基于超表面的透-反陣列天線綜述

關鍵詞：超表面；透射陣；反射陣；雙向輻射；全空間覆蓋

0引言

超表面作為一種由亞波長結構組成的二維人工材料，憑借對電磁波多個維度強大的調控能力和低剖面特性等優勢，在通信技術領域具有巨大的應用潛力和發展空間。超表面與天線結合所設計的超表面天線能夠有效調節并提升天線的輻射性能，拓展天線的應用場景。

高增益天線在衛星及雷達等遠距離通信系統中具有不可替代的作用。相比于相控陣天線，基于超表面技術設計的空饋天線無需復雜的饋電網絡和昂貴的收發組件，具有更加廣闊的應用前景。在超表面空饋天線的設計過程中，通過對周期超表面單元結構的設計和分析，能夠獨立調控電磁波的透射／反射幅度。同時，結合廣義斯涅耳定律，可實現對透射或反射波束的任意偏折和精確賦形。

傳統的超表面空饋天線主要分為兩大類：反射陣和透射陣。超表面相位補償示意如圖1所示，反射陣天線由陣列平面及饋源組成，其中陣列平面一般由加載金屬地的超表面單元構成，饋源的相位中心位于陣列平面的等效焦點處。通過調節陣面各單元的相位響應，反射陣可輻射出特定方向的高增益波束。透射陣天線同樣由陣列平面及饋源組成。不同于反射陣天線，組成透射陣陣面的超表面單元多為疊層結構。在設計過程中，不僅需要關注各單元的透射相位響應，還需要保證單元具有較高的透射幅度，從而保證透射陣輻射出高增益波束。透射陣可有效消除反射陣的饋電阻塞問題，進一步提高天線設計的靈活度。

然而，無論是透射陣還是反射陣天線，其輻射空間均局限于半空間，覆蓋范圍相對有限。為了增加無線通信的信道容量并提供更多路的通信鏈接，具有全空間電磁覆蓋的透一反射陣列天線成為一項新的研究熱點。透一反射陣列天線同樣基于透射陣和反射陣的相位補償原理展開設計，能夠實現透射和反射2種輻射特性的融合設計，突破傳統陣列半空間、單指向的設計瓶頸，有效拓展通信系統的覆蓋范圍，并能實現天線與多移動終端間建立可靠的通信鏈路。

本文基于對現有透一反射陣列天線的研究，概述了基于超表面實現透一反全空間電磁調控的方法，分析了不同方法的內在原理，并對基于超表面的透一反射陣列天線技術發展提出了展望。

1透一反射波束同時輻射

為實現全空間的電磁調控，第1種思路是設計雙向輻射天線。這類天線可同時輻射出透射波束和反射波束，分別實現對上半空間和下半空間的電磁覆蓋。設計這類天線主要分為2種方法：①設計透／反射幅度均為0.5的超表面單元，并基于該類單元展開陣面設計；②獨立設計透射和反射型超表面單元，并基于不同類型的單元展開共口徑設計，從而實現透一反射功能的融合設計。

1.1雙向輻射超表面單元

2018年，Yang等基于近零厚度的金屬材料設計了一款可同時實現透一反射功能的雙向輻射超表面天線。如圖2（a）所示，通過在金屬材料上巧妙地刻蝕具有缺陷結構的方形環縫隙，所設計的超表面單元能夠同時實現對交叉極化場的透射和反射（T=R=0.5）。通過調節縫隙的尺寸以及缺陷結構的位置，該單元能夠同時實現對透射和反射相位的360°覆蓋。如圖2（b）所示，該天線可同時獲得高增益的透射和反射波束。

為了拓寬雙向輻射超表面陣列天線的應用場景，2019年，Wang等將Positive-Intrinsic-Negative（PIN）二極管引入透一反射超表面單元的設計中，并提出一種可重構的透一反射超表面天線。如圖3（a）所示，首先基于印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）結構設計了一款透／反射幅度均為0.5的超表面單元。基于該單元，2個PIN二極管被植入單元的環形縫隙。通過調節二極管的工作狀態，該單元可實現1bit的相位補償特性。如圖3（b）所示，通過獨立調節每個單元上二極管的工作狀態，所提出的透一反射超表面陣列天線可實現動態的波束掃描功能。

