基于多元信息的多功能电磁集成超表面研究进展

许河秀 王彦朝 王朝辉 彭 清

①(空军工程大学防空反导学院 西安 710051)

②(空军工程大学基础部 西安 710051)

1 引言

超材料(metamaterials)[1]是人们依据电磁学理论设计的由系列亚波长单元按照特定方式排列而成的具有奇异电磁特性的人工复合结构。它既是一种材料形态，更是一种材料设计理念，为科学研究、工程设计和方法论带来了变革并提供了一种新途径。由于其灵活的三维各向异性结构和排列方式选择，超材料展现出强大的电磁波操控能力。但另外，超材料也不可避免地面临体积大、损耗高和加工复杂等问题。

梯度超表面(后面简称超表面，区别于均匀超表面)是指由系列不同结构和方位参数的亚波长单元排列而成，具有特定电磁功能的超薄结构。其核心工作机理在于结构与电磁波相互作用产生了突变相位，不需要像传统材料那样依赖实际传输路径来积累相位，因此具有损耗小、效率高、厚度薄、电磁波调控能力强且结构和排列灵活多样等优点，近年来受到国际研究人员的青睐和广泛关注。自从Capasso基于超表面发现了广义折射定律以来[2]，该领域研究进展日新月异，开辟了人们控制电磁波和光的全新途径，产生了诸多深层次技术革新[3]，超表面研究也因此成为超材料研究的重要分支和研究热点[4–9]。

随着装备和未来通信技术的发展，电磁集成技术成为未来电磁器件及小型化系统的重要发展趋势。近年来，围绕超表面开展新、多功能电磁集成器件的研究方兴未艾。目前，超表面多功能集成主要通过激励电磁波信息(如频率、极化、方向和入射角等)和出射电磁波空间位置信息(如距离、方向、立体角和方位角)两种编码方式来实现超表面多功能集成。由于多功能超表面是指一类具有多种集成功能属性超表面的泛称，不能对该类超表面进行详细具体分类，亟需以统一的信息维度来归纳。本文率先提出以激励电磁波的频率元、极化元、方向元和角度元以及出射电磁波的位置元等一元、二元甚至多元组合编码多功能集成超表面为线索，详细归类总结该领域的研究进展和设计方法，获得多功能集成超表面清晰的研究脉络和发展路线，然后对多功能电磁超表面未来可能的发展方向进行了展望，旨在为多功能电磁超表面研究提供新思路。

2 基于一元电磁信息编码的多功能集成超表面

2.1 出射波空间位置元多功能集成超表面

为实现多功能集成，人们最初提出基于出射波空间距离、立体角和方位角等位置信息元编码的超表面，也称“组合”策略，即先基于出射波的不同位置对各功能所需要的相位分布进行单独设计，然后将实现独立相位和功能分布的非均匀结构通过精心设计巧妙交叉镶嵌组合在一块超表面中。如图1(a)所示，通过集成不同旋向、成像面和出射角度编码来对不同全息图像的相位分布进行精心设计可以实现双功能全息成像[10]。如图1(b)所示，超表面分别在出射波的两个不同空间位置处呈现出“花朵”和“蜜蜂”全息图像，实现了反射双功能集成[11]。如图1(c)所示，通过分别在正交旋向电磁波激励下设计两套PB (Pancharatnam-Berry)相位分布，然后将两套独立相位集成于一块板子上，实现了具有旋向选择的全息成像和涡旋波束集成[12]。图1(d)表明将圆形超表面分割成几个不同环形区域，通过在不同区域编码不同相位分布，可以在出射波不同聚焦面上实现具有不同拓扑荷的轨道角动量[13]。Maguid等人[14]基于几何相位和共享口径阵列方法报道了多涡旋波束，如图1(e)所示，通过不同谐波阶数通道实现了3对携带非对称拓扑荷的涡旋波束，并将谐波共享口径方法与交叉阵列共享口径方法进行了对比，结果表明前者不受功能容量限制但功能灵活度受限。除此之外，位置元多功能方法进一步往多尺度(任意极化、入射角度和波长)研究方向发展，以缓解位置元之间的功能耦合[15,16]。基于位置元集成的设计方法虽然简单直接，但要求单元结构简单、尺寸电小、能量高度局域，从而避免结构之间重叠和功能互耦和串扰(恶化信噪比)，因此高介电常数基板是保证超表面一定工作效率的关键，如图1(a)中采用的便是高介电常数的立体金属柱。另外，由于信噪比与功能通道数量成反比，理论上限制了位置元集成超表面功能通道数量，制约了其发展和实际工程应用。

