第7卷第1期 雷达学报 Vol.7No.1 2018年2月 Journal of Radars Feb.2018 太赫兹信息超材料与超表面 刘峻峰 刘硕傅晓建崔铁军 (东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室南京210096) 摘要：该文对信息超材料，包括数字超材料、编码超材料、以及可编程超材料的研究进展及其在太赫兹领域的 应用进行了综述，从原理分析、数值仿直、样品制备、实际应用等多个角度介绍了信息超材料对电磁波全面而 活的调控能力，着重探讨了编码超材科在太赫兹领域的发展以及应用，最后阐述了现场可编程超材料的原理及其 在构建新型成像系统、新概念雷达中的应用。信息超材料与超表面对太赫兹波束的灵活调控可用于制作波束分 离、低雷达散射截而等多种功能器件，为太赫兹频段电磁波的实时调控开辟了新的途径。 关键词：太转蕊：信息超材料：编码超表面：数字可缤程：雷达 中图分举号.O4414 文章编号：2095-283X(2018)01-0046-10 D0:10.1200JR1710 引用格式：刘峻蜂，刘顾，傅晓建，等，太赫兹信息超材料与超表面[J.雷达学报，2018,71)：46-55.D0 10.12000/JR17100 2018,70:46-5.D0 10.12000/3R17100. Terahertz Information Metamaterials and Metasurfaces Liu Junfeng Liu Shuo Fu Xiaojian Cui Tiejun (School of Information Science and Engineering.State Key Laboratory of Millimeter Wave Southeast University.Nanjing 210096.China) Abstract:In this we review the recent developments on information metamaterials.including dieital metamaterials.coding metamaterials.and programmable metamaterials:furthermore.we discuss their applications in the terahertz(THz)-frequency region.In addition their flexibility to manipulate the electromagnetic waves,the physical principle,nmericalon fabrication,and application of informtion metamaterial are discussed in detail.moreover.we developed and applied a coding metasurface that works in the THz band.Furthermore,the principle of real-time programmable metamaterials and their applieation in uovel imagine systers and radar systers are illustrated.Iuformation metamaterials and metasurfaces can be used for various functional devices such as beam splitting and low radar cross section.which open up a novel route to manipulate THz radiations. Key words:Terahertz:Information metamaterials:Coding metasurface:Digital and programmable:Radar 1引言 3mm~30um的电磁波。由于太赫兹频段的波长 太赫兹电磁波是指频率为0.1一10THz,波长为 远小于微波毫米波 因此非常适合应用于高 成像、微小目标检测等领域。近年来，超材料 收稿日期：237-16：改回日期：201S01-14网路出饭：224 (Metamaterials)对电磁波的调控能力，受到了人】 的广泛关注。自然界中材料的电磁特性取决于其分 基金项目：国家重大仪器专项(36-10-1315)，国家自然科学基金 子构成与排列的方式，而构成超材料的基本单元处 (61302020,61631007,G1571117,61501112,61501117,61522106. 于亚波长尺度，并按照一定的周期结构在3维空间 6172106.617010 中进行排列，因此在宏观上可以认为超材料是等效 1315).The National Natural so S&T 均匀媒质 可以采用等效介电常数 等效磁导 (6130220,61631007.61571117,61501112.61501117,6152210c. 率“来描述超材料的电磁属性，相应的参数提取 G1722106.61701107) 方法如今已经很成熟。通过改变单元结构的尺寸 1994-2018China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.hup://www.cnki.net
