基于電磁表面的陣列天線及應(yīng)用概述

周嵩林，唐雋文，劉羅顥，吳優(yōu)，劉長(zhǎng)昊，金一飛，楊帆，許慎恒，李懋坤

（1.清華大學(xué)電子工程系，北京 100084；2.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094）

0 引言

超材料是指人工設(shè)計(jì)的具有天然材料所不具有的特殊物理性質(zhì)的材料，是近幾年的熱門研究方向之一。當(dāng)超材料在某一方向上的尺寸趨近于0，成為二維材料時(shí)，也被稱為超表面。相比三維超材料，超表面更有利于分析、設(shè)計(jì)和加工，是目前超材料相關(guān)研究的主流內(nèi)容。

不同于聲學(xué)表面、力學(xué)表面等其他超表面，電磁表面主要研究超表面對(duì)電磁場(chǎng)表現(xiàn)出的調(diào)控能力，在電磁學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注。近些年，隨著技術(shù)的發(fā)展和工藝的進(jìn)步，電磁表面為天線設(shè)計(jì)，尤其是陣列天線的設(shè)計(jì)帶來了全新的思路和方法。基于人工電磁表面的陣列天線能夠極大地降低陣列的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、重量以及成本，為通信、雷達(dá)等領(lǐng)域提供新一代硬件基礎(chǔ)。

本文對(duì)電磁表面陣列天線進(jìn)行了總結(jié)和介紹。首先介紹了其早期的發(fā)展和界面電磁理論；然后基于可重構(gòu)電磁表面陣列天線，討論了當(dāng)前的一些研究前沿；隨后給出了幾個(gè)電磁表面陣列天線在系統(tǒng)層面的應(yīng)用實(shí)例；最后對(duì)電磁表面陣列天線未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 電磁表面陣列天線簡(jiǎn)介與早期發(fā)展

電磁表面陣列天線是指借助電磁表面的特殊物理性質(zhì)，對(duì)空間入射電磁波進(jìn)行接收、調(diào)控和發(fā)射的器件。這一概念的前身是20 世紀(jì)中期提出的以頻率選擇表面為代表的人工電磁表面[1]和以波導(dǎo)口反射陣為代表的反射陣天線[2]。在印制電路板（PCB,printed circuit board）天線加工工藝成熟后，二者迅速結(jié)合并發(fā)展成基于微帶結(jié)構(gòu)的電磁表面陣列天線。本節(jié)將介紹早期人工電磁表面、界面電磁學(xué)理論以及不可重構(gòu)的電磁表面陣列天線。

1.1 人工電磁表面

電磁波在物體表面的反射、折射特性一直是人們感興趣的一個(gè)研究方向。早在17 世紀(jì)，荷蘭物理學(xué)家Snellius[3]針對(duì)光的反射和折射特性提出了折射定律。隨后，在自然材料表面的各種電磁現(xiàn)象，如全反射、全透射等，逐漸被學(xué)者發(fā)現(xiàn)。

為了更進(jìn)一步地調(diào)控電磁波在物體表面的響應(yīng)，20 世紀(jì)50 年代，有學(xué)者提出使用周期性排布的平面結(jié)構(gòu)對(duì)空間中的電磁波進(jìn)行響應(yīng)，該結(jié)構(gòu)被稱為頻率選擇表面[1]。頻率選擇表面可以使某些頻段內(nèi)的電磁波透射，而其他頻段的電磁波則會(huì)被反射，因此表現(xiàn)出空間濾波器的特性。隨后幾十年中，出現(xiàn)了多種基于周期結(jié)構(gòu)的電磁表面，其中具有代表性的是人工磁導(dǎo)體[4]，也稱電磁帶隙結(jié)構(gòu)[5]。