位置元多功能集成超表面的另一研究方向是基于出射波的传输方向来编码，随着研究的深入，Xu等人[17,18]分别在传输、反射2个方向将不同功能进行编码集成，实现了集成透反射阵以及全空间电磁调控，实现了以方向信息编码多功能的新途径。由于基于出射波传输方向编码的多功能集成超表面多数基于不同频率和极化，所以本文也将其归为极化元和频率元多功能超表面进行讨论。

2.2 极化元多功能集成超表面

图1 基于出射波不同空间位置信息编码的多功能集成超表面Fig.1 Multifunctional metasurfaces based on position multiplexing of output wave

极化是记录电磁波的重要信息之一，早期超表面多功能电磁调控主要集中体现在极化元道信息编码上[19,20]。研究表明，各向异性单元能够对不同极化的电磁波产生不同的电磁响应，即各向异性双折射效应[21]。因此，可以通过编码极化信息来实现双功能集成。基于该发现，线极化波激发下的反射型双功能集成超表面率先被报道[19,22–26]，如图2(a)和图2(b)所示，其核心思想在于假设正交极化下超表面单元的相位响应可以独立调控而互不影响，且没有极化串扰，因此可以分别通过改变两个正交方向上单元的长度lx和ly使单元具有不同的反射相位φx(x)和φy(y)，而x极化波下改变y方向长度所引起的相位φy(x)和y极化波下改变x方向长度所引起的相位φx(y)为零或者可忽略不计。近期，Cui等人[26]基于场可编程门阵列技术和变容二极管实现了x极化波和y极化波的实时操控，如图2(c)所示。与反射双功能超表面进展几乎并行，基于极化的透、反射双功能超表面也被设计出来[18]，如图2(d)所示，其实现较反射双功能要复杂，因为不仅要同时实现透射幅度近1且360º透射相位覆盖，还要兼顾正交极化下360º反射相位覆盖和透、反射模式隔离。

图2 基于线极化元编码的多功能集成超表面Fig.2 Multifunctional metasurfaces based on polarization multiplexing of incoming wave under linear polarizations

相比于线极化波双功能，圆极化波(旋向)双功能超表面研究进展较为滞后[27–40]，因为常规结构在左旋和右旋圆极化波下呈现的正负相位关系天然锁定，功能也被完全限制。突破该瓶颈的核心机理在于同时引入传输相位和几何相位来理论合成左旋和右旋通道下的相位，实现左旋和右旋相位的解耦，从而最终打破该固有限制[20]，如图3(a)所示。Xu等人[27]建立了圆极化通道功能相位与正交线极化串扰之间的理论关系，发现线极化串扰会严重降低旋向功能效率，并最终实现了聚焦与波束偏折在旋向通道上的高效率集成，如图3(b)所示。近期，基于旋向解耦思想的旋向各异非等幅度多波束[28]、旋向各异传输波与表面波操控也被报道出来[29]，且旋向解耦也进一步从反射拓展到透射领域[30]。

Fan等人[31]基于极化干涉机制和双折射波片实现了旋向通道的输出幅度解耦，甚至在任意2个正交极化通道下实现2套独立输出幅度分布，如图3(c)所示，其核心思想在于构建由2个不同结构参数单元构成的2×2超单元，使其满足任意幅度所需要的局部相位干涉条件，再次复现了旋向相位解耦的思路和方法。Yuan等人[32]在旋向相位解耦思想的基础上引入手性相关相位，通过多层单元之间的相对旋转，使得左旋波和右旋波激发下的同极化输出波具有不同的相位响应，最终获得了4套独立相位和功能，如图3(d)所示。

图3 基于圆极化波旋向元编码的多功能集成超表面Fig.3 Spin-multiplexed multifunctional metasurfaces under two orthogonal Circularly-Polarized (CP) wave channels

