电磁超表面与信息超表面

张磊 陈晓晴 郑熠宁 崔铁军

（1. 东南大学 毫米波国家重点实验室，南京 210096；2. 东南大学 电磁空间科学与技术研究院，南京 210096）

引 言

伴随着现代社会信息化和智能化进程，电磁波在电子信息、通信、雷达、生物医疗等领域扮演着越发重要的角色，而如何更加自由调控和有效利用电磁波是科学家和工程师们努力探索的方向. 兴起于21 世纪初的电磁超材料，主要研究电磁波与物质和结构的相互作用，作为一个多学科交叉的研究方向，它为学者们带来了调控电磁波的新思路. 电磁超材料(Metamaterials) 是一个复合词， 由“Meta”和“material”组成. “Meta”在希腊语中有“超出”的意思，所以Metamaterials 直译为超材料，它还有更容易理解的中文称谓“新型人工电磁材料”. 自然界中的天然材料由分子或原子等微观粒子所构成，当电磁波与这些天然材料相互作用时，会受到天然材料本身固有电磁参数的限制. 而电磁超材料与天然材料的区别在于：它用宏观尺寸的亚波长单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)；它是将具有特定几何结构的宏观单元(通常小于四分之一波长)进行周期或非周期性的排列，并在基体材料内部或者表面与电磁波相互作用的一种人工材料[1]，拥有一些天然材料无法实现的电磁波调控能力.

超材料最初是以“左手材料”和“双负媒质”的名称为人所知. 在1967 年，前苏联物理学家Viktor Veselago 教授发表了一篇俄语论文，首次提出了左手材料的概念，即介电常数ε 和磁导率μ均为负的材料. 这篇论文于1968 年被翻译成英文发表[2]，Veselago教授在该论文中系统地分析了双负媒质中电磁波的传播特性，理论预测了双负媒质可用于实现负折射、逆多普勒效应、后向波传输、后向切伦科夫辐射等现象.

目前，超材料的理论与设计已经成功应用于多个领域，彻底改变了人们对电磁波调控的传统理念，实现了众多新奇的物理现象和功能器件. 下面本文将首先简要介绍电磁超材料与超表面的研究进展，接着介绍可调超表面与可重构超表面、时空调制超表面与器件，以及数字编码与可编程信息超表面的发展过程和代表性研究成果，最后对信息超表面存在的挑战和未来发展趋势进行了讨论.

1 电磁超材料与超表面

Pendry 爵士的这一系列开创性工作为超材料的发展做出了奠基性的贡献，引起了国际上学者们的密切追踪，也使得超材料在21 世纪初开始受到广泛的关注. 2000 年，任职于美国加州大学圣地亚哥分校的David R. Smith 教授等人在之前Pendry 爵士工作的基础上，通过将金属细线和开口谐振环相结合，在微波段实现了一种同时具备负介电常数和负磁导率的复合左手材料，并进行了实验验证[5]. 在同一年，Pendry 爵士提出了一种基于超材料的完美透镜[6]，这是一种利用超材料实现的独特功能，填补了超材料在应用上的空白. 2001 年，Smith 教授与其同事们又在世界顶级期刊《Science》上发表论文，在之前工作的基础上首次实验证实了基于超材料的负折射现象[7]，如图1(a)所示.

