陈志宁院士：微波超天线技术的研究与发展

导言

信息科学与技术（information science and technology , IST）已经深刻地改变了我们的社会和生活。随着计算机科学和超大规模集成电路（very-large scale integration, VLSI)技术的飞速发展，无线技术作为信息科学与技术的物理基础，在过去30年里得以蓬勃发展。由于固有的物理局限性，天线技术作为无线系统的关键技术之一，其创新正面临着严峻的挑战。同时，系统急需性能更强、功能

毫无疑问，作为一种硬件器件，天线的设计主要受制于制造电磁波（EMW）辐射器材料的电特性。而这类材料在辐射器周围时，会严重影响天线的辐射性。自1887年赫兹在电磁波实验中首次使用金属天线以来，主流的辐射结构一直基于少数几种金属材料，而支撑材料主要为低电阻损耗的介电材料。金属和介电材料简单且有限的电特性支撑着天线的基本性能。

在过去的一个世纪里，人们一直致力于研究具有超越传统金属电特性的材料。在20世纪40年代，人们发现电磁波在人造微波结构中的特性与在天然材料中发现的特性截然不同，这是因为其独特的电磁特性，譬如，有效折射率小于单位值。这一发现引起了人们对人造电介质研究和设计的兴趣。之后的所有研究都是围绕微波频段特定的天线技术而展开。

1.   超构材料和超构表面

       

1） 超构材料。直到20世纪90年代末，人们才对人造材料重新进行了更多的理论研究，以期实现更广泛的技术覆盖。通常，电磁超构材料（metamaterial，MTM）是指人为设计的、能够产生自然界中从未发现的独特电磁特性的结构。总的来说，超构材料仍然以天然材料为基础，但其电磁特性，如介电常数ε、磁导率μ或折射率n均超越现有的天然材料。这一物理概念最早由Kock [2]在20世纪40年代提出，是一种带有金属透镜天线的人造电介质。在20世纪60年代， Veselago 在数学上将这一概念扩展到负折射率（介电常数和磁导率同时为负）。到20世纪90年代末和21世纪初，Pendry等[4]和Shelby等 [5]提出并经过实验验证了负折射率。自此之后，我们有机会领略到过去25年里这一革命性电磁研究的新浪潮。

2） 超构表面。根据超构材料的概念，电磁超构表面（MTS）可以看作为一种二维的超构材料结构。通常，超构表面是指具有较小电学厚度和具有二维周期性的散射体阵列。然而，若将超构表面视为电磁器件，笔者更倾向于将其定义为一种由二维极化单胞阵列构成的电磁结构。事实上，超构表面不一定是周期结构。与用介电常数、磁导率等材料特性来描述的超构材料不同，超构表面是以电磁波的传播特性，如透射、反射等参数来表征。在其电尺寸发生变化时，超构表面中的单胞充当“原子”“色散性散射体”或loquet-Bloch结构”。超构表面主要用于操控穿过表面或经表面反射的电磁波的相位、振幅和极化，并控制表面波在材料表面进行传播。为进一步提升单层设计的性能，可将超构表面进行多层化设计。

此外，还可将超构表面视为电磁问题的边界，如图1所示。在该电磁问题中，两个区域中的任意场由一个虚构的闭合曲面S分隔。两组电场和磁场分别位于区域1和区域2中。运用Schelkunoff的等效原理来定义S面上满足边界条件的等效电磁表面电密度Js和磁密度Ms，如图1（a）所示。

图  1  超构材料Schelkunoff表面和超构表面

Figure  1.  Metamaterial Schelkunoff's surface and metasurface

例如，如图1（b）所示，对于透射超构表面，区域1中的总电场和总磁场E1(即Ei+Er)和H1( 即Hi+Hr)被称为源，其中Ei和Hi表示入射波，Er和Hr代表经S面的反射波。同时，可通过物理改变2区中所需透射波E2和H2的表面边界条件来人为地设计虚构Schelkunoff表面的Js和Ms。具有设计边界条件的物理表面可被视为一个超构表面。因此，超构表面可以用控制电磁波器件的电磁透射和反射来表示。

2.   超构表面的特性和功能

       

在天线工程中，将超构表面建模为二维面的器件比较方便。例如，超构表面早期被认为是“薄膜”。通常，超构表面作为一种二维阵列，是由单胞以固定的周期均匀排列构成。通过改变单胞的尺寸、形状和方向，可在超构表面上实现需要的相移、振幅甚至极化等参数目标。

作为一种周期阵列，超构表面可以通过多种方式来表征和设计。在天线设计中，首先，根据著名的天线理论或光学原理，可将超构表面设计为所需的相移、振幅或极化分布，从而保证目标性能。其次，可将单胞设计成具有上述相移、振幅或极化的单个器件。第三，根据单胞对频率的参数响应来选择或设计单胞，且可通过改变单胞的尺寸或方向来获得该参数响应。第四，利用表征的单胞，以固定的周期生成第一步确定的具备所需参数分布的表面。最后，采用全波电磁法对该表面的性能进行评估，以确保其实现目标性能。