1.2透／反射單元共口徑設計

2021年，Liu等基于透／反射單元共口徑設計的思想，提出了一款透一反射超表面陣列天線。如圖4（a）所示，該超表面單元采用疊層結構，M1、M2和M3層刻蝕有六邊形環片結構，其中M2和M3層的金屬結構具有相同的尺寸。通過調節M1層金屬結構的尺寸，該單元能夠實現對電磁波全透射和全反射的功能切換。當該單元工作在反射狀態時，M1層發生諧振，此時M1層的金屬結構可看作具有帶阻作用的頻率選擇表面。通過調節M2和M3層金屬結構的尺寸，單元可獲得特定的反射相位。當該單元工作在透射狀態時，M1、M2和M3三層的金屬結構尺寸一致。通過調節金屬結構的尺寸，單元可獲得特定的透射相位。通過將2類單元組合布陣并利用多種群遺傳算法優化，所設計的陣列天線最終實現了透一反射功能。天線最終的透／反射單元孔徑分布如圖4（b）所示。

為了提供更多的鏈路連接，Guo等于2023年設計了一款多波束透一反射陣列天線，用于空天地海一體化網絡建設。陣列的結構及其輻射方向圖如圖5所示。該設計首先利用透／反射超表面單元交替布陣的思想，使所設計的天線實現透一反射2種輻射特性。其次，基于陣列理論設計思想，推導出聚焦相位疊加周期相位分布，陣面可實現多波束的輻射特性。通過利用多波束相位分布和透一反射單元交替布陣的設計方案，所設計的陣列天線可實現多波束透一反功能。此外，通過調節透／反射單元的布陣比例，透／反射波束的增益比也能夠被靈活地控制。

2透一反射波束獨立調控

上述透一反射陣列天線雖然能夠實現對電磁波的全空間調控，但是無法對透／反射波束實現獨立調節。透／反射波束的同時輻射無疑會帶來不必要的能量泄漏和電磁干擾，并且會導致單個波束的增益有所下降。因此，設計可獨立調節透／反射波束的透一反射陣列天線可有效解決上述問題，提高天線的實際應用價值。

2.1透／反射波束不同頻設計

2021年，Li等設計了一款雙頻寬帶透一反射超表面陣列天線。單元結構如圖6所示，該單元由2層PCB和3層金屬結構組成。頂層的金屬結構包括一個刻蝕C形縫隙的圓形貼片和加載移相線的開口環組成，中間為金屬地結構，底部為一個與頂部具有相同結構的圓形貼片，頂部與底部的金屬貼片通過一個短路過孔相連。當單元工作在透射狀態時，單元可看作一個電磁波接收一再輻射裝置。電磁波首先被位于頂部的刻蝕C形縫隙的圓形貼片接收，然后經短路過孔傳輸，通過底部的圓形貼片實現透射。由于金屬過孔的存在，該單元的透射幅度在-0.9dB以上。通過調節圓形貼片的旋轉角度，該單元的透射相位可實現0～360°相位覆蓋。當單元工作在反射狀態時，通過調節頂部開口環結構的移相線長度，單元的反射相位也可實現0～360°的覆蓋。由于金屬地結構的存在，單元的反射幅度也能夠保持在-0.26dB以上。因此，所設計的超表面陣列天線分別在11～14GHz以及15～19GHz頻段處實現了反射和透射功能。

2021年，Yang等設計了一款可工作在Ku、K和Ka三個不同頻帶的超表面透一反射陣列天線。多頻透一反射單元結構如圖7所示，在設計超表面單元時，首先設計了一款雙極化十字型透射單元，該單元在Ku波段可實現高效透射，而在K和Ka波段具有帶阻特性。通過在該單元的邊角分別放置K和Ka兩個波段的反射型超表面單元，所設計的陣列天線能夠在Ku波段實現透射，在K和Ka兩個波段實現反射。此外，通過分別調節十字型貼片尺寸以及方形環結構的尺寸，該單元能夠實現透射和反射功能各自頻帶上的360°相位覆蓋。

