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Digital Coding Metasurfaces: Toward Programmable and Smart Manipulations of Electromagnetic Functions（in English）
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摘要: 数字编码超表面是超材料与超表面领域的重要研究分支。通过数字编码方法替代等效媒质理论来表征超表面，不仅有效简化了超表面设计，而且建立了数字信息与超材料物理的联系。该文系统梳理数字编码超表面的发展历程，重点介绍其在可编程与智能电磁调控领域的最新研究进展。首先，详细介绍数字编码超表面的基本概念以及基于数字编码超表面的信息论研究；然后，具体介绍可编程超表面的工作原理和实现方式以及可编程超表面的不同研究方向，包括辐射式可编程超表面、多维度可编程超表面、时域数字编码超表面与新体制通信系统；接着，介绍智能超表面的最新研究进展，展示其环境感知与自适应电磁调控能力；最后，对超表面的未来发展进行讨论与展望。Abstract: Digital coding metasurfaces are an important research branch of metamaterials and metasurfaces. The digital coding method replaces the equivalent medium theory to characterize metasurfaces, which not only simplifies the design process of metasurfaces but also builds a bridge between digital information and metasurface physics. The development of digital coding metasurfaces is systematically summarized in this review, and latest research progress of digital coding metasurfaces toward programmable and smart ElectroMagnetic (EM) manipulations is highlighted. First, the basic concept of digital coding metasurfaces and corresponding research in information theory are thoroughly explained. Next, the working principle, realization method, and different research directions of programmable metasurfaces are detailed, including radiation-type programmable metasurfaces, multidimensional programmable metasurfaces, time-domain digital coding metasurfaces, and new wireless communication systems. The recent research on smart metasurfaces is then introduced, and their capabilities of environment sensing and adaptive EM manipulation are demonstrated. Finally, the future development and prospects of metasurfaces are also discussed.
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1. 引言