图1 电磁超材料的经典应用Fig. 1 Classical applications of electromagnetic metamaterials

2006 年5 月，Pendry 爵士和苏格兰的Leonhardt教授同期在《Science》刊出论文，提出了“变换光学”理论[9-10]，即可以通过设计超材料让电磁波按照指定的路径传播，进而实现对电磁波的任意调控. 变换光学是一个具有划时代意义的工作，此后超材料的概念不再是单一的左手材料，它也为超材料研究领域带来了隐身衣这一引人注目的应用. 2006 年11 月，Smith教授团队在《Science》上发表论文，首次在微波段实现了一种二维柱体形式的隐身衣[8]. 如图1(b)所示，借助变换光学理论，隐身衣可以引导电磁波转向，绕过目标物体，防止物体被电磁波发现. 这项突破性的工作被《Science》评为2006 年的世界十大科技进展之一. 然而Smith 教授等人设计的二维隐身衣具有工作频带窄、损耗大、隐身效果不明显等缺点. 2009年，东南大学崔铁军教授团队与在杜克大学任职的Smith 教授合作，在微波段设计了一款宽带的二维地毯式隐身衣[11]，对地面目标实现了出色的隐身效果，并具有极低的损耗和宽带的特性. 除了隐身衣之外，变换光学在之后的几年里也被广泛地研究用于实现幻觉光学器件、新型龙伯透镜、超分辨率成像等[12].

上文提到的电磁超材料都是三维结构，体积和重量较大，不易于集成，通常具有频带窄、损耗大等缺陷. 在一些空间有限和高集成度需求的条件下，超材料的应用就十分受限. 为了减少超材料的厚度及构造复杂性，二维平面形式的超表面(Metasurfaces)也被广泛地研究用于调控电磁波[13]. 超表面可以看作是三维超材料的二维等效形式，由亚波长尺寸的人工单元在二维平面或曲面上进行周期或非周期性排列，纵向尺寸远小于波长，因此重量和体积都很大程度上缩减，且造价低、损耗小，便于系统集成设计.

电磁超表面，英文名为“Metasurfaces”，也称新型人工电磁表面. 实际上，最早人工电磁表面的研究可以追溯到1999 年，美国加州大学圣地亚哥分校的Daniel F. Sievenpiper 教授提出了著名的蘑菇型结构高阻抗表面(high impedance surface, HIS)[14]，这是一种二维平面的电磁带隙(electromagnetic band gap,EBG)结构，可以通过改变蘑菇型结构单元的几何尺寸来调整所对应的色散曲线. 对于传统的三维电磁超材料，可以用等效媒质参数(介电常数和磁导率)来描述材料的电磁特性，但是由于超表面在纵向方向上的尺寸远远小于波长，传统等效媒质参数不再适用于分析超表面. 针对电磁超表面的二维结构特性，近些年有研究人员陆续提出广义表面转换条件[15]、巴比涅互补原理[16]、表面阻抗[17]、广义斯涅耳定律[18]、惠更斯表面[19]等方法来对超表面进行分析和建模.

2011 年，哈佛大学Federico Capasso 教授团队提出了广义斯涅耳定律[18]，通过改变单元结构尺寸在界面处引入相位突变，从而高效地调控电磁波前，如图2(a)所示. 广义斯涅耳定律的提出极大地推动了超表面的发展，之后相关的研究工作如雨后春笋一般爆发，覆盖了微波、太赫兹、可见光、甚至声波等领域[20]. 2012 年4 月，复旦大学周磊教授团队利用H 型单元结构设计了一款梯度相位反射式超表面，首次利用超表面将空间波高效地转换为表面波[21]，如图2(b)所示. 另外，几何相位超表面也被广泛地研究于调控圆极化波[22]，利用结构相同的单元旋转一定的角度来产生相位突变，用于调控电磁波前，可实现涡旋波束、全息成像、平面透镜等应用. 超表面也被广泛地设计用于控制电磁波的极化，美国Los Alamos国家实验室的Hou-Tong Chen 团队在2013 年5 月提出了一款具有波束偏转功能的超表面线极化转换器[23]，如图2(c)所示，X 极化的垂直入射波在经过所设计的多层超表面之后，其极化方向变为Y 极化，并且传播方向偏折一定角度. 为了减少透射式超表面的反射，提高透射效率，美国密歇根大学的Anthony Grbic 教授团队借助电磁学中的惠更斯原理来设计超表面，在2013 年5 月提出了惠更斯表面的概念[19].这种惠更斯超表面由一层电响应结构和一层磁响应结构组成，这样的电磁响应结构能够实现任意透射幅度和相位，从而能够以近乎100%的效率实现对透射波的偏折和聚焦等功能.