太赫兹信息超材料与超表面 刘峻峰 刘 硕 傅晓建 崔铁军* (东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室 南京 210096) 摘 要：该文对信息超材料，包括数字超材料、编码超材料、以及可编程超材料的研究进展及其在太赫兹领域的 应用进行了综述，从原理分析、数值仿真、样品制备、实际应用等多个角度介绍了信息超材料对电磁波全面而灵 活的调控能力，着重探讨了编码超材料在太赫兹领域的发展以及应用，最后阐述了现场可编程超材料的原理及其 在构建新型成像系统、新概念雷达中的应用。信息超材料与超表面对太赫兹波束的灵活调控可用于制作波束分 离、低雷达散射截面等多种功能器件，为太赫兹频段电磁波的实时调控开辟了新的途径。 关键词：太赫兹；信息超材料；编码超表面；数字可编程；雷达 中图分类号：O441.4 文献标识码：A 文章编号：2095-283X(2018)01-0046-10 DOI: 10.12000/JR17100 引用格式：刘峻峰, 刘硕, 傅晓建, 等. 太赫兹信息超材料与超表面[J]. 雷达学报, 2018, 7(1): 46–55. DOI: 10.12000/JR17100. Reference format: Liu Junfeng, Liu Shuo, Fu Xiaojian, et al. Terahertz information metamaterials and metasurfaces[J]. Journal of Radars, 2018, 7(1): 46–55. DOI: 10.12000/JR17100. Terahertz Information Metamaterials and Metasurfaces Liu Junfeng Liu Shuo Fu Xiaojian Cui Tiejun (School of Information Science and Engineering, State Key Laboratory of Millimeter Wave, Southeast University, Nanjing 210096, China) Abstract: In this paper, we review the recent developments on information metamaterials, including digital metamaterials, coding metamaterials, and programmable metamaterials; furthermore, we discuss their applications in the terahertz (THz)-frequency region. In addition their flexibility to manipulate the electromagnetic waves, the physical principle, numerical simulation, fabrication, and application of information metamaterial are discussed in detail. Moreover, we developed and applied a coding metasurface that works in the THz band. Furthermore, the principle of real-time programmable metamaterials and their application in novel imaging systems and radar systems are illustrated. Information metamaterials and metasurfaces can be used for various functional devices such as beam splitting and low radar cross section, which open up a novel route to manipulate THz radiations. Key words: Terahertz; Information metamaterials; Coding metasurface; Digital and programmable; Radar 1 引言 太赫兹电磁波是指频率为0.1～10 THz，波长为 3 mm～30 μm的电磁波。