自然界大多数天然材料因特定的分子构成与排列方式而具有固定电磁特征，难以实现对电磁波的自由控制。超材料突破了天然材料的原子分子微观排列局限，在宏观的亚波长尺度上将特定几何形状的单元结构在三维空间中进行周期性或非周期性排列，从而构造出自然材料难以或不能实现的等效媒质参数，例如负折射率[1]、近零介电常数[2,3]、近零磁导率[4]等。因此，超材料能够实现自然材料难以实现的奇特电磁物理现象与前沿应用，例如负折射、完美隐身、高分辨率成像[5,6]、高增益透镜天线[7-9]等。然而，传统超材料需要一定空间进行三维排列才能实现预期的电磁功能，随之而来的加工困难、大体积、大重量、不易集成等问题使其难以走向实际工程应用。
超表面的出现能够有效解决上述问题。作为超材料的二维特殊形式，超表面不仅同样能够实现对电磁波的灵活调控，还具有设计简单、低成本、低剖面、损耗小等优点。2011年，Yu和Capasso等人[10]提出广义斯涅尔定律并利用超表面进行了实验验证，为超表面的设计与应用提供了一种全新的思路：通过调控电磁波幅度、相位等电磁波物理特征的局部突变特性，来改变电磁波在空间中的传播与分布。在此之后，超表面开始被广泛研究用于实现各种新颖电磁功能，例如轨道角动量(Orbit Angular Momentum, OAM)涡旋波[11]、空间波-表面波转换[12]、极化转换[13,14]、全息成像[15,16]、完美反射[17,18]、无线能量收集与传输[19,20]、雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)缩减[21]等。另外，近年来许多超表面相关研究致力于实现多功能复用。通过同一超表面结构对不同物理特征(极化[22-27]、频率[28,29]等)或空间特征(入射角度[30-32]、传播方向[33-36]等)的电磁波进行独立调控，进而形成多功能超表面，为高集成度与小型化的电磁器件与系统设计提供了一种简单且有效的可选方案。
然而在实际应用场景中，例如无线通信、物联网、微波成像、雷达系统等，均需要电磁器件与系统具有动态甚至实时调控电磁波的能力。文献[10-36]提及的超表面均是“无源超表面”，一旦加工成型，固定的拓扑几何结构使其只能实现特定一种或几种电磁功能，无法根据实际需求实现功能动态变化。另外，传统的物理层表征方法使这些超表面难以进一步与信息科学领域相融合。因此，亟待探索替代传统超表面研究体系的新表征方式，以及具有实时可编程、智能感知学习和自适应能力的超表面设计，而数字编码超表面、可编程超表面与智能超表面是其中的典型代表。
2. 数字编码超表面
传统超材料一般由等效媒质参数进行表征，而具有二维结构的超表面不局限于等效媒质的表征方法，更常用幅度、相位、表面阻抗、表面极化率等来进行电磁特征的描述。上述表征超材料与超表面的方法均立足于物理层面，更多关注电磁波物理特征的连续或准连续变化。类比电路中的模拟和数字概念，这些超材料可以被称为“模拟超材料”。然而，当超材料结构变得复杂，模拟的表征方法使分析复杂度与设计难度成倍提升。2014年，东南大学Cui等人[37]和宾夕法尼亚大学Giovampaola和Engheta等人[38]互相独立提出“数字超材料”概念。 Giovampaola和Engheta等人工作的核心思想是利用数字信息中的位和字节来映射超材料的等效媒质参数及分布特征，本质上仍属于等效媒质理论范畴。Cui工作摒弃了等效媒质参数表征，创新性地用数字编码表征超材料，有效简化了超材料的设计和优化流程(图1(a))。更为重要的是，数字编码表征方法搭建了信息世界与物理世界的桥梁，促进了超材料物理与信息理论、信号处理方法以及智能算法的有机结合。
图1所示为最早的1比特数字编码超表面原型，对反射相位实现了1比特数字编码。其中，两种不同几何结构的超表面单元具有180°的反射相位差。基于数字编码概念，这两种单元被分别命名为数字“0”和“1”(图1(b))。通过设计“0”单元和“1”单元的编码图案，照射在超表面不同位置的电磁波被反射后携带不同的相位，经叠加后实现预期的电磁功能。例如，当沿一个维度呈现“0101···”的编码分布时，将会沿编码梯度方向产生两个对称的反射波束(图1(c))；当编码在二维平面呈现交错状棋盘格分布时，反射电磁波将会分裂为4个对称的波束(图1(d))。数字编码超表面可进一步由1比特拓展至N比特，对于N比特编码超表面，则需定义2N种具有不同电磁响应的单元结构。