太赫茲信息超材料與超表面（二）

4 太赫茲數字編碼超材料

隨著編碼超材料的發展，在太赫茲領域，各向異性編碼超表面^[12]、張量編碼超表面^[13]、頻率編碼超表面^[14]以及編碼超表面的數字卷積運算^[15]等理論被提出，并由此得到了低雷達散射截面、波束空間搬移、異常折射、貝塞爾波束等現象。下面將以基于編碼超材料的低雷達散射截面(RCS)為例，介紹太赫茲領域編碼超表面的設計與加工。

通常，隱身縮減RCS的工作是通過繞射或者吸收電磁波束來實現。編碼超材料不僅能用于調控電磁波的輻射波束，也能用于覆蓋在特定物體上來實現低RCS。高麗華等人在編碼超材料的基礎上實現了寬頻帶低散射的太赫茲超表面^[16]，通過優化超表面的編碼分布，可以將入射波漫反射到空間各個方向，而且漫反射在各個方向上散射的能量都很小，這樣就降低了RCS。在文獻[16]中，采用了1階迭代閔科夫斯基(Minkowski)環分形結構作為太赫茲編碼人工電磁表面的基本單元，如圖4(b)所示。在寬度或者面積沒有増加的情況下，分形結構更加復雜，增加了許多折線結構，體現了分形結構的空間填充特點。利用分形結構來構造新型人工電磁材料基本單元時，就呈現出多頻帶、寬頻帶及尺寸縮減等優點。圖4顯示了太赫茲波入射到設計的編碼人工電磁表面上時，在其上半平面呈現出漫反射特征。該編碼超表面也具有金屬背板，為反射式的超表面。

圖 4 反射型的編碼超表面及其單元結構[16]Fig.4 Coding metasurface and Minkowski coding particle[16]

圖5給出了編碼超材料單元的設計方法^[16]。當單元結構的長與寬(L)發生變化時，反射相位會發生變化，而反射系數基本保持不變。對不同尺寸的超表面單元結構進行仿真，得到的反射系數情況如圖5(a)所示。圖5(b)給出了圖5(a)兩種尺寸的單元結構的相位差值，由圖可以看出，當環的總寬度L從43 μm變化到78 μm時，在0.8～1.7 THz頻段范圍內，相位差都超過了270°。根據前文關于1-bit，2-bit以及3-bit編碼超表面中幅度相位條件(反射系數幅度基本相等，反射系數相位差分別為0°和±180°，0°、±90°、±180°，0°、±45°、±90°、±135°、±180°、±225°、±270°和±315°)。通過改變單元的寬度L，可以在寬頻帶內實現270°的相位覆蓋，并且相位差與L幾乎呈線性關系，如圖5(c)所示。因此，可從圖5(c)按照相位差要求中選定構成各比特數編碼人工電磁表面的基本單元尺寸，如圖5(d)所示。

圖 5 反射型的編碼超表面單元的設計[16]Fig.5 The design of Minkowski coding particles of metasurface[16]

仿真以及實驗結果顯示，在0.8～1.9 THz的頻段范圍內，2-bit編碼人工電磁表面的后向散射系數相較于同樣尺寸的金屬平板降低了至少10 dB，且編碼人工電磁表面的后向散射場幾乎沒有突出的散射峰，在整個上半平面毎個方向上都有強度相差不大的散射峰，弱化了其后向散射的目標特征。

太赫茲低散射電磁超表面的加工^[16]基于標準光刻工藝。如圖6所示，整個樣品在硅基底上制作，由于反射金屬背板的存在，硅基底不影響樣品的電磁特性同時具有一定的支撐作用。先在硅基底上蒸鍍一層200 nm厚的金作為金屬背板。再在其上制作聚酰亞胺作為介質層。聚酰亞胺介質層由PJ-5J聚酰亞胺涂層膠來制作，PJ-5J膠通過甩膠機在蒸鍍了金屬層的硅基底上進行旋轉涂抹，高溫處理后固化為聚酰亞胺介質層。聚酰亞胺層上涂覆光刻膠后，刻有太赫茲吸波器結構的掩膜板覆蓋在上面，進行曝光、顯影，太赫茲吸波器結構就轉移到了光刻膠層上，再經過蒸鍍金屬(200 nm厚的金)和浸泡剝離等工藝即完成樣品加工。加工完成后，太赫茲編碼超表面采用反射式太赫茲時域光譜(THz-TDS)系統進行實驗測量。