在超构表面设计中，如何快速、准确地对单胞进行表征至关重要。通常，在透射和反射的振幅和相位方面，会使用散射参数（S11，S21）来表征单胞，并具备特定的极化特性。

对超构表面中的单胞进行参数提取。例如，在矩形单胞阵列形成的超构表面中，单胞的尺寸是两个方向上周期p1乘以周期p2。4条边界是通过周期性边界条件来实现，例如一对理想磁导体（PMC）和一对理想电导体（PEC）可以在某些情况下用来模拟周期性边界条件。如图2（a）所示，设置两个波导端口。因此，类似于两端口网络的设置可模拟平面入射波下无限平面二维周期阵列中的一个单胞。采用上述方法，利用任何电磁仿真软件，均可获得任意极化、任意入射角的平面波照射下，所需带宽内超构表面的透射和反射响应。

图  2  基于S参数法表征超构表面单胞

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

图2（b）显示了周期阵列中单胞透射系数随频率的响应特性。阵列中单胞的周期为p，单胞的尺寸为a×a，且p≥a。当a增加时，S21的振幅和相位随频率的响应，如图2（b）所示，透射率|S21|高于−1 dB，而相移在fL～fU的频率范围内达到Δϕϕ。

不同尺寸下，用相移Δϕϕ、透射系数|S21|和反射系数|S11|表征单胞后，单胞可用于阵列超构表面的设计，以获得所需的相移、振幅和极化等参数。考虑到均匀周期阵列中单胞与超构表面中不断变化的相邻单胞之间存在互耦差异，通常需在设计环境中微调单胞。但是，此种差异的影响是可以接受或可忽略的，因为除了在π～−π范围内发生突变相移从而产生渐变相移分布外，在相邻单胞之间单胞的尺寸变化始终较小。

超构表面器件可在较小电学距离内操控电磁波。例如，超构表面可以使表面或经表面反射的电磁波的相位、振幅和极化发生不连续变化（图3）。例如，与入射平面波（Ei=aiEicos(ωt−kz)，V/m）相比，透射波（Et=atEtcos(ωt−kz+Δϕϕ)，V/m）由于相移Δϕϕ，其极化和振幅分别从ai和Ei变为at和Et。

图  3  超构表面对透射波的影响

Figure  3.  Effects of metasurface on transmitting wave

在相移Δϕϕ可控的情况下，超构表面通过实现所需的相移分布，从而实现对透射波的操控。如图4（a）和图4（b）所示，平板超构表面透镜可作为接收天线将入射平面波聚焦到焦点处，或像常规全介质透镜一样，将焦点处源所辐射的球面波转换为该方向上的平面波。超构表面是由所选类型的单胞构成，如图4（c）所示[8-11]。因此，电学薄平面聚焦超构表面可用于取代传统电学厚三维电介质透镜。

图  4  超构表面的平板透镜

Figure  4.  A flat lens of metasurfaces

此外，单层超构表面还可扩展到作为级联网络的多层设计中，以实现大范围相移。同时，当有效阻抗由中心层逐渐向外层变化，或有效介电常数由中心逐渐向外层减小，趋近于1时或可以引入外过渡层来实现超构表面与空气之间的阻抗匹配。

3.   超构表面在微波天线中的应用

       

超构材料和超构表面的概念首次在微波波段提出后，已得到验证并已成功应用于微波天线中。自21世纪以来，按电磁特性划分的超构表面主要包括以下4种类型：

1） 复阻抗表面（CIS）、电抗表面（RIS）或高阻抗表面（HIS）；

2） 人工磁导体（AMC）；

3） 电磁带隙（EBG）表面；

4） 高或零或负或各向异性表面（人工电介质）。

超构表面因其具备独特特性而被广泛应用于高性能全新电磁器件中，例如：

1）吸收体：更薄、宽带和广角响应的吸波体；

2） 天线：低剖面和宽频带、漏波、聚焦透镜、平面龙伯透镜、透射阵列、反射阵列、相控阵列和共享孔径天线；

3） 阻抗表面：互耦抑制和辐射方向图控制表面；

4） 智能表面：可重构、编码和雷达截面缩减表面；

5） 极化器：扭转极化器、左/右旋转换的圆极化转换器，以及线极化−圆极化转换器；

6） 表面滤波器：带通、带阻、频率选择和极化选择滤波器。

其中，超构表面天线（超天线）的开发一直是创新天线技术的重要方向之一。超天线在许多方面显著提升了天线的关键性能和功能，如图5所示。

图  5  超构表面在微波天线设计中的功能

Figure  5.  The functionalities of MTS in microwave antenna designs

超构表面可用于控制介质基片中的表面波或改变接地面上的电流分布，从而在天线接近地面时，控制从地面产生的辐射。超构表面还可用作具有设计介电常数或磁导率的人造介质基片，以控制经地面反射的电磁波。例如，超构表面可在确保天线增益和带宽的同时，实现其波束偏转或使材料变薄。