旋向双功能的另一个发展方向是基于非对称传输或反射来抑制一个旋向而使另一个旋向的传输或反射效率达到100%。其中通过手性结构控制不同旋向圆极化波的电磁响应是一种代表性方法，即选择性吸收一种旋向圆极化波，而全反射/透射另一种旋向圆极化波[33,34]，如图3(e)所示，该方法通过全局旋转可用于几何相位多功能超表面设计[35,36]。Xu等人[37]提出了相位干涉思路，通过共面双同轴开口环谐振器构建了局部传输相位和几何相位，建立了圆极化波二向色性的相消和相长干涉条件与具有旋向选择的任意多元复杂波前调控方法，实现了左旋圆极化波的吸收，右旋圆极化波的全反射，而通过对右旋圆极化波施加全局几何相位可进行独立相位调控，实验验证了圆极化波激励下基于旋向选择的左旋光贝塞尔波束和右旋光低雷达散射横截面，以及线极化波激励下基于频率选择的二波束和四波束多涡旋轨道角动量，其中涡旋阶数和波束偏折角度均可调控，如图3(f)所示。Li等人[38]提出通过调控两个正交旋向手性单元的结构参数可以在连续波段内调控超表面的工作波长、幅度和相位，显著提升了调控深度。旋向电磁调控还被推广到全空间，与方向元编码多功能耦合在一起，如Cai等人[39]在两个旋向下同时实现了透/反射电磁波前调控，Yang等人[40]利用级联超表面在低频、高频分别实现了圆极化透射和线极化反射波前调控。

综上，尽管在正交极化通道上编码不同功能的相位可以实现预定的双/三功能集成，但上述方法存在两个瓶颈问题：(1)大部分设计都假定没有极化串扰，但事实上不同极化通道下的极化串扰问题比较突出，影响了超表面功能的集成工作效率。(2)单个极化元调控自由度非常有限，仅局限于两个正交极化通道，使得超表面所加载功能信息通道数目依然有限，难以满足高容量通信需求。

2.3 频率元多功能集成超表面

图4 基于频率元编码的多功能集成超表面Fig.4 Multifunctional metasurfaces based on frequency multiplexing

频率元多功能集成超表面设计的核心思想是在完全分离的不同频段独立加载幅度、相位信息，从而实现特定功能集成。目前，基于频率元的多功能集成主要是采用优化合成法、多层耦合法和多模谐振法。Aeita等人[41]通过平面多个耦合谐振在特定3个离散频率处实现了无色差透镜，合成的相位抵消了常规频率色散，开创了消色差器件设计的先河，如图4(a)所示，但基于大量参数扫描和优化方法寻找同时满足3频段特定相位分布的透镜阵列非常低效耗时，难于推广。Huang等人[42]通过在垂直方向上堆叠两层工作于7.8～15 GHz和25 GHz两个不同频段的单元结构实现了RCS减缩和奇异波束偏折双功能集成。Xu等人[43]通过共面多模谐振器和双层耦合共振产生了多个劈裂谐振模式，通过调控多模式的位置使相位色散近似线性，从而获得了多频漫反射隐身，同时多模工作不仅使得带宽和相位覆盖范围增大，也为相位调控提供了更多自由度，如图4(b)所示。Avayu等人[44]设计了由3层不同金属片构成的超表面单元，每层金属片结构经过优化设计后可以独立控制一种颜色的光，从而实现多个不同全息图像的集成，如图4(c)所示。Huang等人[45]受仿生学启发，模拟飞蛾眼睛的双层结构同时在微波和光波段实现了全波段电磁吸波，且具有自适应和防水特性，如图4(d)所示。除多层体系外，单层内排布多个工作于不同频率处的谐振结构也是编码多功能超表面的主流方法。Bai等人[46]在亚波长范围内巧妙地集成了由3个谐振器组成的单层反射超表面单元，在3个频率通道下实现了电磁波的独立操纵，如图4(e)所示。该方案不仅适用于微波段，而且在更高频段的多功能超表面设计中广泛应用。Wang等人[47]通过在单层超表面单元上排布3种不同的迷你型介质结构在光波段实现了对红、蓝和绿3种光的波前调控，如图4(f)所示。Xie等人[48]在单层结构中同心排列2个半径不同的开口环谐振器，中间通过闭合环隔离，通过独立改变2个开口环的长度和方位旋转角在2个频段内实现了独立幅度和相位调控以及不同全息功能，如图4(g)所示。Liu等人[49]基于开关二极管可重构调控超表面不仅在不同频段分别实现了线极化波到左旋和右旋圆极化波的转换，还通过实时调控在线极化电磁波沿45º极化时实现了不同电磁功能的空间集成。