图2 电磁超表面的代表性应用Fig. 2 Representative applications of electromagnetic metasurfaces

近十年来，电磁超表面凭借其独特的优势吸引了各个领域学者们的密切追踪，被大量地研究用于控制电磁波的幅度、相位、极化、频率等波前特征，产生了丰富多彩的应用[20]. 图3(a)展示了基于超表面的光学全息成像[24]，图3(b)展示了基于超表面的光学非线性响应[25]，图3(c)展示一种基于超表面的超薄光学平面透镜[26]. 一些基于超表面的代表性应用还包括涡旋光束生成、非对称传输、光子自旋霍尔效应、太赫兹波幅相独立调控、柔性共形的介质超表面以及超表面隐身衣等[20].

图3 电磁超表面在光学领域的应用Fig. 3 Applications of electromagnetic metasurfaces in optics

总之，电磁超材料与超表面是一个多学科交叉的研究方向，它涉及了物理、化学、材料、电子和信息等多领域，产生了许多令人惊奇的现象及器件，在国际上已经成为了一项备受关注的技术.

根据课程标准、教学大纲、学生的学习状况，把教学目标分为知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观3个方面[1]。

2 可调超表面与可重构超表面

一般的“无源超材料和超表面”都是具有固定的拓扑几何结构，也就是说，超材料和超表面的物理结构一旦加工成形，就只能实现某种特定的功能，无法按照需求实时改变. 而在一些实际应用场景中，通常需要超表面能够实时切换不同的功能，因此“有源超材料和超表面”引起了学者们的广泛关注[27]，它主要包括两种概念：“可调”和“可重构”. 在超表面上集成一些有源器件(如开关二极管、变容二极管等半导体器件) 或者可调节的材料(二氧化钒、石墨烯等)，通过改变外部激励信号，一款固定形式的超材料或超表面可以呈现动态可调或可重构的功能特性.

2003 年，Sievenpiper 教授等人在提出了著名的蘑菇型结构HIS 之后，又在微波段提出了一种加载变容二极管的HIS[28]，通过改变偏置电压，在馈源天线的照射下HIS 可实现在二维平面内进行波束偏折.2006 年，美国Los Alamos 国家实验室的Hou-Tong Chen 团队首次在太赫兹波段设计了一款电可调的超表面(如图4(a)所示)[29]，调控超表面在谐振频率处的透射率，调制深度达到50%. 以上两个早期具有代表性的有源超表面工作为后面学者们的研究给予了很好的启发.

随着电子、半导体、材料和机械控制等领域技术的快速发展，有源超表面实现动态调控的方式越来越多，主要的调控手段可分为电可调、机械可调、热可调、光可调. 电可调超表面在设计中引入一些电可控的材料或元件，通过加载电信号来改变材料或元件的特性，从而实现电可调的超表面. 在微波频段，开关二极管、变容二极管等元件经常被用于设计有源超表面，通过外部电压来控制二极管的状态，实现动态可调的功能，具有较快的调制速率[28]. 但是在更高频率，太赫兹、可见光以及红外波段，没有成熟的商用二极管等元件可以使用. 因此，液晶(如图4(b)所示)[30]、石墨烯(如图4(c)所示)[31]、氧化铟锡(indium tin oxide, ITO)(如图4(d)所示)[32]等材料在高频段被广泛研究用于设计电可调超表面.