由于太赫兹频段的波长 远小于微波毫米波，因此非常适合应用于高分辨率 成像、微小目标检测等领域。近年来，超材料 (Metamaterials)对电磁波的调控能力，受到了人们 的广泛关注。自然界中材料的电磁特性取决于其分 子构成与排列的方式，而构成超材料的基本单元处 于亚波长尺度，并按照一定的周期结构在3维空间 中进行排列，因此在宏观上可以认为超材料是等效 均匀媒质，可以采用等效介电常数eeff和等效磁导 率μeff来描述超材料的电磁属性，相应的参数提取 方法[1]如今已经很成熟。通过改变单元结构的尺寸 收稿日期：2017-11-06；改回日期：2018-01-14；网络出版：2018-02-05 *通信作者： 崔铁军 tjcui@seu.edu.cn 基金项目：国家重大仪器专项(36-10-1315), 国家自然科学基金 (61302020, 61631007, 61571117, 61501112, 61501117, 61522106, 61722106, 61701107) Foundation Items: The National S&T Major Project (36-10- 1315), The National Natural Science Foundation of China (61302020, 61631007, 61571117, 61501112, 61501117, 61522106, 61722106, 61701107) 第 7 卷 第 1 期 雷 达 学 报 Vol. 7No. 1 2018年2月 Journal of Radars Feb. 2018
第1期 刘峻峰等：太赫兹信息超材料与超表而 7 以及排列的方式，可以设计出所需要的等效媒质参 2 太赫兹超材料的研究现状 数。因此超材料能够实现天然材料无法实现的申 羊国哈佛大学的Canass0教授闭队在2011年的 特性，例如零折射率 负折射率、负介电常数等 《科学》期刊上提出了广义斯涅尔定律，即通过 思路 促进了 长电磁器件的研制，比交 引入相位突变的概会，从而使分界面沿切向方向右 透镜天线 跳恋的相位 ,这便将传统的斯涅尔定律扩展到了 该论文中设计 了具有不同张 的相位紫积，以实现对电磁波的调控，因此需嬰 向的V字型 有不同突变相位的 定的厚度。这将导致加工难度增大，并且会提高材 元结构， 将这 V型天线以梯度或者某种特定相位分布在平面上排 料带来的损耗。尤其在太赫兹频段，由于加工工岁 列，构成单层新型人工电磁表面，如图1所示。此 的原因，3维超材料的实现有着非常大的难度，这 人工电磁表面实现了对交叉极化电磁波的360°的全 限制了超材料在太林兹频段的应用以及发展」 相位调控，进而实现了对入射电磁波的异常偏折 为了服超材料的局性，电磁超表 (负析射)、异常反射以及聚焦等功能。这种方法极 被提出来 电磁超表面是将单元结村 大地增强了新型人工电磁表面对电磁波的调控能力 在2维平面 进行周期排列，构成了2维形式的超材 随后，这一路被广泛用干设计 一系列调控电磁波 料。研究表明阿，超表面对电磁波的调控原理不再 的器件中，包括利用V型结构在光频制作的全息图 是空间上相位的累积效果，而是电场以及磁场在单 利用刻 形烧隙在光 见的表 等离论 元结构两侧产生的相位以及幅度的突变特性，来话 的耦合 元结构 控申波在空间中的相位以及幅府的分布。 相比 利用梯度渐变分布的日 来实现垂直入射空间波到表面波的高效转换网等等 3维超材料， 超表面在以下几个方面表现出巨大的 优势：首先 超表面具有亚波长厚度，因此其在 积和重量上要远小于3维超材料， 这非常有助于器 件的小型化.例如采用惠更斯表面原理的偏折诱镜 和聚焦诱镜国，其厚度要远小于基于传统3维招材 的格天，比次在大林城 ,红外以及可见光 波段加工具有3维立体 的 超材 具有很大的制 战性 而超表面由于只具有单层或者两至 二层金 属结构，因此采用标准的光刻流程便可轻易地加口 微纳尺度级别的超表面，无论是加工难度环是成本 均远小于3维超材料，有力地促讲了超表面在太 、红外以及可见光波段的理论研究和实验验证 图1其于广义断湿其守律的的由做超表 最后， 超表面因 工在柔性 Fig.1 Metasurface be alized reflection and 介质上（如聚酰亚胺） 形成可弯折、可共形、柔性 的超材料，例如崔铁军教授团队提出的微波段柔性 上述基于相位突变的电磁超表面通常由单层金 表面等离激元传输线(Spoof SPPs)-,这种单层金 属结构构成，相位突变是提供给反射波的。工作的 属结构的传输线具有代良的申磁波束缚能力和低串 入射波会被反射同去，导致诱射率较低。