综上，频率元虽然不失为编码多功能的好载体，但目前多频工作均集中于模式产生和模式幅度调控，很少进一步基于模式进行相位和功能调控，使得真正频率元多功能超表面研究凤毛麟角，零散不成系统，亟需进行深入研究并系统建立频率元功能的设计原理方法，尤其是多频相位独立设计和控制。另外，频率多功能超表面要求每个工作频段不能距离太近，避免各模式之间的相位串扰，从而保持工作效率，故基于单独频率元提供的功能通道非常有限，目前已报道工作中最多能实现三功能集成。因此，要空前提高功能信道容量，必须进一步研究多元组合的多功能设计方法。

2.4 角度元多功能集成超表面

2017年，加州理工大学Kamali等人[50]提出了基于入射电磁波的角度来编码的角度多元超表面，通过特殊设计U型谐振器单元使其在0°和30°入射角下产生不同的谐振模式和电磁响应，从而改变了角度色散特性，最终在2个特定角度下实现了多功能超表面，即随角度变化的全息图像(“Caltech”和“LMI”)，如图5(a)所示。虽然最终超表面只能在0°和30°两个入射角度上编码不同的全息相位，且2个特定角度下全息所需的2套相位均根据大量数据扫参近似得到，但这已代表该领域的重大突破，标志着入射角域信息可以作为载波通道来编码功能信息。Zhou等人[51,52]研究了角度散射理论，发现超表面的色散由单元的近场耦合和辐射方向图决定，如图5(b)所示，基于该发现通过合理控制角度色散实现了角度选择吸波体和角度选择超极化器，但均为特定功能的连续调控，很难实现功能突变。

角度电磁调控的另一个方向是基于空间超表面序构，即重构超表面的空间排列方式，相当于改变电磁波的入射角，也可以归为角度编码超表面。因此，通过剪纸和折纸方法调控超表面的空间序构也可以实现多功能集成。折纸和剪纸方法是将二维平面材料(如纸张)转化为三维空间结构的艺术方式，其本质是通过折叠使得平面材料某些点具有非零高斯曲率。近期，Li等人[53]基于传统的折纸方法实现了一款多功能超表面，通过折纸方式调节折叠角可以实现吸波器、镜面反射器和逆向反射器3种不同功能之间的切换，如图5(c)所示。Le等人[54]采用不同的剪纸模式重构空间角，在3个不同频段上实现了极化控制的多功能集成超表面。如图5(d)所示，通过改变剪纸的折叠角，实现了反射器、频率选择传输和极化选择吸波3种功能之间的切换。空间折叠角的引入不仅增加了调控的自由度，而且将多功能超表面从静态转换为动态可调，拓展了超表面的应用范围。综上，无论是基于平面还是空间序构角度超表面，都面临着功能调控受限等瓶颈，且平面角度超表面的调控机制和设计依据仍然不清楚，而空间序构多功能超表面集成基本依赖手动式机械调谐，不可避免的人工误差严重影响了超表面调控精度和效率。因此，迫切需要系统研究角度调控设计理论方法和开展基于机器学习的智能可调角度超表面研究。

2.5 方向元多功能集成超表面

图5 基于角度元编码的多功能集成超表面Fig.5 Multifunctional metasurfaces based on incident angle multiplexing

图6 双面像超表面概念及示意图Fig.6 Schematic diagram of the concept of Janus metasurface

方向元多功能集成超表面的方向选择功能可用双面神的两个不同面像来比拟，双面神(god Janus)源自罗马神话，代表能看往过去和未来的两个面。该概念后来被延伸到二维材料[55,56]和超表面设计中[57,58]，但均局限于同一面内、工作于不同极化上的两种单元以及基于此引发的两种功能，与双面神的两个不同面有本质区别，并不是真正意义上的双面像超表面。直到最近，东南大学Zhang等人[59]，南京大学Chen等人[60]以及空军工程大学Zhang等人[61]分别在线极化波和圆极化波激发下基于非对称手性超表面在前向和后向两个方向上实现了两个不同透射或反射功能，双面像超表面的原型才得以最终确立。如图6(a)所示，Zhang等人通过采用多层各向异性结构实现了x极化透射相位和y极化反射相位的独立调控，最后通过方向编码实现了三功能集成，其中反射波前调控在前向和后向入射是非对称的，为反射双面像[59]。Chen等人[60]通过3层旋转角度不同的开口环结构在线极化波激励下实现了前、后向入射的非对称性传输，复制该单元并旋转90°再与原单元合成构建新的双面像单元，通过独立调整子单元的结构参数，在电磁波前向和后向入射时分别实现了“F”和“B”形的全息图像，如图6(b)所示。Zhang等人[61]受频率选择表面带通或带阻滤波特性启发，通过设计频率选择层，在8 GHz和12 GHz处分别实现了圆极化波反射和透射相位的独立操纵，超表面单元由3层金属结构组成，中间圆形开槽结构起频率选择作用，两侧开口环谐振器和改进“H”结构分别用来调控反射和透射相位，且两侧开口环谐振器可以独立操控实现非对称反射双面像，最终实现了反射奇异偏折、聚焦和透射涡旋波束，如图6(c)所示。