2023年，Jiang等設計了一款雙頻雙向圓極化透一反射超表面陣列天線。圓極化透一反射陣列天線輻射示意如圖8所示，該天線由一個傾斜45°放置的線極化喇叭和一個共享口徑的透一反射超表面陣列組成。陣列由十字型超表面單元構成。該十字型單元集成了工作在不同頻率處的透射型單元和反射型單元，二者互不影響。此外，該單元由2個相互垂直的正交層組成，能夠獨立調節2個相互正交的線極化電磁波的幅度和相位。為了實現線極化轉圓極化功能，陣面上各單元2個相互正交極化的透射相位均相差90°。因此，所設計的透一反射天線獲得了高增益的圓極化波束。

通過將透射和反射波束設計在不同頻率上，天線能夠實現全空間的電磁覆蓋。這種設計方法的本質是將工作在不同頻率處的透射和反射型超表面單元以更加緊湊的方式集成在同一口徑，實現透射和反射功能的集成。為實現準確的相位補償和較高的透／反射幅度，這種設計方法需要抑制不同頻率、不同類型單元之間的相互干擾。同時，由于透／反射單元的整體尺寸往往取決于低頻結構的尺寸，天線在高頻處的孔徑效率一般較低。

2.2極化正交設計

2018年，Cai等基于電磁波的極化正交性設計了一款超表面透一反陣列天線。透一反射單元結構及其輻射示意如圖9所示，該單元由3層PCB和4層金屬構成。金屬貼片為十字型結構，沿x和y極化方向上貼片的長度可獨立調節。其中，沿x軸方向的4層金屬貼片長度一致；沿y軸方向上，第1、2層尺寸一致，第3、4層作為反射結構連接在一起。通過獨立調節十字型金屬貼片的尺寸，該單元可分別實現x極化反射波和y極化透射波任意相位的調控。

為降低陣面剖面，2021年，Song等基于單層PCB結構設計了一款透一反射陣列天線。如圖10（a）所示，該單元主要由兩部分組成：單元的上半區域反射y極化電磁波、下半區域透射x極化電磁波。首先，反射部分由2個帶有倒L形縫隙的金屬貼片組成，貼片圍繞單元中心呈鏡像對稱結構。由于PCB下表面金屬貼片的存在，單元可實現對y極化電磁波的近似全反射；此外，反射部分采用相位延遲線技術展開設計。如圖10（b）所示，通過調節L形縫隙的長度，可實現反射相位的靈活調節。其次，透射部分由一對加載2個短路過孔的矩形金屬條構成。短路過孔的存在保證了單元能夠獲得較高的透射幅度。通過調節矩形金屬條的長度，單元能夠實現0～360°的透射相位覆蓋。

除線極化設計外，基于極化正交思想也可設計圓極化透一反射陣列天線。2022年，Wu等通過級聯的設計方式提出了一款圓極化透一反射超表面單元。如圖11（a）所示，該單元的上半部分是一種由沿z軸依次旋轉的3個分裂環金屬貼片構成，形成了一個手性結構。該結構對右旋圓極化實現近似全透射，而對左旋圓極化實現近似全反射。該單元的下半部分是一種幾何相位結構，該結構同樣由3層金屬結構組成，可以將額外的相移量加到從第1種結構傳輸過來的入射右旋圓極化波上。如圖11（b）所示，通過分別調節單元上半部分和下半部分金屬結構的旋轉角度，該單元可以實現對透／反射相位的獨立調節。