图4 几种电可调超表面Fig. 4 Electrically tunable metasurfaces

机械可调超表面通过机械的方式来调节超表面单元的结构形状或排布，从而实现动态可调的电磁功能. 比较常见的手段是利用微机电系统(microelectro-mechanical system, MEMS)(如图5(a) 所示)[33]、微流体(如图5(b)所示)[34]、压电和磁电材料、柔性可拉伸介质等技术来设计超表面. 这种机械的方式来实现可调超表面的调制范围较宽，但是其调制速率受限，整体尺寸较大. 热可调超表面一般是采用对温度有响应的材料实现可调，例如钛酸锶(图5(c)所示)[35]、二氧化钒(VO2)、锗锑碲化物(GST) 等材料，这些材料在不同温度的控制下材料特性会发生变化.这种热调控方式无需物理接触，但是一般调制速率较慢. 光可调超表面一般采用的是光敏材料、半导体器件或者纳米复合材料[36]. 通过改变入射光的强度来改变材料或者半导体器件的状态，实现动态可调，如图5(d)所示. 光可调超表面也无需物理接触，调制速率快，但调制范围有限，调控精度差.

图5 机械、温度、光可调超表面Fig. 5 Mechanically, thermally and optically tunable metasurfaces

总之，有源超表面极大地扩充了无源超表面的功能性，可以在不同的应用场合按照需求来动态切换. 但有源超表面的性能往往受到可调器件或材料的限制，如何实现增大调控范围、提高调制速率、降低结构复杂度及损耗、增加工作带宽，是有源超表面在未来亟需解决的问题，这也是研究者们一直以来探索的方向.

3 时空调制超表面与器件

最初提出的超材料与超表面都是针对电磁波的空间调制，例如梯度折射率超材料和梯度相位超表面，都是在超表面的空间上引入突变，在空间域调控电磁波. 近两年来，时间调制与时空调制超表面引发了研究热潮，通过控制超表面的表征参数(如介电常数、磁导率、电导率、阻抗等)在空间域和时间域的变化规律，产生了许多传统空间调制超表面无法实现的新奇物理现象[37]. 由于时变参数的引入，时空调制超表面极大地扩充了超表面的应用范围，产生了许多新奇的器件和物理现象，例如非互易效应[38-42]、打破时间反演对称[42]、光学隔离[41]、全双工系统[43]、谐波波束控制、频率转换[41]、多普勒隐身欺骗等.

下面简要介绍几个代表性工作来展示时空调制超表面与器件的应用. 2009 年，美国斯坦福大学的Shanhui Fan 教授团队提出了一种基于时空调制参数的环形器结构，实现了非互易的光学隔离[38]. 2013年，美国学者Andrea Alù等人设计了一种环形谐振结构，其介电常数或者加载的可变电容按照相应的时变函数调制，实现了一种角动量驱动的非互易超材料器件[39]. 2015 年9 月，Alù等人从理论上提出了时空梯度超表面的概念，通过引入时变的阻抗调制，实现了一种非互易的电磁诱导透明现象[40]. 同年10月，美国普渡大学Shaltout 等人从理论上提出了时变超表面的概念(如图6(a)所示)[41]，引入时间梯度相位不连续后不再受光子能量守恒的约束，时间梯度调制可以控制法向动量分量，利用这种时间梯度来打破互易性和时间反演对称，可用于设计光学隔离器件. 2016 年3 月，Alù教授等人设计了一款基于变容二极管的时空调制漏波天线表面结构[42]，从实验的角度打破了时间反演对称，实现了非互易的接收和发射特性. 2017 年2 月，加拿大蒙特利尔理工学院的Christophe Caloz 教授团队利用时空调制理论设计了一款集混频与双工功能于一体的漏波天线[43]，天线加载了时间周期调制的变容二极管，可以实现上变频和下变频的功能，并且打破了互易性，实现了全双工的收发系统，如图6(b)所示.