可以看出，双面像超表面的2个基本特征在于：(1)不同功能发生在前、后入射方向上，属于双向通道编码多功能领域；(2)超表面为基于梯度相位的非均匀超表面，不同于以往非对称传输的均匀超表面只能调控传输幅度，不能调控波前。双面像超表面通过巧妙电磁设计，很容易实现非互易电磁特性，在雷达非对称识别、探测、隐身以及双工器、通信天线收发一体领域具有重要应用前景。

2.6 小结

至此，基于上述位置元、极化元、频率元、角度元和方向元信息的一元无源多功能超表面电磁调控均已被报道。尽管如此，通过在正交极化通道上或不同频谱通道上加载不同功能相位从而最终实现预定的双/三功能存在以下2个突出问题：一是极化双通道调控的极化串扰以及频率多通道相位的非线性色散使得双/三功能效率下降，功能失真；二是操控的功能数量、自由度仍然非常有限，没有实现资源最大利用率，在复杂、深度电磁操控领域面临重大挑战，仍远不能满足国防武器装备和现代通信系统对灵活多样功能调控、超高集成、超大编码信息容量和超高性能的重大需求，迫切需要新方法、新机制来突破已有功能瓶颈。如何继续深层次提高超表面的信息容量以及工作效率是复杂、深度电磁操控领域需要解决的关键科学问题。另外，借助相控阵雷达理念，一元可调编码超表面通过T/R组件控制电路、现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和数字信号处理等器件虽然在不同时间域对空间辐射/散射波束指向进行实时操控和波束扫描，一定程度上形成了多个通道，但这种调控方式面临一个重要瓶颈，即波束覆盖范围受限，很难突破±60°，几乎不能实现全空间覆盖，这严重制约了雷达的观测范围，具有很大的盲区。因此，如何提高超表面的波束覆盖范围是国防领域急需解决的关键技术难题。

3 基于二元或多元电磁信息编码的多功能集成超表面

虽然一元多功能超表面设计方法可以提供多个信息通道，但是所实现的多功能超表面仅仅在单一方向激励下工作(如电磁波沿+z或–z方向入射)，而留下另外一个激励方向未被挖掘，导致基于单一信息元编码多功能的信道容量受到极大限制。随着超表面领域的快速发展，近年来基于上述信息元组合的二元、多元集成编码超表面被零星报道，有望进一步拓展超表面信息通道和容量，开启了多元集成超表面研究，如极化-方向二元、旋向-频率二元、极化-频率二元以及旋向-频率-波矢多元集成超表面等。

在极化-方向二元集成超表面研究方面[59–63]，方向元的引入对进一步增加信道通量发挥重要作用。采用与文献[59]类似的方法，Luan等人[63]实现了四功能集成，进一步证明了该方法的可行性。Jin等人[64]提出了旋向-频率二元编码，并利用2个旋向(左旋和右旋圆极化)在红、绿和蓝3个光波段实现了6-bit编码的多功能全息成像超表面，如图7(a)所示。Wang等人[65]通过由4个不同C形谐振器组成超单元(编号为1,2,3和4)，提出了极化-频率二元编码，如图7(b)所示，其核心思想在于4个C形谐振器可以在不同极化和频率独立工作，即当x极化波入射时，子单元1,2工作，而3,4不工作；当极化方向旋转45°后，3,4工作而1,2不工作，1,4工作于0.6 THz而2,3工作于0.8 THz，最终巧妙组合实现了极化-频率调控的4通道全息图像。除二元编码外，多元调控方法对增加功能信息通道有着更加显著的效果。为拓展自由度，Xu等人[66]提出了旋向-频率-波矢多元方法，如图7(c)所示，单元由工作于不同频率的双层棋盘排列的开口谐振环和十字金属贴片组成，通过抑制不同模式之间的耦合，单元可独立工作于两个完全分离的频段，同时通过对十字贴片的几何相位和动态相位合成，固有正负旋向相位关系被打破，再通过在不同频率和不同解耦旋向通道上编码多波矢实现了10通道复杂波前集成，极大释放了调控自由度。