例如，2比特相位编码超表面由“00”,“01”,“10”,“11”4种单元构成，相邻编码单元间相位差为90°；3比特相位编码超表面由“000”,“001”,“010”,“011”,“100”,“101”,“110”,“111”8种单元构成，相邻编码单元间相位差为45°。另外，数字编码不必严格遵循对物理特征参数的等间隔划分原则(N比特相位编码超表面不必以360°/(2N)为编码间隔)，而是需要视实际情况而定。例如，Jing等人[39]在2019年利用非等间隔3比特相位编码方法设计完美反射超表面，实现了高效率大角度异常反射。由上可见，相比于模拟超材料的连续或准连续物理表征，数字编码方法明显简化了超材料和超表面的设计与优化。
另一方面，数字编码方法开拓了超材料信息论新方向。Cui等人[40]在2016年提出数字超材料信息熵概念，用香农信息熵直观描述了数字编码图案与超材料携带信息量的关系：数字编码图案随机性与超材料远场方向图熵呈现近似正比关系(图2(a)，图2(b))。然而超材料信息熵是对超材料信息容量的全局表征，不对超材料方向图做特定约束。后来，数字超材料卷积定理[41]与加法定理[42]被相继提出。数字超材料卷积定理类比数字信号处理中的卷积定理，明确了数字编码图案与远场方向图的具体关系：两种数字编码在空间域的叠加在方向图域表现为二者对应方向图的卷积(图2(c))。这一原理使得方向图的数字编码反演不再依赖优化算法，利用有限数字编码的叠加便可以获得期望的远场方向图。加法定理将数字编码拓展至复数域，通过复数编码的空间叠加实现了方向图域的多波束叠加，进一步提升了编码超表面的电磁调控能力。可以看出，上述超材料信息原理研究将超材料物理与数字信息有机结合，有望推动超材料在通信、雷达以及成像等信息系统中的应用与发展。
3. 可编程超表面
3.1 可编程超表面工作原理与实现方式
第2节的数字编码超表面对不同几何结构的超表面单元进行数字编码，仍然属于无源超表面范畴，无法实现电磁功能的动态调控。文献[37]提出了首款真正意义上的数字超表面，也称之为可编程超表面，其单元结构如图3(a)所示。该单元由无源超表面结构与开关二极管异质集成，开关二极管具有导通和关断状态，两种状态下单元的反射相位具有180°的相位差，进而构成1比特相位编码(图3(b))。进一步利用如图3(c)所示的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)提供控制电压(例如高低电平分别对应编码“1”和“0”)，将预先设置好的编码序列经由FPGA的不同引脚输入到超表面的不同单元上，从而动态改变数字编码图案，实现不同电磁功能的可编程控制(图3(d))。
值得一提的是，超表面实现动态可重构与可编程的方式是多样的，除集成开关二极管外[43]，还可以通过集成变容管[44-46]、射频放大芯片[47-50]、液晶[51-53]以及石墨烯[54]等元件与材料来实现。另外，有相关工作将微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS)[55,56]或微电机[57]与超表面设计相结合，通过对超表面几何结构进行弯曲、旋转等机械形变操作以实现对电磁波的动态调控。上述工作大都基于电控方式，除此之外，还可以基于二氧化钒(VO2)[58]的热敏特性以及硅基材料[59]的光敏特性分别实现热控和光控超表面。
在众多可调元件与材料中，由于变容管在外部偏压下具有连续电容变化和大电容比，因此常被用于实现相位可调的有源超表面。Zhu等人[44]在2013年就提出基于变容二极管的有源超表面结构，通过构造两个LC谐振，在3.7 GHz处实现了360°全反射相位覆盖。2017年，文献[45]提出一种同时集成开关二极管和变容管的有源超表面，通过控制开关二极管导通/关断和变容管的容值变化，在12 GHz处达到320°的反射相位覆盖和小于3 dB的幅度损失。