图6 时空调制超表面与器件Fig. 6 Space-time-modulated metasurfaces and devices

4 数字编码与可编程信息超表面

4.1 数字编码超表面

传统的电磁超材料通常是采用连续的等效媒质参数来描述其电磁特性，电磁超表面通常也是利用连续或准连续的表面极化率、表面阻抗、幅度和相位等参数来表征界面上的电磁特性，这些表征方式都是从物理层面来研究超材料与超表面. 类比于模拟电路与数字电路的概念，以往研究的超材料及超表面都可以归类为“模拟超材料/超表面”. 直到2014 年10 月，东南大学崔铁军教授团队提出了“数字编码与可编程超材料/超表面”的概念[44]，创新性地利用二进制编码的形式来表征超表面. 编码超表面一般包含有限种单元，并凭借离散化的数字编码序列来操控电磁波. 最初提出的编码超表面包含由两种不同结构尺寸的单元(如图7(a) 所示)，命名为“0”和“1”，分别对应单元的反射相位为0°和180°，这个数字编码概念可以从1 比特拓展到任意多比特.例如一款2 比特编码超表面是由四种编码单元“00”、“01”、“10”和“11”构成，分别对应0°、90°、180°和270°相位响应；更高比特的编码方法依次类推. 总之，利用数字编码来表征超表面的方法是将其基本构成单元的电磁参数离散化，可以极大程度地简化设计和优化流程，便于将超表面物理与智能算法及信息处理等技术相结合，产生了丰富多彩的应用[45]. 在2014 年首次提出的编码超材料是针对单元的反射相位进行编码，但是实际上超表面单元的其他电磁参数也可以进行编码，例如极化、透射相位、透射/反射幅度、频率、轨道角动量等.

下面简要地阐释数字编码超表面的工作原理.图7(b)中右上角插图给出了一种编码单元结构，主要包括上层的正方形金属贴片、中间层介质基板以及底层的金属背板. 改变贴片的尺寸可以获得不同比特的反射相位响应，图7(b)中的蓝色虚线是单元在编码态为“0”时的反射相位随频率变化曲线；黑色实线是单元在编码态为“1”时的反射相位随频率变化曲线. 1 比特情形下的反射相位差如图7(b)中红色虚线所示，可以看出在8.7 GHz 和11.5 GHz 频率处1 比特编码相位差为180°. 当编码超表面在垂直入射波的照射下，改变不同的编码排布，其远场反射波束也会随之改变. 例如，当编码序列为全“0”或全“1”时，将会在超表面垂直方向产生一个反射波束；当编码序列为一维方向周期排布的“0101…”时，将会在超表面垂直平面内产生两个对称的反射波束，如图7(c)所示；当编码序列为二维方向的“棋盘格”式周期分布，将会产生四个对称的反射波束，如图7(d)所示. 通过按照预先设计的编码序列在二维平面上排布编码单元，超表面可以简单高效地操控电磁波.

图7 数字编码超表面[44]Fig. 7 Digital coding metasurfaces[44]

4.2 现场可编程超表面

另一方面，编码超表面因其数字化的表征方式十分适合在单元上集成有源半导体器件或者其他可调节材料，如微波段的开关二极管、变容二极管和MEMS 开关等，进一步形成“现场可编程超表面”[44-45].传统的动态可调或可重构有源超表面具有功能上的局限性，它们所采用的调节方式仅仅能够在有限的功能状态之间切换，并不能实现对电磁波的实时与智能调控. 相比之下，可编程超表面与FPGA 控制模块的结合具有更大的实时可调节能力，结合软件算法，可以实现对电磁波的智能感知与实时处理. 可编程超表面每个单元的状态都可以被独立控制，通过改变FPGA 控制模块里面预先存储的编码序列，可以实时地切换不同的功能. 图8(a)给出一种集成开关二极管的可编程超表面单元[44]，其特殊的拓扑结构设计，在开关二极管“导通(ON)”和“关闭(OFF)”状态下的反射相位具有明显的区别. 如图8(b)所示，可以看出在8.6 GHz 频率处，两种编码状态下单元的反射相位差为180°. 图9(a) 给出了FPGA 模块控制可编程超表面的流程示意图，首先将设计好的编码序列存入FPGA 中，利用金属排线将FPGA 模块中的编码序列对应的控制信号输入到可编程超表面上，就可以实现不同的电磁功能，并且可通过FPGA 进行实时切换. 图9(b)给出了一种可编程超表面实时调控远场散射波束的例子，观察四种不同编码序列下的远场散射波瓣图可以看出，不同的编码序列对应的散射波束明显不同[44].