1.2 界面電磁學(xué)理論

在人工電磁表面發(fā)展至一定程度后，為了更加系統(tǒng)地描述各種表面上不同的電磁現(xiàn)象，研究者提出了界面電磁學(xué)理論。類比零維的電路理論、一維的傳輸線理論以及三維的麥克斯韋經(jīng)典電磁理論，界面電磁學(xué)關(guān)注一維和三維之間未進(jìn)行充分系統(tǒng)研究的區(qū)域，即二維表面上的電磁理論，如圖1 所示。目前，界面電磁學(xué)仍是一個(gè)新興的學(xué)科，其中尚有大量的內(nèi)容等待發(fā)掘和完善。

圖1 界面電磁學(xué)的學(xué)科定位

界面電磁學(xué)理論中一個(gè)重要的研究方向就是基于電磁表面的新型高增益陣列天線。此類天線一般由電磁表面和饋電系統(tǒng)兩部分組成，采用不同的工作模式、相位控制、口面形式、饋電方式等，可以組合出針對(duì)各種應(yīng)用的不同天線系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 基于電磁表面的新型高增益陣列天線分類

1.3 不可重構(gòu)的電磁表面陣列天線

早期的電磁表面陣列天線多為不可重構(gòu)的固定波束陣列天線。它不需要集成額外的饋電和控制電路，設(shè)計(jì)流程較簡(jiǎn)單，在波束穩(wěn)定性、輻射效率和對(duì)復(fù)雜環(huán)境的耐受力方面都具有很好的表現(xiàn)。根據(jù)電磁波在表面上的作用方式，可以分為反射陣天線和透射陣天線。

對(duì)反射電磁波進(jìn)行調(diào)控的天線稱為反射陣天線。反射陣天線單元一般由金屬地板、介質(zhì)板、貼片和通孔組成。其中，金屬地板可以抑制單元的背向輻射，使透射系數(shù)幾乎為0。不可重構(gòu)反射陣天線一般通過幾何變化實(shí)現(xiàn)相位控制，例如，改變單元的大小[6]、形狀或旋轉(zhuǎn)角度[7]等，如圖3(a)所示。

對(duì)透射電磁波進(jìn)行調(diào)控的天線稱為透射陣天線。相比反射陣天線，透射陣天線的突出優(yōu)勢(shì)是沒有饋源遮擋，劣勢(shì)則是透射帶來的損耗更大。透射陣天線根據(jù)入射波和出射波之間轉(zhuǎn)換的原理不同，可以分為收發(fā)式[8]和層疊耦合式[9]2 種，分別如圖3(b)和圖3(c)所示。

圖3 早期電磁表面陣列天線或單元

2 電磁表面陣列天線研究現(xiàn)狀

不可重構(gòu)電磁表面陣列天線只能在空間域?qū)﹄姶挪ㄟM(jìn)行調(diào)制，而在時(shí)間域，表面的電磁特性是恒定不變的。為了實(shí)現(xiàn)波束成形和波束掃描，需要在時(shí)間上也能對(duì)電磁波進(jìn)行調(diào)制。本節(jié)首先介紹可重構(gòu)電磁表面陣列天線，包括連續(xù)相位（模擬）電磁表面和離散相位（數(shù)字）電磁表面，然后介紹可重構(gòu)電磁表面陣列天線在寬帶、太赫茲、多極化等方面的前沿結(jié)果。

2.1 可重構(gòu)電磁表面陣列天線

可重構(gòu)電磁表面陣列天線可以通過重構(gòu)單元的電磁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)單元相位的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)波束掃描。一般對(duì)單元的反射或透射相位進(jìn)行調(diào)控，包括機(jī)械控制調(diào)相[10-11]、可變材料調(diào)相[12-13]和集成固態(tài)電子器件調(diào)相[14-19]。其中，集成固態(tài)電子器件的調(diào)相方式相較于前2 種調(diào)相方式具有響應(yīng)速度快、損耗低等特點(diǎn)，因此被廣泛用于反射式和透射式的可重構(gòu)電磁表面陣列天線設(shè)計(jì)。本節(jié)將分別介紹使用集成固態(tài)電子器件在電磁表面陣列天線中實(shí)現(xiàn)連續(xù)或離散的相位調(diào)控的方法。