图7 基于二元、多元电磁信息编码的多功能集成超表面Fig.7 Multifunctional metasurfaces based on binary-and triple-information multiplexing

综上，基于二元和多元方法的集成编码多功能超表面大部分超表面仅工作于半空间区域，即使通过方向元实现了超表面全空间电磁调控，最终也仍未打破对称性传输，目前尚未见有关多元双面像超表面混合编码的相关报道，尤其是多元透射双面像以及多元集成透、反射双面像，且一元反射双面像和一元透射双面像的实现方法极度匮乏，亟需探索更多新机制、新方法来实现。另外，亟需建立系统的研究方法，尤其是研究多元双面像功能信息通道数量的理论限制，同时多元双面像超表面预示着很多新的物理现象和某些特殊的物理规律等待发掘。

4 多功能电磁超表面展望

4.1 多元双面像多功能集成超表面

将双面像超表面与极化元、频率元、位置元和角度元磁信息编码结合的多元双面像有望解决一元多功能超表面方法面临的挑战。如图8所示[67]，F1—F6表示不同功能，其中F1—F4表示反射功能，F5和F6表示前向和后向透射功能。该双面像超表面在不同频率、极化或角度上实现了完全独立的前向、后向、透射和反射功能，功能多样性、通道数量和调控自由度得到显著提升。假设m,n,g,j,k分别表示上述各一元信息的通道数量，简单计算可知多元信息混合编码超表面的最大通道数量为m×n×g×j×k。由此，多元双面像多功能超表面能空前提升一元电磁信息多功能超表面的电磁调控自由度、深度和复杂度，对发现新物理、突破功能器件和阵列天线的功能信道容量和功能集成度具有重要科学意义，在国防武器装备雷达、通信领域具有重要工程应用价值，如图9所示。

首先，将超表面的频率元、极化元、位置元信息与双面像进行混合编码和调制，可望突破反射或透射域的半空间波束调控范围，最终实现全空间电磁调控并进一步拓展相控阵雷达天线的波束扫描覆盖范围。其次，由于多元双面像超表面可以调控灵活多样的电磁散射功能，呈现不同的非对称雷达目标散射特征，将该超表面加装或赋形于需要隐身的重要军事目标，对不同面的观察者可望产生不同的幻觉信号来制造假象，从而达到非对称幻觉隐身。最后，由于在一块板子上集成了多个功能，无需级联多个器件，射频设备的体积和重量将显著减小，最终实现机载弹载设备的集成化、小型化，具有可观的工程实用价值。

图8 多元双面像超表面概念及功能示意图[67]Fig.8 Schematic diagram of the concept and function of Janus multiplexing metasurface[67]

图9 开展多元双面像超表面研究的科学意义和潜在工程实用价值Fig.9 The scientific significance and potential engineering value of the research on Janus multiplexing metasurface

总之，双面像超表面的组合元越多，自由度越大，电磁超表面调控的灵活度就越高。更重要的是如果将所有自由度结合在一起，通过动态改变入射条件和出射波检测位置，超表面可以根据需求实时呈现预定电磁功能，这是多功能超表面发展的最终目标，也是研究人员未来继续努力的重要方向。然而，多元编码超表面研究目前仍然处于初步阶段，更复杂组合方式的理论极限(由信噪比决定)、实现和新机理有待进一步研究。

4.2 时空编码与智能感知多功能集成超表面

目前，多功能电磁超表面的相位分布均在无源情形下基于空间结构参数变化的空间相位编码来实现，但器件一旦制备，其功能被固化，要想重新定制电磁功能必须重新设计结构参数，通常效率低、可复用性差，难以实时操控电磁波。基于可调技术的实时相位操控来实现多功能成为未来的重要发展趋势[8,9,68–70]。但绝大多数可调超表面只关注空间相位调控，忽略了频谱调控。而时间编码可控制电磁波的频谱分布，若将空间相位和时间相位编码结合起来不但可调控电磁波束的空间分布，还可操控频谱分布并极大地增加信息容量[71]，因此基于时空编码的可编程超表面将是未来多功能超表面的重要发展方向。多功能集成超表面的另一个重要发展方向是智能感知超表面[72]，通过机器学习快速地感知并动态适应复杂环境变化和外界刺激，在现实工程中具有广阔应用前景。