為降低天線整體剖面，基于接收一再輻射結構的設計思想設計了一款低剖面結構的圓極化透一反射陣列天線。如圖12（a）所示，不同于上述透／反射單元級聯的設計思想，該單元僅由3層金屬結構和2層PCB構成。位于單元底部的金屬貼片為一個左旋圓極化貼片天線，可以接收左旋圓極化的入射波，并通過短路過孔傳導到頂部天線。然而，對于右旋圓極化入射電磁波，由于極化失配，底層的左旋圓極化天線無法接收，發生全反射。如圖12（b）所示，通過旋轉頂部貼片天線，單元可實現對左旋圓極化透射波的相位調節，而對右旋圓極化反射波的反射相位沒有影響。通過旋轉底部貼片天線，單元能夠實現對右旋圓極化反射波的相位調節，但對左旋圓極化透射波也具有調節作用。因此，在設計過程中，需要根據反射波束的波束指向，首先確定底部貼片的旋轉角度，然后才能確定頂部貼片的旋轉角度，實現透一反射功能的集成設計。

2.3透一反射可重構超表面陣列天線

上述透一反射陣列天線的功能相對固定，一旦陣列加工成型，天線僅能實現特定的輻射功能。此外，基于透／反射單元共口徑設計的透一反射陣列天線往往會導致天線獲得一個較低的口徑效率；而基于透／反波束不同頻以及極化正交性所設計的透／反射陣列天線的輻射波束局限于特定的工作頻率或單一的極化方式，這就降低了天線的實際應用價值。基于電控的可重構超表面陣列天線不僅能靈活地切換透射和反射波束，而且還能夠使特定波束實現波束掃描等功能，具有更加廣闊的應用前景。

2020年，Zhang等基于疊層結構設計了一款多功能透一反射超表面天線。如圖13所示，該超表面單元由2層空氣層、3層PCB和4層金屬構成。當單元工作在透射狀態時，y極化電磁波首先通過第1層金屬光柵，接著經過第2層開口環金屬結構實現極化轉換，最后通過第3層極化光柵，實現透射。其中，開口環結構上具有2個PIN二極管。通過控制二極管的工作狀態，可以實現x極化透射波相位的1bit編碼。當單元工作在反射狀態時，y極化電磁波首先通過第4層金屬結構，然后當傳輸到第3層的極化光柵層時，電磁波發生全反射。通過調節第4層金屬結構上的PIN二極管工作狀態，y極化反射電磁波的反射相位也能夠實現1bit編碼。

此外，為降低透射與反射電磁波之間的相互干擾，第2、4層金屬結構工作在不同的頻率，即透射和反射波束在不同頻率、不同極化方向下工作。如圖13（c）所示，通過對單元中透射或反射結構的獨立編碼，該超表面陣列天線能夠獨立實現透射和反射狀態下的多種輻射功能。

上述超表面單元及其陣列雖然能夠實現透射和反射狀態下的多種功能切換，但是單元結構較為復雜，并且每個單元需要使用6個PIN二極管，成本也相對較高。

2023年，Yu等設計了一種結構簡單的新型透一反射可切換的超表面單元。如圖14（a）所示，該單元由一對正交的極化光柵和一層可重構的諧振層構成。2個PIN二極管集成在可重構層中，并通過直流偏置線實現對每個二極管的獨立控制。如圖14（b）所示，通過分別調節2個PIN二極管的工作狀態，該單元共有4種工作模式。當單元工作在透射狀態時，可重構層可將入射的x極化電磁波轉化為y極化電磁波，并實現近似全透射。通過交替改變2個二極管的工作狀態，該單元可實現對透射相位的1bit編碼。同理，當單元工作在反射狀態時，可重構層無法轉換入射電磁波的極化方向。由于極化光柵的存在，單元實現x極化電磁波的近似全反射。通過改變2個二極管的工作狀態，該單元也可實現對反射相位的1bit編碼。因此，基于該單元所設計的超表面陣列天線可實現透射、反射和透一反射3種輻射功能，并且通過控制每個單元的工作狀態，可實現對透／反射波束指向的獨立調節。