图8 可编程单元设计[44]Fig. 8 Programmable unit design[44]

图9 现场可编程超表面[44]Fig. 9 Field programmable metasurfaces[44]

4.3 信息超表面的新体系

自2014 年以来，数字编码与可编程超表面得到了迅速的发展，引起了国内外学者们的广泛关注与研究热潮，研究范围也从最初的微波频段拓展到太赫兹频段以及声波领域[45]. 数字编码与可编程机制凭借其独特的优势，已经成功应用于散射缩减、反射/透射式超表面阵列、天线设计、涡旋波产生、计算成像、动态全息成像、智能电磁感知、无线通信等方面.数字化的表征方式为超材料在物理世界和数字世界之间搭起了桥梁，使得研究者们能够从信息科学的角度来探索超材料与超表面，也方便与数字信号处理中的相关理论联系起来. 例如，借助信息科学中的信息熵理论，建立了编码图案的几何信息熵与远场散射方向图的物理信息熵之间的关系[46]. 傅里叶变换中的卷积定理也被应用于编码超表面，可以几乎不失真地对散射方向图进行空间偏移，进一步可以在自由空间内实现几乎任意角度的波束扫描[47].

2017 年3 月崔铁军教授团队发表论文进一步归纳总结出了“信息超材料/超表面”的概念体系[48]，信息超表面不仅在物理层面调控电磁波，也在数字层面起到了信息直接调制与处理的作用. 近三年来，在可编程信息超表面的设计基础上产生了许多新体制的系统级应用，例如可编程动态全息成像系统[49](图10)、基于机器学习的微波成像与识别系统[50](图11)、基于信息直接调制的远场和近场无线通信系统[51-53](图12)等. 信息超表面也引起了通信领域许多学者和工程师的关注，智能超表面(reconfigurable intelligent surfaces, RIS)已经被列为未来6G 通信的关键候选技术之一. 将RIS 引入到通信场景中，可以显著地改善无线信道、提升设备之间的通信性能；RIS 可以凭借低功耗和低成本的优势实现无线中继的功能，在6G 通信场景中具有重要的应用前景[54].

图10 可编程动态全息成像系统[49]Fig. 10 Programmable dynamic holographic imaging system[49]

图11 基于机器学习的可编程成像与识别系统[50]Fig. 11 Machine-learning-based programmable imaging and recognition system[50]

图12 直接调制无线通信系统Fig. 12 Direct modulation wireless communication systems

4.4 时空编码数字超表面

数字编码的表征方式结合可编程的实时动态调控能力，使得信息超表面可以在空域、时域以及频域对电磁信息进行多维度的编码与实时处理. 2018 年10 月，时空编码数字超表面的概念被首次提出，通过在空间域和时间域对信息超表面的表征参数(幅度或相位)进行联合编码，可获得同时在空间域和频率域调控电磁波的能力[55]. 例如在空间域调控电磁波的传播方向，在频率域控制电磁波的谐波频谱分布，从而最终在时域、空域和频域多个维度内对电磁波进行精确调控. 时空编码数字超表面拓展了传统空间数字编码超表面的编码维度，统一了空间域和时间域的编码，大幅度提升了对电磁波调控的自由度，经过近三年发展，已经成功用于谐波波束扫描、波束塑形、多域散射缩减、非互易效应、高比特可编程相位生成、无线通信等应用中[55-58]. 由于时空编码数字超表面可以在空间域控制电磁波束，也可以在频率域控制电磁频谱，因此非常适用于构建低成本和低复杂度的空间复用和频率复用无线通信体制[58]. 时空编码数字超表面集能量辐射和信息调制于一体，通过优化时空编码矩阵，可以直接将原始信息加载到电磁波的频谱特征上. 如图13 所示，根据目标用户的位置，采用预先设计的直接信息编码方案，时空编码数字超表面可以同时、独立地与多个用户进行实时数据传输，无需传统的数模转换和混频过程. 其中空间中不同位置的用户都拥有独立的频率通道，形成了空分复用和频分复用的新体制无线通信系统.

