1.   引言

太赫兹电磁波是指频率为0.1～10 THz，波长为3 mm～30 μm的电磁波。由于太赫兹频段的波长远小于微波毫米波，因此非常适合应用于高分辨率成像、微小目标检测等领域。近年来，超材料(Metamaterials)对电磁波的调控能力，受到了人们的广泛关注。自然界中材料的电磁特性取决于其分子构成与排列的方式，而构成超材料的基本单元处于亚波长尺度，并按照一定的周期结构在3维空间中进行排列，因此在宏观上可以认为超材料是等效均匀媒质，可以采用等效介电常数ε_eff和等效磁导率μ_eff来描述超材料的电磁属性，相应的参数提取方法^[1]如今已经很成熟。通过改变单元结构的尺寸以及排列的方式，可以设计出所需要的等效媒质参数。因此超材料能够实现天然材料无法实现的电磁特性，例如零折射率、负折射率、负介电常数等等。这一思路也促进了相关电磁器件的研制，比如雷达散射截面缩减、隐身衣、透镜天线、高分辨率成像等等。但由于超材料需要利用材料空间上带来的相位累积，以实现对电磁波的调控，因此需要一定的厚度。这将导致加工难度增大，并且会提高材料带来的损耗。尤其在太赫兹频段，由于加工工艺的原因，3维超材料的实现有着非常大的难度，这限制了超材料在太赫兹频段的应用以及发展。

为了克服超材料的局限性，电磁超表面(Metasurface)被提出来。电磁超表面是将单元结构在2维平面上进行周期排列，构成了2维形式的超材料。研究表明^[2]，超表面对电磁波的调控原理不再是空间上相位的累积效果，而是电场以及磁场在单元结构两侧产生的相位以及幅度的突变特性，来调控电磁波在空间中的相位以及幅度的分布。相比3维超材料，超表面在以下几个方面表现出巨大的优势：首先，超表面具有亚波长厚度，因此其在体积和重量上要远小于3维超材料，这非常有助于器件的小型化，例如采用惠更斯表面原理的偏折透镜和聚焦透镜^[3]，其厚度要远小于基于传统3维超材料的透镜天线；其次，在太赫兹、红外以及可见光波段加工具有3维立体结构的超材料具有很大的挑战性^[4]，而超表面由于只具有单层或者两至三层金属结构，因此采用标准的光刻流程便可轻易地加工微纳尺度级别的超表面，无论是加工难度还是成本均远小于3维超材料，有力地促进了超表面在太赫兹、红外以及可见光波段的理论研究和实验验证；最后，超表面因其超薄的优良特性，可加工在柔性介质上 (如聚酰亚胺)，形成可弯折、可共形、柔性的超材料，例如崔铁军教授团队提出的微波段柔性表面等离激元传输线(Spoof SPPs)^[5–7]，这种单层金属结构的传输线具有优良的电磁波束缚能力和低串扰特性，即使结构处于弯折、扭曲的状态下，电磁波依旧可以高效率地在其上传输，仅有很小一部分的能量辐射到自由空间。预计在不久的将来，这些柔性超表面将有希望与柔性电路相集成，在柔性微波电路、智能蒙皮共形天线和可穿戴设备等领域产生十分广阔且深远的影响。

本文将重点介绍过去几年内太赫兹领域数字编码超材料以及可编程超材料的发展情况，并对其基本概念、工作原理、设计方法进行论述。该研究为太赫兹频段的超材料研究提供了新的思路。

2.   太赫兹超材料的研究现状

美国哈佛大学的Capasso教授团队在2011年的《科学》期刊上提出了广义斯涅尔定律^[2]，即通过引入相位突变的概念，从而使分界面沿切向方向有跳变的相位，这便将传统的斯涅尔定律扩展到了广义斯涅尔定律。该论文中设计了具有不同张角和朝向的V字型单元结构，将这些具有不同突变相位的V型天线以梯度或者某种特定相位分布在平面上排列，构成单层新型人工电磁表面，如图1所示。此人工电磁表面实现了对交叉极化电磁波的360°的全相位调控，进而实现了对入射电磁波的异常偏折 (负折射)、异常反射以及聚焦等功能。这种方法极大地增强了新型人工电磁表面对电磁波的调控能力。随后，这一思路被广泛用于设计一系列调控电磁波的器件中，包括利用V型结构在光频制作的全息图像^[8]，利用矩形缝隙在光频段实现的表面等离激元的耦合与激励^[9]，利用梯度渐变分布的H型单元结构来实现垂直入射空间波到表面波的高效转换^[10]等等。