為使透／反射波束能夠工作在相同的頻率和極化方式下，提升透一反射陣列天線的實際應用價值。2024年，Zhao等基于偶極子天線設計了一款可重構超表面陣列天線。如圖15（a）所示，該天線由相互垂直的介質基板和反射器組成。介質基板上刻蝕有用來接收和輻射電磁波的偶極子天線，直流控制可重構電路集成在偶極子天線中間。接收和輻射天線用來接收來自空間中的電磁波并輻射到特定空間中去，可重構層用來控制單元的工作狀態。如圖15（b）所示，當施加正向電壓時，PIN A正向偏置，PIN B反向偏置，電磁波實現反射。當施加反向電壓時，PIN A反向偏置，PIN B正向偏置，電磁波實現反射。這2種狀態反射波的相位差由傳輸線的長度Z控制。當l設為1/4波長時，單元2種狀態下的反射相位相差180°，實現1bit相位編碼。當單元不加任何偏置電壓時，單元工作在透射狀態，并且通過控制移相器的相位，透射相位可實現靈活調節。

2.4 3D打印技術

近年來，3D打印（增材制作）技術被廣泛應用于微波、毫米波等頻段射頻前端器件的設計和加工中。該技術具有制造成本低、設計自由度高、生產周期短、可靈活實現定制化和個性化生產等優勢。基于金屬或介質材料，3D打印透一反射陣列天線也得到了國內外學者的初步研究。

2023年，An等基于3D打印金屬材料設計了一款透一反射超表面陣列天線。如圖16（a）所示，該透一反單元采用開放式波導結構，由2個同心的方形金屬波導和一個方形金屬塊構成。通過調節單元的尺寸，該單元能夠實現對入射電磁波透射和反射功能的切換。如圖16（b）所示，該單元在實現透／反射功能切換的同時還能夠實現透／反射相位的補償。所設計的天線可同時輻射2束高增益的透／反射波束。

為實現透／反射波束的獨立控制，Zheng等基于介質與金屬組合結構設計了一款寬帶透一反陣列天線。如圖17所示，該單元由1個介質柱和3根銅線構成。介質柱的長度可調，用于補償入射電磁波的相位；銅線構成了類似極化光柵的結構（透射x極化電磁波，反射y極化電磁波）。通過調節銅線上方的介質柱高度，反射相位能夠被獨立調控；而透射相位則是受整個介質柱的高度影響。通過利用電磁波極化正交性以及等效媒介理論，該單元能夠實現對透／反射電磁波的獨立調控。

除線極化外，2024年，Zhu等基于3D打印技術設計了一款圓極化透一反射超表面陣列天線。如圖18（a）所示，該單元采用接收一再輻射原理設計而成，頂部和底部是2個線極化貼片天線，中間則是相位延遲線。在反射的半空間上，通過調節接收貼片天線的尺寸，可以為左旋圓極化和右旋圓極化入射波提供相同的反射相位補償。通過旋轉接收貼片天線，可在單元間引入額外的幾何相位，從而實現左／右旋圓極化波之間的完全解耦。在透射的半空間中，位于中間的相位延遲線為透射的左／右旋圓極化電磁波提供了相同的補償相位。同時，通過旋轉輻射貼片天線可為左／右旋圓極化波提供相反的幾何相位。如圖18（b）所示，該陣列能夠同時實現透／反射2種狀態下2種圓極化電磁波的獨立調控，實現4路復用。

本文圍繞超表面結構在透一反射陣列天線方面的設計與應用，梳理了該領域的研究熱點和最新進展，并對相關設計進行了分類和討論。表1歸納了多種透一反射陣列天線的設計方法并比較了不同方法的優勢與不足，期望能夠對透一反射陣列天線的設計及工程化應用提供借鑒。

3結束語

當前，超表面技術憑借其對電磁波強大的調控能力而備受關注。其研究不僅包含理論層面，同時其全新的設計理念已逐步滲透并應用到無線通信系統中。研制能夠實現對全空間范圍、多目標鏈接的新型多功能超表面天線，能夠有效克服傳統超表面透射陣與反射陣的設計瓶頸，拓展無線通信的覆蓋范圍，并實現射頻前端器件與多移動終端的可靠鏈路連接。隨著新加工工藝以及新材料的研究，超表面也逐漸以更加優異的性能廣泛應用在無線通信、光學等領域。