摘要: 电磁超表面可视为二维形态的电磁超材料，由多个亚波长尺度的单元按照周期性或准周期性地排列而成，能实现对电磁特性的灵活调控。相比于三维超材料，超表面拥有体积小、质量轻、造价低、易共形和易集成等优点。传统超表面的电磁参数是连续调控的，因... 展开 电磁超表面可视为二维形态的电磁超材料，由多个亚波长尺度的单元按照周期性或准周期性地排列而成，能实现对电磁特性的灵活调控。相比于三维超材料，超表面拥有体积小、质量轻、造价低、易共形和易集成等优点。传统超表面的电磁参数是连续调控的，因此可被称为“模拟超表面”。2014年，崔铁军教授课题组创新性地提出了“数字编码超表面”的概念，用离散的数字状态表征电磁特性，用相应的编码序列或编码图案调控电磁波，简化了超表面的设计流程，降低了设计难度，并提供了更多新颖的数字化调控方法。更重要的是，数字编码超表面建立了物理世界与数字世界的桥梁，可将数字信息论和信号处理中的理论方法用到超表面的设计中。结合有源器件和现场可编程门阵列，数字编码超表面实现了对电磁信息的实时调控，进一步提升了其在未来新型通信系统、成像系统和雷达系统的应用前景。本文以数字编码超表面作为主要的研究对象，包括理论分析、单元设计和功能创新等方面。主要研究内容和贡献概括如下：1）在透射式超表面尤其是数字编码超表面做出了一系列创新研究，首先提出一种新型双频段的透射式超表面单元，可同时工作于以12GHz和18GHz为中心频率的频段中，且互不影响。根据此单元设计了高增益双频段透射阵天线。基于一种多层级联超表面结构，实现了超宽带1比特透射式数字编码超表面，其1比特相位响应覆盖了整个 X 波段，显著提升了透射式数字编码超表面的工作带宽。该设计不仅可以在宽频带内实现波束赋形，还能实现波束偏折角度随频率进行一定范围的扫描。2）通过同时调控反射和透射系数，提出了全新的反透射幅相联合编码的概念。将全反射和全透射分别定义为1比特幅度编码数字态“0”和“1”，并与相位编码联合，提升了数字编码超表面所蕴含的信息量，实现了电磁信息的全空间调控。基于此理论提出了极化控制和有源器件控制两种调控方式，可同时或分时地调控反射和透射的电磁信息。3）将透射幅度引入数字编码超表面的设计中，提升了电磁调控能力。首先提出一种各向同性幅相可控数字编码超表面单元，能独立调控主极化透射幅度和相位，无需改变极化状态。基于此单元实现了幅度全覆盖相位 1 比特和 3 比特超高透射率数字编码超表面。进一步将其升级为各向异性，x极化和y极化的透射幅度和相位均可独立调控，且工作频段可根据尺寸范围进行调整。全波仿真和实测结果均验证了数字化多波束调控、极化可重构的多焦点聚焦等新颖功能。4）从电磁波的基本原理出发，提出了复数编码的概念，将电磁波相位信息中整个复数部分作为编码状态，制定了全新的加法定理规则。在微观层面，加法定理表示两个编码单元所蕴含信息的相加；在宏观层面，可利用加法定理实现多功能数字 编码超表面，即多种功能同时在同一阵面无互扰叠加。由于仅依靠相位编码即可实现复杂辐射，因此在可编程数字超表面中具有重要意义。数值仿真和测量结果验证了该定理的可行性。 收起