图  1  基于广义斯涅耳定律的的电磁超表面^[2]

Figure  1.  Metasurface based on generalized reflection and refraction laws^[2]

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上述基于相位突变的电磁超表面通常由单层金属结构构成，相位突变是提供给反射波的。工作时入射波会被反射回去，导致透射率较低。为了降低超表面的反射率，提高透射率，美国密歇根大学的Pfeiffer与Grbic设计了一种被称为惠更斯表面的超表面^[3]，其拥有一层电响应结构和一层磁响应结构。这种超表面理论上能够实现任意的透射幅度和相位，从而能够以近乎100%效率实现波束偏折和聚焦等功能。从以上报道可见，3维的电磁超材料能完成的电磁波调控，利用电磁超表面同样可完成，且相比之下超表面具有低损耗、低成本、低剖面和易共形等巨大优势，更加有利于工程化和实用化。

3.   数字编码超材料的工作原理

在2014年，东南大学崔铁军教授首次提出了采用数字编码表征的超表面^[11]，并由此提出了调控电磁波的新机制。与传统超材料的等效媒质理论相比，编码超材料建立起数字表征与物理实现的桥梁，使得对电磁波的调控更为多样化。在文献[11]中，编码超表面单元的工作状态(反射/透射相位)可以由有限个二进制数值来表示，所以也被称为数字超表面。图2展示了一种工作在微波段的1-bit编码超表面，其中数字“0”和“1”分别代表反射相位为0°和180°的两种单元，以上所述的相位值并非绝对相位，其值的大小并不影响编码超表面的功能和性能，在设计时只需要保证两个数字态在工作频率下的相位差为 180°即可。虽然每个数字单元的状态只有两个，但当这些以数字表征的单元结构在2维平面上以M×N方式周期排列时，便存在2^M×N种排列方式，每种排列方式对应一种编码图案，当电磁波入射到这些各式各样的编码图案上时，便可产生不同的远场方向图。

图  2  反射型的编码超表面基本单元^[11]

Figure  2.  The Metamaterials particle for realizing the coding metasurface^[11]

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图2给出了反射型的单元结构示意图，单元由3部分组成：最上层为金属贴片，中间是厚度为h的介质板，最底层为整片金属层，这样保证了透射率为零的同时有着较高的反射率。调节上层金属贴片的长宽，便可以获得“0”和“1”编码单元所需的相位。从图中可看出，当频率在7～14 GHz变化时，相位差在60°至200°之间波动，在8.7 GHz和11.5 GHz两个频点处恰好180°。虽然这类无源单元结构的理想工作频率范围 (对1-bit情况，即相位差要求满足180°) 通常较窄，但在大多数实际应用中，当相位差处于160° 至200°范围内时，编码超表面依旧可表现出较好的功能和性能。

相邻单元结构之间的耦合会导致相位响应与设计产生偏差，为了降低这些偏差，通常超表面会引入超级子单元(super-unit-cell)的概念，超级子单元通常包括3×3或者5×5个基本单元(unit cell)，在同个超级子单元中，每个基本单元的相位响应是一致的，这样有效地降低相邻单元之间因为结构不同所带来的反射相位恶化以及串扰问题。对于超级子单元进行编码，当编码图案变为“010101···”序列时，垂直入射波束被反射后，分为两个具有相同俯仰角的波束，位于法线对称的两个方向上，如图3(a)所示。而当编码变为棋盘格分布时，其辐射方向图将出现4个具有相同俯仰角波束，如图3(b)所示。1-bit的编码单元实现了0°和180°的相位分布，如果将 360°相位四等分，可形成 2-bit的编码超表面。通过调节图2(a)中所示的1-bit单元结构的边长w，可将其扩展为2-bit编码单元结构，包括“00”、“01”、“10”、“11”4个编码，分别对应0°、90°、180°和270°反射相位。同理，对于更高阶数的n-bit编码超表面，存在2ⁿ个编码单元，相邻单元之间相位相差360°/2ⁿ。对于相位差为180°的1-bit超表面，其远场方向图总是关于法线镜像对称，然而对于2-bit和n-bit (n>2) 编码超表面来说，其远场方向图可以为非对称形式，实现其他诸如单波束、多波束和随机漫反射等功能，极大地拓展了编码超表面所能产生的远场方向图的种类。

