电磁超材料和超表面突破了传统媒质电磁参数的局限性，进一步推进了电磁波调控技术的发展。多功能及可重构超表面利用电磁波复用技术，如极化复用、空间复用、时分复用等，实现了对电磁调控功能的集成化设计，有效地提升了电磁器件的调控能力与信息容量，有望在信息通信、天线系统等诸多应用中发挥重要作用。《多功能和可重构超表面及其应用》从多功能及可重构超表面的设计原理出发，具体阐述了极化复用、方向复用和频率复用等多种技术的实现途径，以及可重构超表面设计中的关键技术，结合作者及其团队的近期研究成果，系统性地归纳总结了目前的发展状况及其应用探索，*后总结探讨了这类超表面的后续发展趋势，为电磁超表面的实际应用奠定了基础。

目录
丛书序
前言
第1章 电磁超表面简介 1
1.1 电磁超材料 1
1.2 超表面的提出及广义斯涅耳定律 2
1.3 超表面研究进展 3
1.4 超表面应用探索 6
1.4.1 波束调控与波束赋形 6
1.4.2 电磁成像 7
1.4.3 超表面天线 7
1.4.4 电磁隐身 9
1.4.5 无线能量收集和传输 9
1.4.6 信号处理与计算 9
1.4.7 无线通信 10
1.5 多功能超表面概述 11
1.5.1 电磁波的基本属性与传输状态 12
1.5.2 多功能超表面设计方法与应用 13
1.6 可重构超表面概述 15
1.7 本章小结 17
1.8 本书安排 17
参考文献 18
第2章 极化复用多功能超表面 31
2.1 引言 31
2.2 线极化复用超表面 31
2.2.1 超表面单元一般设计方法 32
2.2.2 双线极化电磁波相位的*立调控 33
2.2.3 极化选择型透/反超表面 35
2.2.4 线极化多功能超表面及其在低散射天线中的应用.37
2.3 圆极化复用超表面 49
2.3.1 几何相位超表面单元的一般设计方法 49
2.3.2 几何相位编码超表面在波束调控和散射缩减中的应用 54
2.3.3 几何相位超表面在涡旋波束调控中的应用 57
2.3.4 圆极化复用超表面的一般设计方法 60
2.3.5 反射型超表面及其涡旋波束调控 64
2.3.6 透射型超表面及其波束调控 71
2.4 极化调控实现幅度/相位*立控制 75
2.4.1 转极化实现线极化波幅度/相位*立调控 75
2.4.2 双几何相位实现圆极化波幅度/相位*立调控 79
2.4.3 几何相位结合传播相位实现圆极化波幅度/相位*立调控 82
2.5 本章小结 86
参考文献 86
第3章 传播方向复用多功能超表面 90
3.1 引言 90
3.2 手征超材料及电磁波非对称传输 90
3.2.1 理论分析 91
3.2.2 无源手征超材料实现线极化非对称传输 94
3.2.3 有源手征超材料实现非对称传输的动态调控 97
3.3 多层级联超表面对电磁波阵面的单向调控 99
3.3.1 理论分析 100
3.3.2 手征超表面单元设计 103
3.3.3 单向电磁波阵面调控 104
3.4 双向非对称电磁波阵面调控 107
3.4.1 理论分析及设计方法 107
3.4.2 双向非对称聚焦 108
3.4.3 双向非对称全息成像 110
3.5 全空间双向非对称圆极化电磁波阵面调控 112
3.5.1 理论分析及设计方法 112
3.5.2 全空间双向非对称波束调控 117
3.5.3 全空间双向非对称全息成像 121
3.6 本章小结 123
参考文献 124
第4章 频率复用多功能超表面 126
4.1 引言.126
4.2 双频超表面及其波束调控 126
4.3 超表面Salisbury屏 132
4.3.1 Salisbury屏吸波器工作原理 133
4.3.2 超表面Salisbury屏设计方法与实验验证.134
4.4 频率选择型超表面及其散射调控 141
4.4.1 频率选择型低散射/高反射超表面 141
4.4.2 频率选择型低散射/高透射超表面 147
4.5 本章小结 151
参考文献 151
第5章 电磁波幅度调控及有源吸波结构 154
5.1 引言 154
5.2 状态动态切换的超材料吸波器结构 154
5.3 状态连续动态可调的超材料吸波结构 159
5.3.1 吸波深度连续可调的超材料吸波结构 159
5.3.2 吸波频率连续可调的超材料吸波结构 159
5.4 本章小结 164
参考文献 164
第6章 可重构相位调制超表面及电磁波动态调控 166
