射的透射調控，從而在現有的實驗製備條件下，使透射效率及聚焦效率最大化。

實驗表明馮教授課題組研製的超透鏡在外界電壓序列的作用下，其聚焦焦點可沿特定的軌跡逐點快速掃描，也可實現兩（或多）焦點的任意位置聚焦。據悉，新型透鏡集亞波長厚度、高透射效率、實時連續可重構性、任意程序控制和快速響應等優勢於一身，可助推超構表面透鏡技術在動態、複雜電磁波調控中的應用，並為全息成像、波束賦形和掃描、可重構天線等實際器件的研製奠定良好的研究基礎。

另外，該可重構透鏡的設計方法和原理具有良好的可拓展性，能進一步在太赫茲、紅外及可見光領域得以應用，可實現小型、高效的光學鏡片和動態成像系統，具有廣闊的應用前景。

專家簡介

馮一軍：南京大學電子科學與工程學院教授、博士生導師，現任國防科工局國防重點學科實驗室常務副主任、江蘇省「先進電磁波調控技術」重點實驗室副主任。

陳克：南京大學電子科學與工程學院博士後。

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