2.1.1連續(xù)相位電磁表面的調(diào)控

連續(xù)相位電磁表面的調(diào)控一般需要使用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)，一些設(shè)計(jì)也同時(shí)使用了PIN 二極管[14-15]。使用連續(xù)相位設(shè)計(jì)可以規(guī)避相位量化誤差造成的輻射性能惡化，但其工作頻率相對(duì)較低，同時(shí)復(fù)雜的單元結(jié)構(gòu)和偏置電路使單元損耗較大，一定程度上造成了輻射效率的下降，因此研究者一直致力于如何降低單元損耗。

Trampler 等[14]提出了一個(gè)雙諧振的反射式結(jié)構(gòu)單元，單元加載4 個(gè)變?nèi)荻O管可以實(shí)現(xiàn)超過360°的調(diào)相范圍，如圖4(a)所示。Tang 等[15]提出了一個(gè)透射式的收發(fā)結(jié)構(gòu)單元，如圖4(b)所示。加載在發(fā)射貼片上的2 個(gè)PIN 二極管用于控制電流方向，基于電流反轉(zhuǎn)原理實(shí)現(xiàn)180°相位差。此外，結(jié)合一個(gè)加載3 個(gè)變?nèi)荻O管的模擬移相器提供180°連續(xù)相位，因此單元可以實(shí)現(xiàn)360°范圍的連續(xù)相位調(diào)控。

圖4 連續(xù)相位單元結(jié)構(gòu)

2.1.2離散相位電磁表面的調(diào)控

離散相位電磁表面的調(diào)控一般借助PIN 二極管和射頻微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS,micro-electro mechanical system）開關(guān)等性能參數(shù)穩(wěn)定、功耗低、截止頻率較高的開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)單元相位的1 bit或2 bit 量化。使用離散相位設(shè)計(jì)的單元相比連續(xù)相位設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，損耗更低，但是會(huì)受相位量化誤差的影響。根據(jù)計(jì)算，進(jìn)行1 bit 相位量化后，陣列天線的輻射增益會(huì)遭受3～4 dB 的損失，旁瓣電平也會(huì)急劇升高，特別是在波束掃描時(shí)旁瓣性能惡化更明顯。而將相位量化精度提升至2 bit 時(shí)，增益損失降低到約1 dB，旁瓣性能也得到大幅改善[20-21]。因此2 bit 相位量化是一個(gè)折中的量化精度。

1 bit 相位量化設(shè)計(jì)的一個(gè)經(jīng)典結(jié)構(gòu)是邊緣加載PIN 二極管的微帶貼片單元。Xu 等[16]在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)雙線極化的反射式1 bit 單元，如圖5(a)所示。單元加載2 個(gè)PIN 二極管，在12.5 GHz 的x極化方向和14.25 GHz 的y極化方向上均可實(shí)現(xiàn)1 bit相位調(diào)控。1 bit 的相位調(diào)控由PIN 二極管的通斷改變輻射貼片的等效電路長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)。

另一種1 bit 量化設(shè)計(jì)通過極化轉(zhuǎn)換電流反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。Luo 等[17]提出了一個(gè)寬帶透射式1 bit 單元，單元結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示，單元基于極化旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，頂層和底層的金屬柵網(wǎng)用于接收和輻射電磁波，中間層的2 個(gè)正交放置的極化器分別加載一個(gè)PIN 二極管用于移相和極化轉(zhuǎn)換。當(dāng)2 個(gè)PIN 二極管中的一個(gè)導(dǎo)通時(shí)，對(duì)應(yīng)的極化器工作，使極化偏轉(zhuǎn)；當(dāng)另一個(gè)導(dǎo)通時(shí)，同樣產(chǎn)生極化偏轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)極化后的電場(chǎng)相位恰好相反，從而實(shí)現(xiàn)寬帶的180°相位差。