图  3  反射型的编码超表面以及散射方向图^[11]

Figure  3.  The coding metasurface and reflected directivity pattern^[11]

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4.   太赫兹数字编码超材料

随着编码超材料的发展，在太赫兹领域，各向异性编码超表面^[12]、张量编码超表面^[13]、频率编码超表面^[14]以及编码超表面的数字卷积运算^[15]等理论被提出，并由此得到了低雷达散射截面、波束空间搬移、异常折射、贝塞尔波束等现象。下面将以基于编码超材料的低雷达散射截面(RCS)为例，介绍太赫兹领域编码超表面的设计与加工。

通常，隐身缩减RCS的工作是通过绕射或者吸收电磁波束来实现。编码超材料不仅能用于调控电磁波的辐射波束，也能用于覆盖在特定物体上来实现低RCS。高丽华等人在编码超材料的基础上实现了宽频带低散射的太赫兹超表面^[16]，通过优化超表面的编码分布，可以将入射波漫反射到空间各个方向，而且漫反射在各个方向上散射的能量都很小，这样就降低了RCS。在文献[16]中，采用了1阶迭代闵科夫斯基(Minkowski)环分形结构作为太赫兹编码人工电磁表面的基本单元，如图4(b)所示。在宽度或者面积没有増加的情况下，分形结构更加复杂，增加了许多折线结构，体现了分形结构的空间填充特点。利用分形结构来构造新型人工电磁材料基本单元时，就呈现出多频带、宽频带及尺寸缩减等优点。图4显示了太赫兹波入射到设计的编码人工电磁表面上时，在其上半平面呈现出漫反射特征。该编码超表面也具有金属背板，为反射式的超表面。

图  4  反射型的编码超表面及其单元结构^[16]

Figure  4.  Coding metasurface and Minkowski coding particle^[16]

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图5给出了编码超材料单元的设计方法^[16]。当单元结构的长与宽(L)发生变化时，反射相位会发生变化，而反射系数基本保持不变。对不同尺寸的超表面单元结构进行仿真，得到的反射系数情况如图5(a)所示。图5(b)给出了图5(a)两种尺寸的单元结构的相位差值，由图可以看出，当环的总宽度L从43 μm变化到78 μm时，在0.8～1.7 THz频段范围内，相位差都超过了270°。根据前文关于1-bit，2-bit以及3-bit编码超表面中幅度相位条件(反射系数幅度基本相等，反射系数相位差分别为0°和±180°，0°、±90°、±180°，0°、±45°、±90°、±135°、±180°、±225°、±270°和±315°)。通过改变单元的宽度L，可以在宽频带内实现270°的相位覆盖，并且相位差与L几乎呈线性关系，如图5(c)所示。因此，可从图5(c)按照相位差要求中选定构成各比特数编码人工电磁表面的基本单元尺寸，如图5(d)所示。

图  5  反射型的编码超表面单元的设计^[16]

Figure  5.  The design of Minkowski coding particles of metasurface^[16]

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仿真以及实验结果显示，在0.8～1.9 THz的频段范围内，2-bit编码人工电磁表面的后向散射系数相较于同样尺寸的金属平板降低了至少10 dB，且编码人工电磁表面的后向散射场几乎没有突出的散射峰，在整个上半平面毎个方向上都有强度相差不大的散射峰，弱化了其后向散射的目标特征。

