电磁超表面可被视为电磁超材料的二维形式,它可以在表面处对电磁波的特性有效调控,从而突破自然材料表面的Snell定律限制,实现各种奇异的电磁现象。与三维的超材料相比,超表面的亚波长厚度,使其可以采用光刻、印刷等大规模生产方式制备,也可直接和电路集成应用,此外,超表面在实现结构扁平化的同时,也克服了超材料损耗大、不易共形的限制,这些突出优势极大激发了研究人员的兴趣。之后,超表面迅速成为电磁学领域的研究热点,各种性能的超表面呈现井喷发展态势。“可重构”一词源于计算机领域,其本意是指通过电子器件控制计算电路,在不改变电路结构的前提下实现多种可控的功能。将可重构概念和超表面设计相结合,设计的可重构电磁超表面可以将电磁波的多种调控能力集成于一身,这在新型天线、先进电磁控制系统中都有广阔应用前景。
图1 可重构超表面及其可控波束示意图
空军工程大学曹祥玉教授团队从2006年起持续关注超材料的最新进展,并开展了大量探索研究,特别是2010年后,团队将可重构概念和超表面技术有机结合,从可重构超表面自身及其天线应用两个角度,开展微波频段的可重构电磁超表面研究,提出了多种吸波、相位或极化可重构超表面新结构,突破了低频、宽带、高效等多项关键技术,实现了波束可重构(扫描、赋形)、RCS减缩、涡旋波产生等性能,为先进电磁调控及新型天线系统的研制及应用积累了核心技术,具有显著应用价值和科学意义。
论文追溯了可重构电磁超表面的发展历程,总结了可重构超表面的实现技术,并从电磁波的振幅、相位和极化等特征量的调控出发,分别综述了团队的一系列创新成果,随后,着重从可重构电磁超表面的天线应用角度,阐述了团队在动态辐射波束调控、散射波束控制和涡旋电磁场生成等领域的创新设计,最后,结合理论和技术发展趋势,指出可重构超表面未来向集成化、智能化、系统化发展的广阔前景(图2)。
图2 可重构超表面及其天线应用研究进展
编辑:蒋文 于青
审核:贾守新
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