圖5 1 bit 相位量化單元結(jié)構(gòu)

2 bit 相位量化由于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，需要進(jìn)行巧妙的設(shè)計(jì)，因此相關(guān)的工作較少。2020 年，Diaby等[18]提出了一個(gè)透射式的2 bit 單線極化單元，單元結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示。它由六層金屬和五層介質(zhì)組成，加載了4 個(gè)PIN 二極管。180°相移通過加載在接收O 形槽貼片上的2 個(gè)PIN 二極管來實(shí)現(xiàn)；另外2 個(gè)PIN 二極管加載在傳輸貼片上，該貼片包含一條延遲線，以實(shí)現(xiàn)額外的0°/90°相位切換，最終實(shí)現(xiàn)2 bit相位調(diào)控。

2022 年，Zhang 等[19]提出了如圖6(b)所示的反射式2 bit 單元，單元包括極化轉(zhuǎn)換層和反射層兩部分，共加載了6 個(gè)MEMS 射頻開關(guān)來實(shí)現(xiàn)2 bit 相位調(diào)控，其中，極化轉(zhuǎn)換層實(shí)現(xiàn)90°/-90°相位控制，反射層實(shí)現(xiàn)0°/90°相位控制。

圖6 2 bit 離散相位單元結(jié)構(gòu)

2.2 寬帶電磁表面陣列天線

由于可重構(gòu)電磁表面陣列單元大多使用貼片式輻射結(jié)構(gòu)，具有天然的窄帶特性，其工作帶寬受到很大制約。為了獲得寬帶的工作特性，可采用的方法包括多層堆疊、極化轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)單元間耦合等。

Xi 等[22]提出了添加寄生貼片層形成堆疊微帶結(jié)構(gòu)以提高電磁表面陣列帶寬的方法，通過在原單元上方添加無(wú)源的寄生貼片，能夠有效拓展帶寬，如圖7(a)所示。最終組成了一個(gè)16×16 的1 bit 可重構(gòu)反射陣天線，1 dB 增益帶寬達(dá)到15.4%。

圖7 寬帶電磁表面陣列天線

Zhou 等[23]提出的雙層貼片反射陣同樣采用了多層堆疊結(jié)構(gòu)來拓寬帶寬，如圖7(b)所示。與文獻(xiàn)[22]的不同之處在于，該工作兩層諧振結(jié)構(gòu)上均加載了有源的PIN 二極管，通過更復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)獲得了更寬的增益帶寬。最終組成16×16 的陣列天線后達(dá)到了22.5%的1 dB 增益帶寬。

采用極化轉(zhuǎn)換、電流反轉(zhuǎn)思路實(shí)現(xiàn)的單元，一般擁有更寬的移相帶寬，可以提高整個(gè)陣列的增益帶寬。使用此方法的一個(gè)最新結(jié)果是Luyen 等[24]利用極化轉(zhuǎn)換方法設(shè)計(jì)的寬帶反射陣，如圖7(c)所示。通過控制2 個(gè)PIN 管通斷使1 和3、2 和4 分別連通作為2 種單元狀態(tài)，2 種狀態(tài)在極化轉(zhuǎn)換之后的電流方向相反，因此兩者之間具有很穩(wěn)定的相移曲線，能夠在8～12 GHz 內(nèi)保持180°的相位差。最后組成16×16 的反射陣天線，3 dB 增益帶寬超過30%。

Mu 等[25]在2021 年提出了一種新的使用緊耦合法拓寬反射陣帶寬的方法。通過在相鄰單元間添加鋸齒狀結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)耦合，能夠獲得更加穩(wěn)定的移相曲線，并借此獲得更寬的移相帶寬，如圖7(d)所示。最終組成了18×12 大小的陣列，3 dB 增益帶寬為40%。