圖 6 具有金屬背板的太赫茲低散射表面加工流程及樣品部分照片[16]Fig.6 The fabrication process for the coding metasurface and part of the fabricated sample[16]

5 現場可編程超材料及其成像應用

在太赫茲頻段，由于受限于尺寸以及加工工藝，對電磁波束的實時調控通常通過半導體材料、微機械結構等方式來完成。例如通過二氧化釩^[17]、液晶^[18]，以及泵浦光^[19]、微型懸臂梁^[20]、空間光調制器^[21]等方式來實現太赫茲波束的實時調控。可編程超材料的提出，為太赫茲波的實時調控開辟了新的途徑。

2006年Chen等人^[22]在太赫茲頻段實現了利用電信號對電磁波的實時調控，如圖7所示，將金屬開口諧振環制作在砷化鎵基底上，由超材料陣列與半導體基底一起形成肖特基二極管。通過改變柵極電壓來控制超材料單元底部載流子的注入與耗盡，從而改變超材料單元的諧振特性，以實現完成對太赫茲透射波束的實時調控。基于類似的原理，若可以對超材料單元進行獨立調控，則可以設計太赫茲頻段的數字可編程超材料。

圖 7 基于半導體材料的可調控太赫茲超材料結構[22]Fig.7 The controllable THz metamaterails based on semiconductor[22]

在上節中，編碼超材料可以通過設定“0”和“1”的編碼序列來調控電磁波。崔鐵軍等人在此基礎上進一步拓展，提出了通過對編碼狀態的切換，進一步實現微波頻段的現場可編程超材料^[11]。調控單元如圖8所示，通過改變開關二極管的偏置電壓，來實現“0”或“1”編碼態的超材料單元。單元結構中，上表面由兩個平面對稱的金屬貼片組成，兩個貼片之間通過二極管相連。金屬貼片通過金屬化通孔與下表面的地相連接，用于提供直流偏壓來控制二極管的通斷狀態。當二極管的偏壓為3.3 V時，二極管為導通狀態；當二極管上沒有偏壓時，其狀態為關斷。其等效電路單元的反射相位曲線如圖8(b)所示，其二極管的開關分別對應“1”單元和“0”單元。

圖 8 數字超材料單元結構以及相位曲線[11]Fig.8 The metamaterial particle for realizing the digital metasurface and the corresponding phase responses[11]

圖 9 由可編程超表面生成動態全息成像的示意圖[23]Fig.9 Dynamic holographic imaging based on programmable metasurface[23]

文獻[11]基于上述超材料單元，設計并制作了一款1-bit數字超表面。該數字超表面包含30×30個相同的單元，并且每個單元包含一個二極管。利用現場可編程門陣列(FPGA)硬件電路，則可以通過軟件編程觸發出不同編碼序列，來操控反射波波束的數量與傾角。

文獻[23]基于上述提出的1-bit可編程超材料單元，實現了對全息圖像的動態調控。圖9給出了調控原理以及方法。單元結構與上文提到的一致，通過切換不同的偏置電壓來改變二極管的通斷，以此獲得不同的反射相位。而不同字母對應的全息圖的相位分布則由改進型的GS算法得到，并由此繪制出“0”、“1”編碼序列，進而通過改變偏置電壓來對超表面進行編碼。在X極化入射的平面波激勵下，經過編碼超表面反射后，在像平面上可以清楚地看到全息圖像。通過動態改變相位分布 (全息圖1、2、3···)，超表面全息圖可以依次投射成像平面上的全息圖像 (幀1、幀2、幀3···), 分別顯示出字母圖案“P”、“K”、“U”等。