为了降低 状特性即使结构处干折 扭曲的状态下， 电醚 超表面的反射率，提高透射幸，美国密做根大学的 波依旧可以高效率 地在其上传输 仅有很小 部分 Pfeiffer与grbie设计了一种被称为惠更斯表面的超 的能量辐射到自由空间。预计在不久的将来，这些 表面到，其拥有 层电响应结构和一层磁向应 柔性超表面将有希望与柔性电路相集成，在柔性微 这种超表面理论上能够实现任意的透射幅度和 波电路、智能蒙皮共形天线和可穿戴设备等领域 日 从而能 现 束偏折 生十分广阔且深远的影响。 聚焦等功能 从以上报道可见 3维的电磁超材 本文将重点介绍过去几年内太赫兹领域数字编 能完成的电磁波调控，利用电磁超表面同样可岁 码超材料以及可编程超材料的发展情况，并对其基 成，且相比之下超表面只有低损耗、低成本、低剖 本概念、工作原理、设计方法进行论述。该研究为 面和易共形等巨大优势，更加有利于工程化和实 太赫兹频段的超材料研究提供了新的思路。 用化。 1002018h al Electronic Publishing House All righ hup www.cnki.ne
以及排列的方式，可以设计出所需要的等效媒质参 数。因此超材料能够实现天然材料无法实现的电磁 特性，例如零折射率、负折射率、负介电常数等 等。这一思路也促进了相关电磁器件的研制，比如 雷达散射截面缩减、隐身衣、透镜天线、高分辨率 成像等等。但由于超材料需要利用材料空间上带来 的相位累积，以实现对电磁波的调控，因此需要一 定的厚度。这将导致加工难度增大，并且会提高材 料带来的损耗。尤其在太赫兹频段，由于加工工艺 的原因，3维超材料的实现有着非常大的难度，这 限制了超材料在太赫兹频段的应用以及发展。 为了克服超材料的局限性，电磁超表面 (Metasurface)被提出来。电磁超表面是将单元结构 在2维平面上进行周期排列，构成了2维形式的超材 料。研究表明[2]，超表面对电磁波的调控原理不再 是空间上相位的累积效果，而是电场以及磁场在单 元结构两侧产生的相位以及幅度的突变特性，来调 控电磁波在空间中的相位以及幅度的分布。相比 3维超材料，超表面在以下几个方面表现出巨大的 优势：首先，超表面具有亚波长厚度，因此其在体 积和重量上要远小于3维超材料，这非常有助于器 件的小型化，例如采用惠更斯表面原理的偏折透镜 和聚焦透镜[3]，其厚度要远小于基于传统3维超材 料的透镜天线；其次，在太赫兹、红外以及可见光 波段加工具有3维立体结构的超材料具有很大的挑 战性[4]，而超表面由于只具有单层或者两至三层金 属结构，因此采用标准的光刻流程便可轻易地加工 微纳尺度级别的超表面，无论是加工难度还是成本 均远小于3维超材料，有力地促进了超表面在太赫 兹、红外以及可见光波段的理论研究和实验验证； 最后，超表面因其超薄的优良特性，可加工在柔性 介质上 (如聚酰亚胺)，形成可弯折、可共形、柔性 的超材料，例如崔铁军教授团队提出的微波段柔性 表面等离激元传输线(Spoof SPPs)[5–7]，这种单层金 属结构的传输线具有优良的电磁波束缚能力和低串 扰特性，即使结构处于弯折、扭曲的状态下，电磁 波依旧可以高效率地在其上传输，仅有很小一部分 的能量辐射到自由空间。预计在不久的将来，这些 柔性超表面将有希望与柔性电路相集成，在柔性微 波电路、智能蒙皮共形天线和可穿戴设备等领域产 生十分广阔且深远的影响。 本文将重点介绍过去几年内太赫兹领域数字编 码超材料以及可编程超材料的发展情况，并对其基 本概念、工作原理、设计方法进行论述。该研究为 太赫兹频段的超材料研究提供了新的思路。 2 太赫兹超材料的研究现状 美国哈佛大学的Capasso教授团队在2011年的 《科学》期刊上提出了广义斯涅尔定律[2]，即通过 引入相位突变的概念，从而使分界面沿切向方向有 跳变的相位，这便将传统的斯涅尔定律扩展到了广 义斯涅尔定律。该论文中设计了具有不同张角和朝 向的V字型单元结构，将这些具有不同突变相位的 V型天线以梯度或者某种特定相位分布在平面上排 列，构成单层新型人工电磁表面，如图1所示。此 人工电磁表面实现了对交叉极化电磁波的360°的全 相位调控，进而实现了对入射电磁波的异常偏折 (负折射)、异常反射以及聚焦等功能。这种方法极 大地增强了新型人工电磁表面对电磁波的调控能力。 随后，这一思路被广泛用于设计一系列调控电磁波 的器件中，包括利用V型结构在光频制作的全息图 像[8]，利用矩形缝隙在光频段实现的表面等离激元 的耦合与激励[9]，利用梯度渐变分布的H型单元结构 来实现垂直入射空间波到表面波的高效转换[10]等等。 上述基于相位突变的电磁超表面通常由单层金 属结构构成，相位突变是提供给反射波的。工作时 入射波会被反射回去，导致透射率较低。为了降低 超表面的反射率，提高透射率，美国密歇根大学的 Pfeiffer与Grbic设计了一种被称为惠更斯表面的超 表面[3]，其拥有一层电响应结构和一层磁响应结 构。这种超表面理论上能够实现任意的透射幅度和 相位，从而能够以近乎100%效率实现波束偏折和 聚焦等功能。从以上报道可见，3维的电磁超材料 能完成的电磁波调控，利用电磁超表面同样可完 成，且相比之下超表面具有低损耗、低成本、低剖 面和易共形等巨大优势，更加有利于工程化和实 用化。 2 mm y x 图 1 基于广义斯涅耳定律的的电磁超表面[2] Fig. 1 Metasurface based on generalized reflection and refraction laws[2] 第 1 期 刘峻峰等：太赫兹信息超材料与超表面 47