寬帶電磁表面陣列天線帶寬對(duì)比如表1 所示。

表1 寬帶電磁表面陣列天線帶寬對(duì)比

2.3 太赫茲電磁表面陣列天線

基于界面電磁理論的電磁表面陣列天線設(shè)計(jì)方法，理論上可以在任何頻帶內(nèi)設(shè)計(jì)電磁表面陣列天線。然而，在太赫茲頻段，由于天線結(jié)構(gòu)尺寸小、損耗大，因此對(duì)天線設(shè)計(jì)和加工，以及開關(guān)器件的性能提出了新的挑戰(zhàn)。為了解決上述挑戰(zhàn)，人們利用新的工藝、新的開關(guān)來設(shè)計(jì)太赫茲頻段的電磁表面陣列天線。

2018 年，Zhang 等[26]使用高電子遷移率晶體管（HEMT,high electron mobility transistor）器件實(shí)現(xiàn)了太赫茲頻段的相位調(diào)制，如圖8(a)所示。通過利用微納加工工藝，制備了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)開關(guān)，通過施加不同電壓，控制HEMT 器件中二維電子氣濃度，從而控制器件電流，調(diào)整天線表面對(duì)入射波的響應(yīng)，最終在0.35 THz 頻點(diǎn)對(duì)入射電磁波實(shí)現(xiàn)了137°的相移。同年，他們利用二氧化釩（VO2）對(duì)溫度的響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)了太赫茲空間相位調(diào)制[27]。通過激光照射電磁表面，以改變二氧化釩器件的溫度，使二氧化釩實(shí)現(xiàn)相變，從而改變天線諧振狀態(tài)，最終在0.6 THz 處實(shí)現(xiàn)了138°的相移，并能獲得55 GHz 的帶寬。

2019 年，Xu 等[28]基于HEMT 器件工藝，設(shè)計(jì)了一款所有單元可獨(dú)立相控的太赫茲反射陣天線。仿真表明，該天線可在0.3 THz 處實(shí)現(xiàn)180°相移，并可以實(shí)現(xiàn)60°大角度掃描。

2020 年，Venkatesh 等[29]利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS,complementary metal oxide semiconductor）工藝實(shí)現(xiàn)了單元獨(dú)立可控的太赫茲可重構(gòu)透射陣，如圖8(b)所示。他們利用標(biāo)準(zhǔn)65 nm CMOS 工藝，加工了576 單元的陣列。每個(gè)單元上集成8 個(gè)CMOS 器件，可在0.3 THz 處實(shí)現(xiàn)±30°動(dòng)態(tài)波束成形，動(dòng)態(tài)切換速率可達(dá)到5 GHz。

2022年，Monroe等[30]實(shí)現(xiàn)了一套工作在265 GHz的98×98 單元超大規(guī)模CMOS 反射陣?yán)走_(dá)，如圖8(c)所示。該設(shè)計(jì)使用了先進(jìn)的22 nm FinFET 工藝，可以加工低損耗移相器。同時(shí)，利用CMOS 工藝在陣列中集成移位寄存器和存儲(chǔ)器等控制電路，實(shí)現(xiàn)了快速波束切換和雷達(dá)掃描成像應(yīng)用。

圖8 太赫茲電磁表面陣列天線

除了CMOS 工藝，研究者還在其他工藝和開關(guān)器件上進(jìn)行了積極探索，例如，GaAs 肖特基二極管[31]、相變材料（PCM，phase change material）[32]、石墨烯[33]等，驗(yàn)證了這些材料和器件在太赫茲可重構(gòu)電磁表面陣列天線上的應(yīng)用潛力。

2.4 多極化電磁表面陣列天線

極化也是電磁波的重要特性之一。除一般的線極化和圓極化以外，通過合適的單元設(shè)計(jì)，電磁表面陣列天線能夠?qū)崿F(xiàn)雙極化、全極化、雙圓極化等多種極化方式。