6.1 引言 166
6.2 可重构相位调制超表面单元设计 166
6.2.1 反射型可重构相位调制超表面单元 167
6.2.2 透射型可重构相位调制超表面单元 168
6.3 可重构电磁超表面实现电磁波波前调控 170
6.3.1 可重构电磁超表面实现动态电磁波束调控 170
6.3.2 可重构电磁超表面实现近场聚焦 176
6.3.3 可重构电磁超表面实现电磁波时空调制 180
6.3.4 可重构共形低散射超表面 184
6.4 本章小结 190
参考文献 190
第7章 机械可重构超表面 192
7.1 引言.192
7.2 电控机械旋转可重构超表面 193
7.2.1 超表面单元设计 193
7.2.2 基于广义斯涅耳定律的波束回溯超表面 194
7.2.3 可重构超表面回溯器系统方案 196
7.2.4 仿真分析与实验验证 197
7.3 剪纸/折纸可重构相位梯度超表面 201
7.3.1 可重构相位梯度超表面单元设计 202
7.3.2 仿真分析与实验验证 204
7.4 本章小结 206
参考文献 206
第8章 可重构超表面在无线通信中的应用 208
8.1 引言 208
8.2 信号直接调制原理分析 209
8.3 幅度调制超表面无线通信 211
8.4 相位调制超表面无线通信 214
8.5 多通道可重构超表面及其在无线通信系统中的应用探索 219
8.5.1 双信道多级幅度调制无线通信 220
8.5.2 频率复用保密通信系统 224
8.6 智能表面在无线通信中的应用探索 228
8.6.1 可重构智能表面单元设计与波束调控 229
8.6.2 可重构智能表面实现室内无线信号增强 231
8.6.3 可重构智能表面辅助无线通信 234
8.7 本章小结 236
参考文献 236
第9章 总结与展望 239
索引 242

第1章电磁超表面简介
　　1.1电磁超材料
　　随着无线通信和网络技术的迅猛发展，现代社会迈入信息化、智能化时代，5G移动通信、物联网、人工智能等新兴技术逐渐深入人们生活的方方面面，如何实现快速的信息表征、获取、存储与传输成为当前通信领域亟待解决的问题之一。而电磁波作为一种重要的信息传输手段和载体，伴随着信息技术的发展与革新，早已在无线通信、雷达探测、信息感知等领域发挥着不可替代的作用。目前，高速无线通信网络的广泛覆盖与多种电磁场景的应用普及，更对如何高效、自由地操纵和调控电磁波提出了新的发展需求。
　　电磁超材料（electromagnetic metamaterial）概念的提出为人们自由地调控和利用电磁波提供了重要的技术途径。电磁超材料，又称超材料或人工电磁材料，是一种由亚波长单元结构周期性或非周期性排布而成的三维人工复合材料或结构，可具有自然界材料所不具备的一些超常电磁特性。其研究*早可以追溯到1968年，苏联科学家V.G.Veselago*次提出了左手材料（left-handed material）的概念，即介电常数和磁导率均为负的电磁媒质，并通过理论分析，预测这种双负媒质可以实现许多自然材料所不能实现的奇异电磁特性，如负折射、逆多普勒效应和逆切连科夫辐射现象等，但由于缺少实验验证，该理论一直没有引起人们足够的重视。直到1996年，英国物理学家J.B.Pendry爵士提出，可以利用周期性排布的金属细线来实现负介电常数，并于1999年又提出了利用周期性排布的开口谐振环来实现负磁导率。这一系列开创性的工作引起了国内外学者的广泛关注，也为超材料的广泛研究奠定了重要的理论基础。随后，2000年美国学者D.R.Smith在J.B.Pendry等研究的基础上，通过将金属细线和开口谐振环相结合，在微波频段实现了一种介电常数和磁导率均为负值的人工复合材料，并*次通过实验验证了负折射现象自此，超材料研究进入蓬勃发展的阶段，一系列新颖的物理现象及器件研究相继展开，如隐身衣、超透镜和完美吸波器等。但是随着研究的不断深入，人们发现这种基于超材料设计的功能器件由于结构复杂、体积较大，并不符合器件小型化、平面化、集成化的发展趋势的需求。在此驱动之下，二维形式的电磁超材料，即电磁超表面，逐渐成为新的研究热点。
　　1.2超表面的提出及广义斯涅耳定律