图13 基于时空编码数字超表面的空分和频分复用无线通信新体制[58]Fig. 13 New wireless communication scheme for space and frequency-division multiplexing based on space-time coding digital metasurface[58]

4.5 信息超表面的未来展望

信息超材料这一新的研究领域，在六年时间内就得到了飞速的发展，引发了国内外多领域学者的广泛关注，但是目前仍有一些亟待解决的问题与挑战：1)现有可编程信息超表面以纯相位调制为主，幅度和相位联合编码的信息超表面可编程系统可大幅度提升调控能力，因此有待于进一步突破；2)现有可编程超表面以反射型居多，透射型较少，反射或透射型信息超表面都需要外置馈源来激励，造成了一定的遮挡效应，在特定场景中应用受限，需要探索新型馈电方式，如波导馈电等；3)现有信息超表面在微波频段基于商用二极管设计偏多，未来需要探索更多新的可编程调控手段，实现在太赫兹乃至可见光频段的更快调制速率；4)需探索更多信息论和信号处理中的相关理论来设计超表面，更深入研究信息熵、数学运算等问题.

信息超表面将按照从“软件化”、“自适应”到“可认知”的智能化趋势发展[59-61]. 最初的可编程超表面需要人为的指令控制FPGA 去改变编码图案，从而切换相应的功能. 软件辅助设计的智能化超表面是借助机器学习算法训练好模型，更快地用软件算法生成目标编码单元的拓扑结构[62]；自适应的智能化超表面是由传感器和预先写好的算法模块构成的一种闭环反馈系统，可以实现对某类特定功能的自适应调整[61]，无需人为干预，如图14 所示. 但信息超表面的最终发展目标是实现可认知的特性，形成可认知的RIS，具备智能感知、自主学习的能力. 借助大数据和人工智能算法，信息超表面可以去学习新的功能模式，实现完全智能化的超表面. 未来信息超表面将在新体制无线通信、雷达、成像、智能感知等系统级应用中发挥出独特的优势.

图14 智能信息超表面的工作原理图[61]Fig. 14 Working schematic diagram of intelligent information metasurface[61]

5 结 论

自1967 年Veselago 教授提出了左手材料的概念以来，超材料沉寂了将近三十年，直到20 世纪末Pendry 爵士提出了周期排布的金属细线和开口谐振环来分别实现负介电常数和磁导率，随之在21 世纪初出现了一系列关于超材料的颠覆性工作，超材料才真正引起了学者们的广泛关注. 在过去的二十年间，利用超材料操控电磁波的工作从理论走向了实验，产生了许多重要的物理现象和突破性的应用. 超表面作为超材料的二维形式，早在1999 年Sievenpiper 教授提出蘑菇型HIS 起就受到了关注，但超表面真正开始突飞猛进的发展是在2011 年Capasso 教授团队提出广义斯涅耳定律之后，其凭借超薄的结构和极低的损耗引起了各领域学者极大的研究兴趣，被广泛地研究用于调控电磁波的幅度、相位、极化、频率等波前特征，爆发了一系列令人瞩目的应用.

2014 年，数字编码与可编程信息超表面的概念在国际上被首次提出，从数字化角度来研究超表面，可以看做是传统超表面的数字等效形式. 数字编码与可编程超表面的研究范围覆盖微波、太赫兹以及声波，它们凭借独特的优势，已经成功应用于众多领域. 信息超表面的数字化表征方式在物理世界上构筑了数字世界，同时调控电磁波物理特征和数字信息，也便于结合数字信号处理中的相关理论. 未来，信息超表面将朝着智能化、可认知的方向演进，借助大数据和人工智能算法，实现真正具有智能感知、自主学习能力的智能化信息超表面，并结合新的物理、材料、器件来探索信息超表面的系统级应用.