太赫兹低散射电磁超表面的加工^[16]基于标准光刻工艺。如图6所示，整个样品在硅基底上制作，由于反射金属背板的存在，硅基底不影响样品的电磁特性同时具有一定的支撑作用。先在硅基底上蒸镀一层200 nm厚的金作为金属背板。再在其上制作聚酰亚胺作为介质层。聚酰亚胺介质层由PJ-5J聚酰亚胺涂层胶来制作，PJ-5J胶通过甩胶机在蒸镀了金属层的硅基底上进行旋转涂抹，高温处理后固化为聚酰亚胺介质层。聚酰亚胺层上涂覆光刻胶后，刻有太赫兹吸波器结构的掩膜板覆盖在上面，进行曝光、显影，太赫兹吸波器结构就转移到了光刻胶层上，再经过蒸镀金属(200 nm厚的金)和浸泡剥离等工艺即完成样品加工。加工完成后，太赫兹编码超表面采用反射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统进行实验测量。

图  6  具有金属背板的太赫兹低散射表面加工流程及样品部分照片^[16]

Figure  6.  The fabrication process for the coding metasurface and part of the fabricated sample^[16]

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5.   现场可编程超材料及其成像应用

在太赫兹频段，由于受限于尺寸以及加工工艺，对电磁波束的实时调控通常通过半导体材料、微机械结构等方式来完成。例如通过二氧化钒^[17]、液晶^[18]，以及泵浦光^[19]、微型悬臂梁^[20]、空间光调制器^[21]等方式来实现太赫兹波束的实时调控。可编程超材料的提出，为太赫兹波的实时调控开辟了新的途径。

2006年Chen等人^[22]在太赫兹频段实现了利用电信号对电磁波的实时调控，如图7所示，将金属开口谐振环制作在砷化镓基底上，由超材料阵列与半导体基底一起形成肖特基二极管。通过改变栅极电压来控制超材料单元底部载流子的注入与耗尽，从而改变超材料单元的谐振特性，以实现完成对太赫兹透射波束的实时调控。基于类似的原理，若可以对超材料单元进行独立调控，则可以设计太赫兹频段的数字可编程超材料。

图  7  基于半导体材料的可调控太赫兹超材料结构^[22]

Figure  7.  The controllable THz metamaterails based on semiconductor^[22]

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在上节中，编码超材料可以通过设定“0”和“1”的编码序列来调控电磁波。崔铁军等人在此基础上进一步拓展，提出了通过对编码状态的切换，进一步实现微波频段的现场可编程超材料^[11]。调控单元如图8所示，通过改变开关二极管的偏置电压，来实现“0”或“1”编码态的超材料单元。单元结构中，上表面由两个平面对称的金属贴片组成，两个贴片之间通过二极管相连。金属贴片通过金属化通孔与下表面的地相连接，用于提供直流偏压来控制二极管的通断状态。当二极管的偏压为3.3 V时，二极管为导通状态；当二极管上没有偏压时，其状态为关断。其等效电路单元的反射相位曲线如图8(b)所示，其二极管的开关分别对应“1”单元和“0”单元。

图  8  数字超材料单元结构以及相位曲线^[11]

Figure  8.  The metamaterial particle for realizing the digital metasurface and the corresponding phase responses^[11]

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文献[11]基于上述超材料单元，设计并制作了一款1-bit数字超表面。该数字超表面包含30×30个相同的单元，并且每个单元包含一个二极管。利用现场可编程门阵列(FPGA)硬件电路，则可以通过软件编程触发出不同编码序列，来操控反射波波束的数量与倾角。

文献[23]基于上述提出的1-bit可编程超材料单元，实现了对全息图像的动态调控。图9给出了调控原理以及方法。单元结构与上文提到的一致，通过切换不同的偏置电压来改变二极管的通断，以此获得不同的反射相位。而不同字母对应的全息图的相位分布则由改进型的GS算法得到，并由此绘制出“0”、“1”编码序列，进而通过改变偏置电压来对超表面进行编码。在X极化入射的平面波激励下，经过编码超表面反射后，在像平面上可以清楚地看到全息图像。通过动态改变相位分布 (全息图1、2、3···)，超表面全息图可以依次投射成像平面上的全息图像 (帧1、帧2、帧3···), 分别显示出字母图案“P”、“K”、“U”等。

