集成宽带编码超表面：同时实现可调辐射与低散射性能

摘要

我们提出一种新型编码电磁超表面（EMMS），统一了宽带可调辐射与低散射特性。定义对 x 和 y 偏振入射呈现相反相位响应的各向异性单元为二进制元件“0”和“1”。利用模拟退火优化算法将这些元件排布成 4×4 阵列，实现宽带扩散散射，同时使超表面具备天线功能。当以匹配幅度和相位驱动时，阵列辐射线偏振（LP）波；施加 90° 相位偏移则实现左/右旋圆偏振（L/RHCP）。全波仿真与实测验证了双重功能，展示了集成 EMMS 解决方案的简洁通用设计范式。

背景

电磁超表面（EMMS）是由亚波长谐振器构成的二维工程阵列，可控制入射波的相位、幅度和偏振 [1,2]。其薄型轮廓、柔性贴合和低成本制造推动了波前塑形、偏振转换和吸收等研究 [3–9]。各向异性微粒进一步拓展设计空间，实现各向同性单元无法达到的功能，如任意线-线或线-圆偏振转换 [10–18]、近场耦合完美吸收 [19–21]、用于透镜、全息和隐身的高性能相位不连续 [22–31]。

近年来，编码 EMMS 成为电磁波操控的强大范式。二进制或多比特编码赋予单元离散相位态（如 1-bit 的 0° 和 180°），允许任意空间相位分布 [32–38]。引入可重构或可编程单元进一步将这些超表面拓展至可调和自适应应用 [39–40]。尽管大多数编码 EMMS 设计聚焦散射控制，其固有的辐射能力却鲜被关注。

本工作通过设计各向异性编码超表面填补这一空白，同时实现宽带低散射性能和可调辐射。通过精心选择单元几何结构，实现正交偏振下的互补相位响应，使超表面在适当馈电下成为高效天线。

方法

图 1 展示单元几何结构及由此形成的 4×4 编码超表面。两层 FR-4 介质（εr = 2.65, tan δ = 0.002），厚度分别 3 mm 和 0.5 mm，无气隙堆叠。顶层蚀刻四组 4×4 蝴蝶结贴片（36 mm × 36 mm），底层蚀刻窄槽地平面（15.5 mm × 0.2 mm）以实现近乎完美反射。“1”单元（图 1b）及其旋转 90° 的“0”单元（图 1c）在正交偏振下表现出相反相位响应。通过模拟退火算法（SAA）最小化阵列因子峰值以最大化扩散散射，获得最优 0/1 布局。SAA 关键参数：初始温度 100，冷却因子 0.9，终止温度 0，迭代 1000 次。

辐射仿真中，每个单元通过集总端口激励，50 Ω SMA 经底层衬底小孔连接窄矩形贴片（13 mm × 1.3 mm）实现阻抗匹配。地平面薄槽将能量耦合至顶层，实现宽侧辐射。图 2 显示 5–6 GHz 1 dB 带宽（相对带宽 18.2%）及稳定 7 dBi 宽侧增益。E 面和 H 面辐射模式对称且指向宽侧。

模态分析（FEKO 7.0）揭示前两个正交模态（模态 1 在 5.32 GHz，模态 2 在 5.72 GHz）主导宽带响应，高阶模态被抑制。图 3 可视化模态 1–4 的表面电流，说明负责目标辐射的基础正交模态对。

散射性能用 Floquet 端口评估。反射相位图（图 5a）显示“0”和“1”单元在 2–18 GHz 范围内保持 180° 相位差，反射幅度接近 1（图 5b）。这种相位对比确保宽带能量抵消，产生低雷达散射截面（RCS）。全波仿真确认 5–18 GHz 实现 6 dB RCS 降低，在 5.9 GHz 和 10.4 GHz 两处深度低谷达 31.8 dB RCS 抑制。

结果与讨论

编码超表面行为可通过经典阵列理论理解：

\[\mathbf{E}_{\text{total}}=\sum_{m=0}^{M-1}\sum_{n=0}^{N-1}\mathbf{EP}_{m,n}\,e^{j(k m\Delta x\sin\theta\cos\varphi + k n\Delta y\sin\theta\sin\varphi + \phi_{m,n})}\]

辐射时，等幅馈电产生正交场矢量；相对馈电相位控制输出偏振：0°（或 180°）产生 LP，90° 偏移生成 RHCP。给出两个典型工作点。

匹配幅度和相位（ϕ₀ = ϕ₁ = 0°）下，阵列在 4.97–6.05 GHz（带宽 19.6%）呈 LP 辐射，宽侧增益 12.6–17.4 dBi，两个平面模式对称（图 6）。

RHCP 模式下，馈电相位差 90° 产生 5.22–6.00 GHz（带宽 13.9%）3 dB 轴向比带宽，宽侧增益 13.2–15.8 dBi（图 7）。

5.35 GHz 电场快照（图 8）证实：LP 辐射源于两类单元同相激励，CP 辐射源于 90° 相移优先激励单元类型。

散射结果（图 9）显示 5–18 GHz 持续 6 dB RCS 降低，两深度低谷达 31.8 dB。模式演变（图 9c–e）显示八个弱瓣取代常规棋盘阵列的四个主瓣，证实有效扩散散射。斜入射仿真（图 10）和实测散射（图 11）进一步验证高达 60° 入射角的宽带低散射性能。

制造的 4×4 超表面在消声室测试。实测 S11 和轴向比带宽（图 13a）与仿真吻合，达 5.22–6.02 GHz（带宽 14.2%）。辐射模式（图 13b–c）确认对称宽侧 RHCP 辐射，旁瓣至少比主瓣低 10 dB。散射测量（图 13d）显示 5–18 GHz 实现 6 dB RCS 降低，6.1 GHz 和 10.2 GHz 峰值分别达 26 dB 和 31 dB。

结论

我们展示了一种编码 EMMS，同时实现宽带可调辐射和宽带低散射性能。利用正交相位响应的各向异性单元并通过模拟退火优化二进制布局，超表面可作为高效天线（LP 或 CP）工作，同时在 5–18 GHz 实现 6 dB RCS 降低。这种双功能为偏振重构天线、隐身应用等提供了简洁可扩展的平台。

缩略语

ARBW

轴向比带宽

EM

电磁

EMMS

电磁超表面

L/RHCP

左/右旋圆偏振

LP

线偏振

PCB

印制电路板

RCSR

雷达散射截面降低

SAA

模拟退火算法