　　电磁超表面（electromagnetic metasurface），又称超表面或人工电磁表面。作为电磁超材料的二维形式，超表面通过与电磁波相互作用，在其表面上引入电磁场的不连续性，可以实现对电磁波固有性质的复杂调控，产生许多新奇的物理现象和复杂的应用，为电磁调控器件的实现提供了新的调控手段和设计思路。同时由于其厚度远小于工作波长，可大大缩减电磁器件的厚度，更有利于实现器件小型化、平面化、多样化设计。但在超表面研究之初，受等效媒质理论以及变换光学理论等研究热潮的影响，人们对其分析也多借鉴超材料的设计方法，基于三维材料的电磁本征参数提取方法来分析结构的表面阻抗、表面极化率与磁化率等一系列等效媒质参量，尝试在低剖面上设计实现三维超材料的功能。然而这种设计方法存在一定的局限性，*先等效媒质参数反演法对于亚波长厚度的表面媒质的参数计算并不十分准确，且往往只能通过单一单元结构的延拓来进行阵面设计，这也就使得早期超表面设计不够灵活，而且功能不够多样化。2011年，F.Capasso教授团队在Science期刊上发表了一篇关于超表面领域的研究论文，提出了广义斯涅耳（Snell）定律的概念。该理论打破了先前超表面的设计分析方法，*次提出了利用超表面在媒质分界面上引入相位突变来控制电磁波的理念，很好地克服了传统光学材料需通过连续传播相位累积才可实现有效电磁波前（wave front）调控的限制，为实现自由灵活的电磁波调控提供了新的设计手段与方式。
　　**斯涅耳定律（折射定律）指出，当电磁波以一定角度从折射率为m的媒质入射到折射率为的媒质中时，会产生折射和反射现象。此时折射角、反射角久和入射角久之间遵循以下公式：
　　（1.1）
　　F.Capasso教授团队指出，若在分界面内引入不连续的相位突变，则当入射电磁波传播至媒质分界面时，由于电磁波在分界面处的边界条件发生改变，反射波与折射波将不再遵循上述**斯涅耳定律。为了表征这种情况下入射波、反射波与折射波之间的关系，提出了广义斯涅耳定律。如图1.1（a）所示，倘若分界面沿某个方向（如x方向）存在的相位梯度，就会发生异常折射，同样反射电磁波的出射角度也会因此发生变化。此时入射波、反射波、折射波将遵守广义斯涅耳定律
　　（1.2）
　　其中，aqS电磁波在自由空间的波长。广义斯涅耳定律的提出为电磁超表面的设计及对电磁波的调控提供了新的物理机理。在超表面设计中，仅仅通过改变分界面上的相位梯度，就可以任意调控反射/折射波束的传播方向。如图1.1（b）所示，基于这种突变相位的调控形式，利用多层方形开口谐振环结构，通过优化单元尺寸实现连续相位覆盖，并在X方向设计相位梯度，即可形成符合广义斯涅耳定律的异常反射现象。
　　1.3超表面研究进展
　　电磁超表面作为超材料研究的低维延伸和拓展，可看成是具有亚波长厚度的平板超材料。也正因为如此，早期其设计方式大多借鉴三维超材料的理论与方法，通过控制结构的等效媒质参量来实现功能设计，分析与设计均受限。广义斯涅耳定律的提出，引入了利用突变相位来控制电磁波的概念。该工
　　作使得人们对于超表面的研究方式不再拘泥于电导率与磁导率的调控，而是逐渐转向对电磁波相位、幅度、极化、频率等基本属性的直接调控。此后，大量相关研究不断涌现，超表面的研究也逐渐朝着多相位融合、多功能集成以及多学科交叉的方向发展，其研究范围也从起初的电磁场领域拓展到了诸多其他的物理学领域，所能操纵的功能也愈加丰富，如高效的反射、透射、完美吸波以及多物理场联合调控等。总之，二维形式的超表面凭借其低剖面、低损耗、易加工的优势，成为电磁学领域的研究热点，在电磁波异常反射/折射、波束调控、电磁隐身、电磁成像聚焦等方面都有广泛的研究，并取得了丰富的阶段性成果。
　　早期人们对于超表面的研究多是通过控制电磁谐振单元的结构尺寸或旋转等几何参数来设计调节其电磁特性，进而借助单元结构延拓以实现对电磁波的任意调控。基于单元结构尺度变化实现的无源超表面（passive metasurface）一旦设计完成后其功能是相对固定的，无法满足复杂多变的应用场景需求。而超表面采用二维形式的结构单元排布，很容易与一些有源元件和可调材料元素相结合，形成电磁响应可变化的结构单元，进而实现功能动态可调控的有源超表面（active metasurface）o有源超表面早期通常利用阵面的整体调谐来实现相同或相似的动态功能调控，形成所谓可调超表面（tunable metasurface）如图1.2所示。可调超表面大多只能实现功能的微调，为进一步增加超表面调控的多样性，提出了一种功能调控更灵活的可重构超表面（reconfigurable metasurface）。随着研究的不断深入，可重构超表面的进一步研究和应用使得有源超表面逐渐向多方式、多功能以及多维度的方向发展，也由此产生了丰富多彩的应用，如可重构阵列天线、可重构隐身地楼以及可重构惠更斯透镜等。