雷达学损 第7卷 3数字编码超材料的工作原理 绵码招表面，其中数字“0”和“1”分别代表反 在2014年，东南大学崔铁军教授首次提出了采 ,以上所述的相位值并 小并不影响 用数字编码表征的超表面四 码超表面 并由此提出了调控电 能和性能， 在设计时只需要保证两个 数字态在工作 磁波的新机制。与传统超材料的等效媒质理论相 比，编码超材料建立起数字表征与物理实现的桥 频率下的相位差为180°即可。虽然每个数字单 的状态只有两个，但当这些以数字表征的单元结构 梁，使得对电磁波的调控更为多样化。在文献11】 在2维平面上以M×N方式周期排列时，便存在 中，编码超表面单元的工作状态（反射/透射相 2“种排列方式。每种排列方式对应一种缤和图 位)可以由有限个二进制数值米表示，所以也被称 案，当电磁波入射到这些各式各样的编码图案上 为数字超表面。图2展示了一种工作在微波段的1-bt 时，便可产生不同的远场方向图 10 们差 8 2114 几心面的单元结 图2反射型的编码超表面基本单元叫 Fig 2 The Meta iaks particle for reali the e coding metasurfaceul 图给出了反射型的单元结构示音图单元中 仰角的波束，位于法线对称的两个方向上，如图 3部分组成：最上层为金属贴片 中间是厚度为的 2a所示 而当编码变为棋盘格分布时 最底层为整片金 这样保证了透 向图将出现4个具有相同俯仰角波束 如图3(b)所 为零的同时有着较高的反射率 明节上层金属站 1bit的编码单 现了0°和180°的相位分 的长宽，便可以获得“0”和 1”编码单元所需 如果将360°相位四等 形成2-bit的 相位。从图中可看出，当频率在7 -14GHz变化 通过调节图 )中所示 时，相位差在60°至200°之间被动，在87CGHz和 bit编 单元结 115GH2两个须占处恰好180°。屈然这类无源单元 结构的理想工作频率范用（对1bit情况，即相位美 对应0 270°反射相位 同理 对于 要求满足180°)通常较窄，但在大多数实际应用 面 任2 中 当相位差处于160°至200°范围内时，编码超表 元之间相 相差36 0/2 面依旧可表现出较好的功能和性前 80°的1-bit超表面 ,其远场方向图总是关于法线镜 粗邻单 间的耦合会导致相位响应与设 像对称，然而对于2-bit和-bit(>2)编码超表面 计产生偏差，为了降低这些偏差，通常超表面会引 米1况， 其匹场万问图可以为非对形式 实现其他 者如单波束、多波束和随机漫反射等功能，极大地 入超级子单元(super-mit-cell)的概念，超级子单元 拓展了编码超表面所能产生的远场方向图的种类。 通常包括3×3或者5×5个基本单元(nit ce),在同 个超级子单元中，每个基本单元的相位响应是一到 太赫兹数字编码超材料 的，这样有效地降低相邻单元之间因为结构不同可 编超材料的发。在太领域，冬向 带来的反射相位恶化以及串扰问题。 对干超级子角 异性编码超表面、张量编码超表面、 率编 当编码图案变 1010 面 以及编码超表面的数 卷积运算等型 垂直入射波束被反射后，分为两个具有相同俯 被提出，并由此得到了低雷达散射截面、波束空间 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. hp:www.cnki.ne
3 数字编码超材料的工作原理 在2014年，东南大学崔铁军教授首次提出了采 用数字编码表征的超表面[11]，并由此提出了调控电 磁波的新机制。与传统超材料的等效媒质理论相 比，编码超材料建立起数字表征与物理实现的桥 梁，使得对电磁波的调控更为多样化。在文献[11] 中，编码超表面单元的工作状态(反射/透射相 位)可以由有限个二进制数值来表示，所以也被称 为数字超表面。图2展示了一种工作在微波段的1-bit 编码超表面，其中数字“0”和“1”分别代表反射 相位为0°和180°的两种单元，以上所述的相位值并 非绝对相位，其值的大小并不影响编码超表面的功 能和性能，在设计时只需要保证两个数字态在工作 频率下的相位差为 180°即可。虽然每个数字单元 的状态只有两个，但当这些以数字表征的单元结构 在2维平面上以M×N方式周期排列时，便存在 2 M×N种排列方式，每种排列方式对应一种编码图 案，当电磁波入射到这些各式各样的编码图案上 时，便可产生不同的远场方向图。 