2022年，文献[46]提出了基于非线性相位分布的可编程超表面，通过改变超表面反射相位梯度的非线性分布趋势，实现了对多阶空间谐波的可编程控制(图4(a))。为保证非线性相位分布趋势，作者提出一种集成变容管的单元结构，其沿入射波极化方向(x方向)尺寸仅有0.11 λ0(λ0为中心波长)，如图4(b)所示。通过调节变容管两端偏压，所设计的超表面单元在中心频点f0 = 5.8 GHz处能够提供大于305°的反射相位，并保证小于2 dB的幅度损失，如图4(c)所示。进一步基于非均匀相位编码，作者验证了副瓣抑制宽角波束扫描、多阶空间谐波任意能量分配以及多阶空间谐波后向反射等新颖电磁功能，相应实验结果分别如图4(d)—图4(f)所示。
但当工作频段升高至毫米波频段，符合使用要求的有源半导体器件选择少、成本高、寄生效应明显；而对于太赫兹频段，受限于物理尺寸与加工工艺，半导体的异质集成难度成倍提升。在上述频段，液晶基底可编程超表面逐渐被关注。Wang等人[51]和Liu等人[53]分别于2019年和2021年提出了工作在毫米波频段和太赫兹频段的液晶基底可编程超表面(图5(a)，图5(b))。在偏压激励下，液晶分子发生旋转，宏观上表现为基底介电常数变化，从而实现反射/透射相位调控。进一步按照数字编码图案对不同区域的液晶施加不同偏压，能够实现不同电磁功能的动态可编程控制。然而，目前商用液晶响应速度大都位于毫秒级，难以满足无线通信与高速互联需求。近期提出的片上可编程超表面可以实现对电磁波的高速调控，例如文献[60,61]分别设计了适用于毫米波和太赫兹的片上可编程超表面(图5(c)，图5(d))，实现了对电磁波的吉赫兹级高速调制。
3.2 辐射式可编程超表面
目前超表面主要分为反射式和透射式两种类型，这两类超表面自身只能作为次级馈源，需要引入额外初级馈源，以反射阵或透射阵形式工作。然而，初级馈源的引入使得系统整体剖面升高，集成度降低；另外，初级馈源的溢出损耗和边缘衰减也会影响系统口径效率。为解决上述问题，学者提出了多种解决方案，包括折叠式反射/透射阵超表面、法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)超表面以及直接集成馈电结构的辐射式超表面。由于这些工作旨在实现馈源与超表面一体化设计，关注对辐射电磁波的直接调控，因此这里统称为辐射式超表面。
图6(a)给出一种折叠阵式圆极化超表面[62]，基于极化转换超表面与调相超表面将馈源辐射的x极化波转化为圆极化波，同时使焦径比缩减至0.16 λ0。另外，文献[63]提出一种调控辐射波的F-P超表面(图6(b))，基于双层超表面的多次反射叠加原理使焦径比缩减至约0.25 λ0。作者进一步改变上层部分反射表面几何结构，对透射波相位构成2比特数字编码，实现了辐射波的全息成像。2021年，Xu等人[64,65]提出两种具有更低剖面的辐射式超表面，直接将馈电结构与超表面结构相集成。文献[64]首先设计了一种调控辐射波相位与极化的辐射式超表面，如图6(c)所示。超表面单元上层的开口谐振环结构作为辐射器，下层为馈电网络，分别使辐射出的左旋/右旋圆极化(LHCP/RHCP)电磁波携带–α/α角的几何相位与β角的传输相位，最终，两种正交圆极化波分别具有–α+β和α+β的辐射相位，实现了完全解耦。更进一步，文献[65]中提出调整单元谐振环开口与金属臂的相对角度来引入谐振相位，在调控相位和极化基础上实现了以任意幅度比辐射正交极化电磁波(图6(d))。除此之外，作者还演示了基于极化编码的信息加密MIMO天线以及近场全息成像。上述工作展示出了辐射式超表面对辐射电磁波的调控能力，相比于传统阵列天线具有更高的设计自由度。
为进一步实现对辐射电磁波的动态及可编程调控，最近一些研究报道了基于上述几种设计方法的辐射式动态可重构超表面和辐射式可编程超表面。2020年，Bai等人[66]提出双频段动态可重构F-P超表面，通过调节动态反射表面(Dynamic Metasurface Reflective Plane, DMRP)的变容管容值，在保证高增益定向辐射的同时实现了双频段频率动态调谐。此外，作者利用相位编码超表面对来波进行RCS缩减，使该F-P超表面兼具宽带低散射特性(图7(a))。为进一步实现对辐射波特性的数字化表征，文献[67,68]相继提出两种折叠阵式可编程超表面，分别实现了波束扫描和OAM波束的可编程控制(图7(b)，图7(c))。两项研究设计理念相似，通过在底层反射面集成开关二极管，从而构成1比特相位可编程超表面。然而，由于上述动态可重构与可编程设计需要电磁波多次反射，因此其效率和集成度依然存在一定提升空间。最近，文献[69]提出了一种辐射式可编程超表面(图7(d))，将可编程超表面与馈电网络直接集成设计，使得整体剖面尺寸缩减至0.053 λ0，并具有最高30.6%的口径效率。作者在每个单元上同向布置两只开关二极管，通过正负偏压激励实现两只二极管的分别选通，进而实现1比特辐射相位编码。作者利用这种超表面实现了单波束扫描以及OAM波束的辐射场可编程调控，验证了该辐射式可编程超表面的优异性能。