当高各向异性有效介电常数超构表面位于天线下方时，作为加载介质，可使面上的电场分布更加均匀，实现更高增益；对于高带宽，则可引入更多模式，如表面波模式；对于低剖面，则可引入传播方向上的附加相移。不同于一块各向同性且具备高介电常数的介质平板，各向异性介电常数超构表面在垂直于表面的方向上提供高介电常数，从而减小厚度，但是沿着表面可提供高阻抗，控制表面波。这类天线设计已经应用于移动网络的小型蜂窝基站。

在近场区覆盖天线的超构表面可视为覆盖层。随着超构表面与天线之间的耦合作用增强，覆盖层便成为了主要的辐射器，且其电场分布发生变化，增益更大、带宽更高。经表面反射也被用来抑制紧邻天线之间的互耦。

超构表面可以按照前述的聚焦透镜的光学原理充当透镜。与均匀、各向同性的电介质透镜相比，超构表面透镜（即超透镜）采用了紧凑、轻量化设计，且具备相似透镜的性能和功能。

超构表面还具备电磁带隙或高阻抗表面的特性，通常可作为隔离墙抑制相邻辐射器之间的互耦。除了抑制通过表面波相互耦合之外，超构表面还能聚集并反射从一根天线辐射的场，从而确保高隔离度。

除了作为天线的负载和散射体外，超构表面还可用作辐射器。例如，蘑菇状阵列、马赛克贴片阵列及其改进型设计可应用于增强传统贴片天线的性能。采用隙缝化的超构表面辐射器，天线主模的Q值会大大降低。研究表明，可设计的色散特性可以作为一个有力的工具，指导利用孔耦合馈电控制两个相邻模式覆盖，从而实现宽带化设计。比如，马赛克天线因其设计灵活、制作简单等优点，已经在改善阻抗匹配和增益带宽、抑制互耦、提高增益、拓宽E面波束宽度等方面得到了广泛的应用。

4.   超天线未来研发的机遇与挑战

       

相较于采用常规技术并受物理规律限制的电磁器件设计，超构材料有望突破天然材料电学特性上的限制。作为一种物理概念，而非特定技术，超构材料极大地延伸了电磁理论的研究，革命性地推动了天线技术的发展。在微波频段，超天线已经得到了广泛成功的应用，不仅提高了天线的性能，还引入了全新功能。超天线的某些典型应用如表1所示。

表  1  成功应用于无线系统的特定超天线

Table  1.  Selected metantennas successfully applied to wireless systems

如上所述，新开发的超天线解决了器件层面的许多典型基本设计中的挑战。与传统的谐振元器件天线阵列相比，超构表面还可设计为像素化天线阵列，提供更加独特的功能，例如具有特定辐射特性的负载表面以及更高的设计自由度。

下一阶段，关于超天线的研究与开发将主要侧重于表2中所列出的各项挑战。

表  2  超天线设计和应用的特定挑战

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

为了更深入地了解上述主题，强大的新型建模工具也很重要，因为超天线在单元形状、阵列配置和运行机制方面日趋复杂。例如，特征模式分析（characteristic mode analysis ，CMA）已成功地应用于超天线的设计 。从特征模式分析中获得的信息能有效地指导复杂的系统设计与配置，以实现更强性能。

基于人工智能（artificial intelligence， AI）的机器学习（machine learning，ML）或深度学习（deep learning，DL）是另一种重要且具有前瞻性的工具，用于生成、设计和优化超大规模和复杂的超天线。图6给出了一种工作于微波频段的超构表面透镜天线[25]。随着设计自由度的大幅增加，尤其是单胞的排列升级，现今单胞和透镜天线的性能都得到了显著改善，但其导致单胞设计愈加复杂。然而，所有单胞的设计都是由经过训练的机器完成的。越来越多的研究工作表明，基于先验知识的机器学习（PK-ML）在超天线的优化和合成中具有巨大的应用潜力。

图  6  平面三层超构表面透镜天线的前视图（图片由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.   结语

       

与天然材料相比，快速发展的超构材料概念已充分展示其优异的特性。超构表面具有易于制造、易于组装、易于表征和成本低等优点。因此，在超天线创新中得到了越来越广泛的应用。超天线成功地弥补了超构材料物理概念与工程设计之间的鸿沟。在超天线的开发过程中，带宽、效率、容量和成本等关键工程问题已得到全面解决。除了超构材料和超构表面的研发之外，一些围绕超天线优化和合成的有效新方法，如特征模式方法和基于神经元网络的深度学习方法，在很大程度上进一步推动了超天线的研发。