雙線極化方面的研究在幾年前就已經(jīng)成熟，基本的工作原理大同小異。例如，Moghadas 等[34]早在2015 年就提出用加載MEMS 開關(guān)的十字槽單元實(shí)現(xiàn)雙頻雙極化反射單元。通過加載在2 個(gè)垂直槽上的多個(gè)MEMS 開關(guān)對(duì)垂直和水平2 個(gè)極化分量分別進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了垂直和水平極化獨(dú)立的相位響應(yīng)。2.1.2 節(jié)中提到的文獻(xiàn)[16]是較新的一項(xiàng)雙極化相關(guān)的工作。

雙圓極化的相關(guān)研究則較為滯后，目前絕大部分結(jié)果都僅為不可重構(gòu)陣列。例如，一些研究中使用線-圓極化轉(zhuǎn)換器[35]、后級(jí)3 dB 電橋[36]等進(jìn)行多層之間的極化分離后，再進(jìn)行獨(dú)立的相位調(diào)控。最新的一項(xiàng)工作借助相位延遲線和動(dòng)態(tài)相位補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)寬帶的雙圓極化反射單元，如圖9(a)所示，但仍然是不可重構(gòu)的，無(wú)法進(jìn)行波束掃描[37]。

2021 年，Baladi 等[38]首次實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)的雙圓極化單元，并且在組陣后實(shí)現(xiàn)了波束掃描，如圖9(b)所示。采用交錯(cuò)布陣的思路，在2 個(gè)不同尺寸且都加載了4 個(gè)變?nèi)荻O管的單元上實(shí)現(xiàn)了異頻雙圓極化，是目前唯一實(shí)現(xiàn)了雙圓極化波束掃描的電磁表面陣列天線。其局限是僅能夠在2 個(gè)不同頻段實(shí)現(xiàn)雙圓極化獨(dú)立波束掃描，無(wú)法做到同頻獨(dú)立。

圖9 雙圓極化電磁表面陣列天線

3 電磁表面陣列天線的應(yīng)用場(chǎng)景

電磁表面陣列天線所具有的低重量、低成本和低剖面等優(yōu)勢(shì)，使其在通信、雷達(dá)等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。本節(jié)從通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)以及電磁環(huán)境調(diào)控3 個(gè)方面討論電磁表面陣列天線的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1 通信系統(tǒng)

電磁表面陣列天線可以直接作為衛(wèi)星發(fā)射天線，由于其具有的低剖面和低重量的特性，十分適于衛(wèi)星通信。文獻(xiàn)[39]提出了如圖10(a)所示的一種緊湊型四簇寬帶圓極化連續(xù)旋轉(zhuǎn)電磁表面陣列天線陣列，用于C 波段衛(wèi)星通信。這項(xiàng)工作使用了帶有S 形電磁表面陣列天線單元的連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)，有效增強(qiáng)了軸比帶寬。文獻(xiàn)[40]綜合上文提到的連續(xù)相位調(diào)控與寬帶設(shè)計(jì)兩大熱點(diǎn)問題，提出了如圖10(b)所示的基于變?nèi)荻?jí)管的連續(xù)相位調(diào)控的由蘑菇單元構(gòu)成的可重構(gòu)反射式電磁表面陣列天線，具有超寬帶特性，可用于X 波段和Ku 波段衛(wèi)星通信。

對(duì)電磁表面單元狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)編程控制并傳輸數(shù)字信息，稱為可編程電磁表面，采用可編程電磁表面能實(shí)現(xiàn)一種新型的無(wú)線發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)[41]。此類發(fā)射機(jī)不再需要濾波器、寬帶混頻器或?qū)拵Чβ史糯笃鞯绕骷蟠蠼档土苏麢C(jī)復(fù)雜度，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的無(wú)線通信系統(tǒng)的一種很有前景的硬件結(jié)構(gòu)。2019 年，Tang 等[42]基于8×32 單元的可編程超表面實(shí)現(xiàn)了8PSK 發(fā)射機(jī)，在4.25 GHz 頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)6.144 Mbit/s 的傳輸速率，如圖10(c)所示。此外，使用可編程相控陣進(jìn)行時(shí)空編碼，可以進(jìn)行空分復(fù)用，將多個(gè)信道的信息同時(shí)傳遞給不同用戶，而不需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和混合處理[43]。