图 7 动态可重构与可编程辐射式超表面Figure 7. Dynamically reconfigurable and programmable radiation-type metasurfaces3.3 多维度可编程超表面
目前大多数可编程超表面只针对单一电磁维度(如相位、幅度[70]、极化[71]、传播方向等)的动态调控进行设计，信息容量有限，难以满足复杂环境中的无线通信与雷达探测等实际应用需求。为进一步推进可编程超表面的高信息容量与高集成度发展进程，近年来已有相关研究实现了对电磁波多维度物理特征的独立、可编程控制。
例如，Zhang等人[72]和Chen等人[73]基于正交极化电磁波的低串扰特性，于2020年分别独立提出了双极化相位可独立编程超表面。图8(a)左图展示了文献[72]的工作原理，其中超表面每个单元沿x方向和y方向各集成两只变容二极管。通过两路独立偏压分别激励沿x方向与y方向的变容管，可以实现对x极化和y极化波的反射相位调控，且两种极化的相位调控互不影响。通过独立调控双极化1比特相位编码，作者验证了多种新颖电磁功能，包括基于圆极化波自旋控制的异或逻辑运算、宽角双波束扫描以及双极化共口径双波束扫描。文献[73]的工作原理与前者相类似，同样通过改变变容管电容值来实现双极化独立相位调控，如图8(a)右图所示。作者基于1比特和2比特相位编码实现了不同电磁功能的双极化独立可编程调控，包括单波束、双波束以及RCS缩减。
另外，无论反射式、透射式还是辐射式超表面，都只对半空间电磁波进行调控，没有充分利用全部自由空间。全空间超表面旨在对前向与后向两个半空间的电磁波进行独立调控以提升信息容量，一般通过独立调控不同频率、不同极化的电磁波来实现。图8(b)左图给出了一种全空间可编程超表面[74]，该超表面单元同时在x方向和y方向集成开关二极管，在偏压激励下能够选择性地将x极化电磁波反射至后向空间并将y极化电磁波透射至前向空间，同时实现对反射波和透射波的1比特相位编码。基于正交极化电磁波的低串扰特性，该超表面的反射相位编码和透射相位编码相互独立，具有对前向和后向空间电磁波的独立可编程能力。后来，Hu等人[75]进一步提出单极化全空间可编程超表面，如图8(b)右图所示。该工作采用调相超表面与透射-反射选择超表面相配合实现对后向空间(反射)、前向空间(透射)以及全空间电磁波的独立可编程调控，通过优化相位编码图案与透射-反射编码图案，使超表面发生部分透射和部分反射，进而实现对前向和后向空间电磁波的独立可编程控制。
除此之外，已有相关研究提出诸如双极化转换可编程超表面[76]、幅度-相位可编程超表面[77]以及频域-空域可编程超表面[78]等。这些工作均从不同角度实现了对电磁波多维度物理特征的独立可编程调控，有效提升了可编程超表面信息容量与集成度。
3.4 时域数字编码超表面与新体制通信系统
2019年，Zhao等人[79]提出时域数字编码超表面概念，实现了对电磁波的时间域调控。不同于传统超表面在空间域调控电磁波，时域数字编码超表面通过时变数字编码序列实现对相位、幅度等电磁物理特征的时间域调制。如图9(a)所示，通过改变时变编码序列的周期T0，频率为fc的入射波被搬移至频率为fc±kf0的各阶谐波处(其中，k=0, ±1, ±2, ···为谐波阶数，f0=1/T0)；通过适当地调整一个T0内的编码分布规律，可以在频谱搬移基础上实现对各阶谐波的功率分配。作者进一步将该时域数字编码超表面应用至无线通信领域，搭建了二进制频移键控(Binary Frequency Shift Keying, BFSK)通信系统。对于该新体制BFSK系统，两个载波频率直接通过时域数字编码超表面进行合成，可实现对传输信号的直接调制。相比于传统超外差发射机架构，这种基于时域数字编码超表面的全新架构体制无需经历复杂混频滤波过程，有效简化了发射机设计。