6 可編程超材料以及新概念雷達系統

傳統的相控陣天線依賴于移相器來實現單元結構相位的變化，以此來實現波束的掃描與控制。但是對于相控陣列來說，移相器的存在使得相控陣成本非常高。文獻[11]中的可編程超材料以及數字超材料實現了對電磁波的直接調制，這為波束控制以及掃描提供了新的方向。可編程超表面的工作流程圖以及測試環境如圖10所示，這種反射式的可編程超材料可以實現對單波束的調控、多波束實現、波束掃描以及漫反射隱身等功能。現場可編程超表面在不同編碼序列下的散射場仿真與測試結果如圖11所示，圖11(a)中“000000”編碼序列對應的是理想磁導體，而圖11(b)中“111111”編碼序列對應的是理想電導體，因此在單波束入射的情況下，這兩組序列的散射特性為單一波束。當編碼序列為“010101”時，入射波束被反射成兩個波束，如圖11(c)所示，當編碼序列為“001011”時，入射波束被散射成幾個波束，如圖11(d)所示，這樣有效地縮減了雷達散射截面。并且實驗結果與仿真結果有很好的一致性。

萬向等人在此基礎上于2016年提出了一種波束可重構的可編碼超表面，這為新概念的雷達以及通信系統提供了更為有效直接的方法^[24]。

圖 10 由現場可編程超表面實現的新概念雷達系統[11]Fig.10 The proposed new concept radar systems based programmable metasurface[11]

圖 11 (a)–(d)現場可編程超表面在不同編碼序列下的散射場仿真結果，其中(a)對應的編碼序列為“000000”，(b)對應的編碼序列為“111111”，(c)對應的編碼序列為“010101”，(d)對應的編碼序列為“001011”，(e)–(h)為與之對應的測試結果[11]Fig.11 Numerical simulation results of scattering patterns for digital metasurface under different coding sequences: (a) 000000, (b) 111111, (c) 010101 and (d) 001011. (e)–(h) Experimental results of scattering patterns for the digital metasurface under different coding sequences: (e) 000000, (f) 111111, (g) 010101 and (h) 001011[11]

7 結論

本文回顧了數字超材料、編碼超材料、以及可編程超材料的研究進展。通過介紹微波以及太赫茲頻段的應用，例如低散射超表面、動態全息超表面以及新概念雷達系統等，展示了編碼超表面在太赫茲頻段應用中的潛力。與傳統超材料的等效媒質理論相比，信息超材料引入了數字化的編碼系統，可以通過對編碼序列的控制來實現電磁波的調控。此外，現場可編程的超表面，通過引入二極管的通斷狀態，實現單元的“0”和“1”切換，來實現對電磁波的實時動態調控，基于此可以設計全息成像系統和新型的雷達系統。相對于傳統的相控陣天線，編碼超表面有著更為簡便以及便宜的優勢。但是超材料在以下方面依然存在不足：(1)目前超表面對電磁波的調控還大多局限在相位響應的調控上，由相位的變化實現對電磁波波束的調控。一方面這種對相位的調控也會帶來幅度的改變，導致不同單元幅度的不一致性。另一方面若對幅度進行調控的話，則會帶來損耗或者效率的問題。(2)目前現場可編程超材料依賴于對單元結構工作狀態的控制，對于整個可編程的超材料來說單元個數往往超過上百個，由此引入的直流偏置，則會帶來饋電結構復雜以及損耗的劣勢。

編碼超表面與可編程超表面的提出，象征著研究和分析超表面的手段從模擬走向數字，設計的思路從物理層面轉向信息學層面，不僅極大地簡化了設計流程，實現了超表面對電磁波全方位的靈活調控。從材料本身出發，針對未來可調太赫茲人工電磁材料的研究，可以建立起聲、光、電、磁及溫度等外加激勵調控人工電磁材料電磁特性的多種調控模式，將是需要進一步努力或值得研究的重要方向。從設計的流程出發，數字化的分析模式將超表面與信息學聯系到了一起。相信未來超表面的發展趨勢將沿著信息化、自適應、智能化的方向繼續發展。

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