圖10 通信系統(tǒng)中的電磁表面陣列天線

3.2 雷達(dá)系統(tǒng)

雷達(dá)系統(tǒng)通過發(fā)射無(wú)線電波，并利用反射的回波生成遠(yuǎn)距離目標(biāo)的圖像。為了獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離和更高的分辨率，需要使用大尺寸高增益的陣列天線。傳統(tǒng)的相控陣通常需要昂貴的有源射頻組件，其尺寸、重量、功率等問題以及高昂的成本令人望而卻步。可重構(gòu)電磁表面陣列天線的技術(shù)路線對(duì)基于陣列的雷達(dá)來說很有吸引力，可以支持小型雷達(dá)系統(tǒng)的大規(guī)模量產(chǎn)，是傳統(tǒng)相控陣的低成本替代品。可重構(gòu)電磁表面陣列天線在雷達(dá)中的應(yīng)用包括遠(yuǎn)場(chǎng)（如汽車防撞、無(wú)人機(jī)監(jiān)視等）和近場(chǎng)（穿墻成像）系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[44-45]提出了一種工作在92～96 GHz的可重構(gòu)電磁表面陣列天線，僅利用普通的PCB 加工工藝及加工精度要求，通過合理的單元設(shè)計(jì)，就可以控制PIN 二極管實(shí)現(xiàn)電流翻轉(zhuǎn)，能輕便地、低成本地在W 波段保證穩(wěn)定的180°調(diào)相效果。更進(jìn)一步地，通過輸入合適的空間編碼，相控電磁表面陣列天線可以形成具有不同指向的波束。這種具有空間波束掃描能力的透射型相控電磁表面陣列天線可以用作雷達(dá)系統(tǒng)的接收天線，如圖11(a)所示。

2.3節(jié)中提到了文獻(xiàn)[30]提出的一款基于硅基22 nm 工藝設(shè)計(jì)制作的應(yīng)用在260 GHz 的1 bit 太赫茲相控電磁表面，其應(yīng)用也是作為反射陣?yán)走_(dá)，如圖11(b)所示。除了硅基太赫茲電磁表面上的一些前沿設(shè)計(jì)外，在系統(tǒng)后端還充分發(fā)揮了硅基集成電路的特色，設(shè)計(jì)內(nèi)存存儲(chǔ)，將雷達(dá)掃描與頻率掃描所需要的所有控制文件存儲(chǔ)進(jìn)內(nèi)存，僅需要輸入少量信息即可自主生成波束，大大降低了走線復(fù)雜度。

圖11 雷達(dá)系統(tǒng)中的電磁表面陣列天線

3.3 電磁環(huán)境調(diào)控

對(duì)于電磁環(huán)境，尤其是電磁信道的改變和控制，是電磁表面近幾年在通信領(lǐng)域新的應(yīng)用方向，其硬件結(jié)構(gòu)與電磁表面陣列天線基本一致，相關(guān)研究者稱其為可重構(gòu)智能表面（RIS,reconfigurable intelligent surface）。通過將RIS 放置在信道中，改變電磁波傳播特性，能夠有效提高信道容量。

2019 年，Hougne 等[46]使用放置在隨機(jī)環(huán)境中的可重構(gòu)電磁表面，能夠調(diào)整信道的無(wú)序性，并為不同的無(wú)線信道添加完美正交性。他們展示了在擁有3×3 個(gè)系統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境中的增強(qiáng)無(wú)線圖像傳輸，通過調(diào)整無(wú)序性，使獨(dú)立信道數(shù)從2 個(gè)增強(qiáng)到最高的3 個(gè)。