图 9 时域数字编码超表面与新体制通信系统Figure 9. Time-domain digital coding metasurfaces and new wireless communication systems除BFSK调制外，Dai等人[80]基于时域数字编码超表面实现了不同调制方案。作者通过精心设计数字编码序列的占空比和时间延迟，对谐波反射幅度和相位进行独立控制，实现了包括正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)、8相移键控(8 PSK)和16正交幅度调制(16 Quadrature Amplitude Modulation, 16 QAM)，证明了时域数字编码超表面在无线通信中的广泛应用前景。后来，文献[81]进一步在毫米波段实现了基于时域数字编码超表面的大容量无线通信(图9(b))。该研究基于1比特相位可编程超表面硬件平台，以非常高精度同时控制谐波幅度和相位，实现了256正交幅度调制(256 QAM)，有效提升了时域数字编码超表面通信系统的性能。
在拓展调控维度方面，文献[82]提出时空数字编码超表面的概念，同时对电磁物理特征在空间域和时间域进行数字编码表征，使超表面具有对电磁波的多域调控能力。基于时空编码概念，作者进一步提出并实现了空分复用和频分复用无线通信系统[83]。如图9(c)所示，通过时间编码，可编程超表面可以将原始信息加载至不同谐波频率上；而空间编码则对不同频率的谐波实现方向图赋形，从而将原始信息传输给指定位置的用户；进一步优化时空编码，可以同时且独立地向不同位置的用户进行不同信息的实时传输。
在调控方式上，目前基于时域数字编码超表面的无线通信系统几乎全是电控型，通常仅能处理单一域的微波或毫米波信号，难以实现对多物理场信号的同时处理。Zhang等人[84-87]在其提出的光控超表面基础上，更进一步提出了光控时域数字编码超表面[88]与基于光控时域数字编码超表面的光到微波混合无线通信系统[89]。如图9(d)所示，该通信系统由集成变容管的全极化可编程超表面和高灵敏光电检测电路构成。通过对不同波形的周期光信号进行数字编码，并快速切换光强信号的波形，在光信号到微波信号转换的过程中同时实现了BFSK调制。不同于传统方法，该信号转换方案无需光信号的解调和上变频过程，有效简化了系统复杂度。此外，作者还基于超表面的色散特性实现了频分复用调制的双通道独立信号转换，进一步提升了通信容量。
4. 智能超表面
尽管可编程超表面能够对不同电磁功能实现动态调谐与可编程控制，但超表面并不能进行自主判断与决策，对特定电磁功能的生成和切换仍然依赖人为操作。在可编程超表面上集成传感器件来感知外部环境，建立环境变量与电磁功能对应关系，并设计相应反馈算法与控制电路，可以进一步实现智能超表面。作为闭环系统，智能超表面可以自主感知系统自身变化(空间姿态、运动状态等)和外部环境变化(温度、湿度、环境光等)，在不需要人为命令的情况下实现不同电磁功能的自适应切换。
智能超表面的概念最早在2019年由Ma等人[90]首先提出，作为原型验证，他们同时提出一款集成陀螺仪传感器的智能超表面，能够实现系统自身位置动态变化时的波束自适应调控，如图10(a)所示。集成于系统中的陀螺仪首先感知到系统自身的姿态变化信息(俯仰角、方位角等)，然后传输给预设反馈算法的微控制单元(Motor Control Unit, MCU)；MCU中运行快速反馈算法，基于姿态变化信息实现编码序列修正；MCU联合FPGA控制可编程超表面，使波束重新指向原方位，进而实现波束自适应凝视。基于这种智能超表面，作者验证了单波束自适应波束凝视，以及多波束时波束凝视和波束扫描双功能集成，如图10(b)所示。该智能超表面有望应用于飞行器上的卫星通信场景，是一种低成本且高效的可选方案。另外，作者还通过集成多个传感器，包括温度、湿度、光照度传感器等进一步展示智能超表面系统的多维度感知能力。