　　2014年美国宾夕法尼亚大学N.Engheta教授等*次提出了数字化超材料的概念[46]。与此同时，东南大学的崔铁军院士团队提出了数字化、可编程超表面的概念PI，将现代计算机系统和通信系统中广泛使用的数字编码概念与超表面的相位特性相结合，以不同的相位特性来模拟数字世界中的基本比特态。例如，利用0。和180。两种相位来表征1-比特编码状态的“0”和“1”；2-比特的“00”、“01”、“10”、“11”四种编码状态分别对应0°、90°、180°、270°四种相位状态；多比特以此类推。这种全数字表征的数字编码超表面为动态电磁波调控提供了新的机制和发展契机。由于这类超表面单元的电磁特性可采用二进制数字形式表征，更有利于与有源调控相结合，因此可通过加载二氧化钒、石墨烯、电可调二极管等有源材料或元件，构造具有动态电磁响应的基本码元，并进一步与现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）或单片机控制电路相结合，实现可编程超表面（programmable metasurface）设计。相比于电磁响应动态可调控的可重构超表面，可编程超表面将有助于超表面从器件到系统级的方向发展。这一时期内，科研工作者们基于可编程超表面，从时间、空间、频率、极化等不同调控维度进行了全面系统的研究，在全息成像、涡旋波束产生、谐波调制、非互易性器件研究等方面均取得了许多重要的研究成果。
　　可编程超表面的研究为超表面功能多样性和实现信息处理提供了重要的硬件基础。在此基础上，可编程超表面还可与信号处理算法相集成，用于构造简化架构的新一代无线通信系统及雷达系统，简化现有的通信体制。此外，由于数字可编程超表面支持空间域与时间域的联合编码，能够对电磁波谐波分量进行有效控制，因此可应用于新体制通信系统的搭建作为下一代无线通信技术5G+/6G的关键技术储备之一，具有实时动态电磁响应调控能力的智能超表面（又称可重构智能表面，reconfigurable intelligent surface，RIS）还可以实现无线通信信道环境的重构，减弱或消除由于材料吸收、传播损耗以及多径效应等环境因素对通信效率的负面影响，可作为墙壁的一部分实现对室内、室外无线信号的智能调控在这种智能化的超表面体系中，通常需要额外引入传感器以及加载智能算法的微处理器等作为反馈控制模块构成闭环反馈和控制回路，利用传感器实时感知外部环境变化并回传处理器，以此来实现智能电磁调控（图1.2）。这种具备自适应编码功能甚至具备机器学习功能的超表面为智能信息超材料的进一步发展以及可认知超材料的实现奠定了基础，将有利于超表面往信息化、智能化的方向发展，在未来“万物互联”的智慧都市中有重要的潜在应用。
　　总而言之，超表面具有不逊于三维超材料的电磁调控能力，兼具低剖面、低损耗、易加工等优势，在近年来的研究中取得了许多具有重要意义的成果，进一步推动了电磁功能器件向小型化、集成化、共形化、数字化与智能化的方向发展。
　　1.4超表面应用探索
　　超表面因具备超薄的厚度、超低的损耗以及易于共形等特点，一经提出即受到国内外学者广泛关注。经过十来年的发展，其调控方式从早期的相位调制，到如今的幅度、极化、频率等其他电磁波固有性质的联合调制，其功能多样性得到了显著提升，在高效率透镜、电磁隐身、天线设计等方面均取得了许多重要的研究成果。尤其是近几年，随着现代无线通信与信息技术的飞速发展，诸如5G移动通信、无人驾驶、人工智能、智慧城市等新兴技术的发展，高速的信息传输与快速的信息处理成为当下电磁波领域的研究重点和热点。超表面的研究也从实验性验证、单元优化设计、单一学科研究逐渐发展为功能与性能并重、应用与研究结合、多样化与多学科交叉的局面，在物理机理探索不断推进的同时，向器件集成、实际应用延伸。电磁超表面的主要应用方向如图1.3所示。本节将围绕超表面的研究历程，从电磁波波束调节和生成、电磁成像、超表面天线、电磁隐身、无线能量收集和传输、信号处理与计算以及无线通信等几个主要方面，着重介绍超表面在电磁波调控领域的重要应用》
　　1.4.1波束调控与波束赋形
　　电磁超表面*重要的特性是其能够对电磁波进行任意的空间相位、幅度、极化等调节，形成特定的空间分布，进而实现精准的电磁波波前调控，因此可应用于实