2021 年，Elmossallamy 等[47]針對(duì)上行多用戶情景，提出可以通過最大化RIS 增強(qiáng)信道的有效秩和最大化最小奇異值的方法，對(duì)RIS 相移進(jìn)行優(yōu)化，從而提升其信道增強(qiáng)能力。結(jié)果表明，即使優(yōu)化后RIS 的直接傳播僅貢獻(xiàn)了接收功率的一小部分，線性接收機(jī)的速率也顯著提高了。

4 電磁表面陣列天線的未來發(fā)展趨勢(shì)

結(jié)合上述介紹的一些研究與應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，電磁表面陣列天線的研究與應(yīng)用可根據(jù)頻率劃分為2 個(gè)部分。1) 在微波、毫米波頻段，電磁表面陣列天線已經(jīng)有了大量的研究結(jié)果，并已經(jīng)應(yīng)用于通信、雷達(dá)等相關(guān)領(lǐng)域，另外還衍生出一種新的信道調(diào)控方法。2) 在太赫茲頻段，受限于器件、工藝等諸多因素，電磁表面陣列天線目前僅有的幾個(gè)研究結(jié)果，都還處于從零到一、從無(wú)到有的探索階段。

因此，電磁表面陣列天線未來在微波、毫米波頻段的發(fā)展會(huì)與系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)合得更加緊密。以實(shí)際應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)，研究功能更加完備、工作指標(biāo)更加突出的電磁表面陣列天線；或是利用可重構(gòu)電磁表面本身的數(shù)字化調(diào)控優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高數(shù)字化程度，研究以可編程時(shí)空調(diào)制電磁表面為硬件基礎(chǔ)的新型發(fā)射機(jī)、可重構(gòu)智能表面等。

在太赫茲領(lǐng)域，電磁表面的發(fā)展有3 個(gè)關(guān)鍵問題亟待解決。首先，受限于太赫茲固態(tài)器件的非理想開關(guān)條件，電磁表面對(duì)太赫茲頻段電磁波的調(diào)控機(jī)理尚不清楚；其次，受限于芯片材料和工藝，太赫茲電磁表面單元的設(shè)計(jì)自由度少、輻射效率低；最后，相關(guān)的一些加工工藝（如GaN 工藝、CMOS 工藝、異構(gòu)集成工藝等）還缺乏研究和規(guī)范化。研究上述問題需要電磁理論、半導(dǎo)體器件、微納集成工藝等多個(gè)領(lǐng)域的學(xué)科交叉和協(xié)同創(chuàng)新，具有更高的挑戰(zhàn)性，但同時(shí)也擁有廣闊的發(fā)展空間。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電磁表面陣列天線進(jìn)行了一個(gè)整體的介紹。從傳統(tǒng)的頻率選擇表面，到早期的不可重構(gòu)電磁表面陣列天線，再到可重構(gòu)電磁表面陣列天線相關(guān)的最新研究，最后到各系統(tǒng)中的應(yīng)用，從一個(gè)相對(duì)全面的視角建立了對(duì)電磁表面陣列天線的整體認(rèn)知。

針對(duì)電磁表面陣列天線的最新研究進(jìn)展，本文總結(jié)了電磁表面陣列天線在可重構(gòu)、寬帶、太赫茲和多極化等方面的最新研究進(jìn)展。在系統(tǒng)應(yīng)用層面，本文也給出了電磁表面陣列天線在通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)以及電磁環(huán)境控制中的一些應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)電磁表面陣列天線未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

總體來說，基于人工電磁表面的陣列天線這一領(lǐng)域在未來還有廣泛的研究?jī)?nèi)容和廣闊的應(yīng)用前景，期待越來越多的研究者共同參與到這一新興領(lǐng)域的探索中來。