2021年，文献[91]进一步报道了一种基于时域数字编码超表面的智能多普勒隐身斗篷。该斗篷可在宽带和全极化模式下运行，具有很高的自适应性，可以实时隐藏移动系统中发生的多普勒效应，且无需人工控制。智能多普勒隐身斗篷的工作原理如图10(c)所示，首先速度传感器探测超表面运动速度Vt，然后MCU与计算机处理速度信息，控制任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator, AWG)输出相应时间调制电压驱动信号，使对应速度Vt的多普勒频移Δfd被超表面产生的人为频谱搬移量Δft = –Δ fd抵消，最终实现多普勒隐身。作者以宽频带全极化可编程超表面为硬件基础，在3.3 GHz, 4.9 GHz和6 GHz分别对x/y线极化，±45°线极化和LHCP/RHCP入射波验证了对不同多普勒频移的补偿，如图10(d)所示。该工作解决了与隐身斗篷设计相关的几个关键问题，包括带宽、极化以及智能自适应调控，在智能伪装系统、多普勒雷达、传感器、卫星通信以及车联网等领域均具有潜在应用价值。
除此之外，还有一些针对其他应用场景的智能超表面被提出，例如双极化智能超表面[92]，通过感知入射波极化实现双极化独立自适应波束调控；计算机视觉智能超表面[93]，利用双目识别实现动态目标跟踪与波束自适应调控；人工神经网络(Artificial Neural Networks, ANNs)驱动的智能超表面成像仪[94]，能够自适应地从目标收集电磁数据并执行目标成像和识别。可见，智能超表面不仅为智能系统的发展提供了设计简单、低成本且高效的实现途径，而且有助于促进超材料物理、信息科学、智能无人系统科学等多学科的交叉、融合与发展。
5. 结语
十多年来，超表面一直是科学研究与工程技术领域的共同关注点。其不仅能够在亚波长尺度上对电磁波各种物理特征进行自由调控，而且具有低剖面、损耗小等传统超材料所不具备的优点。近年来涌现出的数字编码超表面建立了全新的超表面数字表征体系，而可编程超表面与智能超表面进一步实现了对电磁波的实时可编程调控、智能感知与自适应调控。本文首先回顾了数字编码超表面的基本概念和超材料信息论；然后详细综述了可编程超表面的基本原理、实现方式与相关研究进展；最后概述了智能超表面的最新研究进展。
相比于传统设计方法，基于超表面的电磁器件与系统设计具有架构简单、成本低廉和控制复杂度低等优势，但超表面的潜能远不止于此。未来可以在如下3个方面进行更加深入的探索：
(1) 拓展可编程超表面调控自由度。随着未来电磁环境考验变得严峻，对单一电磁维度的可编程控制已不再能满足多变的电磁调控需求。未来可进一步拓展可编程超表面调控自由度，同时实现相位、幅度、极化、频率等多维度电磁特征的独立实时调控。
(2) 提升智能超表面环境感知能力与电磁调控性能。目前智能超表面的研究仍然处于起步阶段，其在感知部分、控制部分与超表面部分均有很大的提升空间。首先可以将不同传感器件集成于同一超表面，实现对复杂环境的多维度感知；另外，未来可以引入以机器学习和神经网络为代表的人工智能算法，实现对环境变化的精准感知和自认知学习；最后，智能超表面以可编程超表面为硬件基础，可编程超表面的电磁调控能力决定了智能超表面的电磁性能，未来应在提升感知能力同时注重超表面硬件的电磁性能提升。
(3) 发展基于电磁超表面的系统级应用。近年来，电磁超表面已经展露出引人注目的系统级应用潜力，包括新体制无线通信与雷达探测等。除上文介绍的基于时域数字编码超表面的新体制无线通信系统外，近期有研究已验证了基于可编程超表面的高精度波达角估计[95]及距离剖面成像[96]，对高性能与低成本雷达探测系统的研制与发展起到一定的促进作用。除此之外，可编程超表面也被用于构建可编程衍射深度神经网络系统[97]，在物理层面直接实现了对电磁波的感知与计算，对传感、图像识别和无线通信等均具有积极影响。未来可进一步探索超表面在不同实际工程需求中的潜在应用，这不仅能够为各种电磁系统的简化和性能提升提供新的方向，也能够形成正反馈，促进超表面的快速发展与产业化应用。
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图 7 动态可重构与可编程辐射式超表面
Figure 7. Dynamically reconfigurable and programmable radiation-type metasurfaces
图 9 时域数字编码超表面与新体制通信系统
Figure 9. Time-domain digital coding metasurfaces and new wireless communication systems
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