图  9  由可编程超表面生成动态全息成像的示意图^[23]

Figure  9.  Dynamic holographic imaging based on programmable metasurface^[23]

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6.   可编程超材料以及新概念雷达系统

传统的相控阵天线依赖于移相器来实现单元结构相位的变化，以此来实现波束的扫描与控制。但是对于相控阵列来说，移相器的存在使得相控阵成本非常高。文献[11]中的可编程超材料以及数字超材料实现了对电磁波的直接调制，这为波束控制以及扫描提供了新的方向。可编程超表面的工作流程图以及测试环境如图10所示，这种反射式的可编程超材料可以实现对单波束的调控、多波束实现、波束扫描以及漫反射隐身等功能。现场可编程超表面在不同编码序列下的散射场仿真与测试结果如图11所示，图11(a)中“000000”编码序列对应的是理想磁导体，而图11(b)中“111111”编码序列对应的是理想电导体，因此在单波束入射的情况下，这两组序列的散射特性为单一波束。当编码序列为“010101”时，入射波束被反射成两个波束，如图11(c)所示，当编码序列为“001011”时，入射波束被散射成几个波束，如图11(d)所示，这样有效地缩减了雷达散射截面。并且实验结果与仿真结果有很好的一致性。

图  10  由现场可编程超表面实现的新概念雷达系统^[11]

Figure  10.  The proposed new concept radar systems based programmable metasurface^[11]

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图  11  (a)–(d)现场可编程超表面在不同编码序列下的散射场仿真结果，其中(a)对应的编码序列为“000000”，(b)对应的编码序列为“111111”，(c)对应的编码序列为“010101”，(d)对应的编码序列为“001011”，(e)–(h)为与之对应的测试结果^[11]

Figure  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]

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万向等人在此基础上于2016年提出了一种波束可重构的可编码超表面，这为新概念的雷达以及通信系统提供了更为有效直接的方法^[24]。

7.   结论

本文回顾了数字超材料、编码超材料、以及可编程超材料的研究进展。通过介绍微波以及太赫兹频段的应用，例如低散射超表面、动态全息超表面以及新概念雷达系统等，展示了编码超表面在太赫兹频段应用中的潜力。与传统超材料的等效媒质理论相比，信息超材料引入了数字化的编码系统，可以通过对编码序列的控制来实现电磁波的调控。此外，现场可编程的超表面，通过引入二极管的通断状态，实现单元的“0”和“1”切换，来实现对电磁波的实时动态调控，基于此可以设计全息成像系统和新型的雷达系统。相对于传统的相控阵天线，编码超表面有着更为简便以及便宜的优势。但是超材料在以下方面依然存在不足：(1)目前超表面对电磁波的调控还大多局限在相位响应的调控上，由相位的变化实现对电磁波波束的调控。一方面这种对相位的调控也会带来幅度的改变，导致不同单元幅度的不一致性。另一方面若对幅度进行调控的话，则会带来损耗或者效率的问题。(2)目前现场可编程超材料依赖于对单元结构工作状态的控制，对于整个可编程的超材料来说单元个数往往超过上百个，由此引入的直流偏置，则会带来馈电结构复杂以及损耗的劣势。

编码超表面与可编程超表面的提出，象征着研究和分析超表面的手段从模拟走向数字，设计的思路从物理层面转向信息学层面，不仅极大地简化了设计流程，实现了超表面对电磁波全方位的灵活调控。从材料本身出发，针对未来可调太赫兹人工电磁材料的研究，可以建立起声、光、电、磁及温度等外加激励调控人工电磁材料电磁特性的多种调控模式，将是需要进一步努力或值得研究的重要方向。从设计的流程出发，数字化的分析模式将超表面与信息学联系到了一起。相信未来超表面的发展趋势将沿着信息化、自适应、智能化的方向继续发展。