图2给出了反射型的单元结构示意图，单元由 3部分组成：最上层为金属贴片，中间是厚度为h的 介质板，最底层为整片金属层，这样保证了透射率 为零的同时有着较高的反射率。调节上层金属贴片 的长宽，便可以获得“0”和“1”编码单元所需的 相位。从图中可看出，当频率在7～14 GHz变化 时，相位差在60°至200°之间波动，在8.7 GHz和 11.5 GHz两个频点处恰好180°。虽然这类无源单元 结构的理想工作频率范围 (对1-bit情况，即相位差 要求满足180°) 通常较窄，但在大多数实际应用 中，当相位差处于160° 至200°范围内时，编码超表 面依旧可表现出较好的功能和性能。 相邻单元结构之间的耦合会导致相位响应与设 计产生偏差，为了降低这些偏差，通常超表面会引 入超级子单元(super-unit-cell)的概念，超级子单元 通常包括3×3或者5×5个基本单元(unit cell)，在同 个超级子单元中，每个基本单元的相位响应是一致 的，这样有效地降低相邻单元之间因为结构不同所 带来的反射相位恶化以及串扰问题。对于超级子单 元进行编码，当编码图案变为“010101···”序列 时，垂直入射波束被反射后，分为两个具有相同俯 仰角的波束，位于法线对称的两个方向上，如图 3(a)所示。而当编码变为棋盘格分布时，其辐射方 向图将出现4个具有相同俯仰角波束，如图3(b)所 示。1-bit的编码单元实现了0°和180°的相位分布， 如果将 360°相位四等分，可形成 2-bit的编码超表 面。通过调节图2(a)中所示的1-bit单元结构的边长 w，可将其扩展为2-bit编码单元结构，包括 “00”、“01”、“10”、“11”4个编码，分别 对应0°、90°、180°和270°反射相位。同理，对于更 高阶数的n-bit编码超表面，存在2 n个编码单元，相 邻单元之间相位相差360°/2 n。对于相位差为 180°的1-bit超表面，其远场方向图总是关于法线镜 像对称，然而对于2-bit和n-bit (n>2) 编码超表面 来说，其远场方向图可以为非对称形式，实现其他 诸如单波束、多波束和随机漫反射等功能，极大地 拓展了编码超表面所能产生的远场方向图的种类。 4 太赫兹数字编码超材料 随着编码超材料的发展，在太赫兹领域，各向 异性编码超表面[12]、张量编码超表面[13]、频率编码 超表面[14]以及编码超表面的数字卷积运算[15]等理论 被提出，并由此得到了低雷达散射截面、波束空间 (a) 编码超表面的单元结构 (a) The unit cell of the coding metasurface (b) 编码单元反射相位相应曲线 (b) The reflection phase of the unit cell w t h a Metal Metal 频率 (GHz) 相位差 “1”编码单元 “0”编码单元 相位 (°) Substrate 7 360 300 240 180 120 60 0 -60 -120 -180 8 9 10 11 12 13 14 图 2 反射型的编码超表面基本单元[11] Fig. 2 The Metamaterials particle for realizing the coding metasurface[11] 48 雷 达 学 报 第 7 卷
第1期 刘峻峰等：太赫兹信息超材料与超表而 图3反射型的编码超表面以及散射方向图 Fig.3 The eoding met 搬移、异常折射、贝塞尔波束等现象。下面将以基 图5给出了编码超材料单元的设计方法网。当 于编码超材料的低雷达散射截面(RCS)为例，介绍 单元结构的长与宽(L)发生变化时，反射相位会发 太赫兹领域编码超表面的设计与加工。 生变化，而反射系数基本保持不变。对不同尺寸的 通常，隐身缩减RCS的工作是通过绕射或者吸 超表面单元结构进行仿真，得到的反射系数情况如 收电磁波束来实现。编码超材料不仅能用于调控电 图5(a)所示。图5(b)给出了图5(a)两种尺寸的单元 磁波的辐射波束，也能用于覆盖在特定物体上来实 结构的相位差值，由图可以看出，当环的总宽度 现低RCS。高丽华等人在编码超材料的基础上实现 L从43m变化到78um时，在0.8~1.7THz频段范 了倍频带低散射的太赫兹超表面可，桶过代化超表 围内，相位差都超过了270°。根据前文关于1-bit, 面的编码分布，可以将入射波漫反射到空间各个方 2bit以及3-bit编码超表面中幅度相位条件（反射系 ，而且漫反射在各个方向上散射 能量都很小 幅度基本相等， 反射系数相位差分别 0°和±18 在文献16中， 采用了1阶迭 0 t900 180 、士儿 ±135 闵科夫斯基(Mink sk)环分形结构作为太赫兹编 士180°、±225 士270°和士315)。通过改变单元的 码人工电磁表面的基本单元，如图4(b)所示。在宽 宽度L,可以在宽频带内实现270°的相位覆盖，并 度或者面积没有增加的情况下，分形结构更加复 且相位差与L几乎呈线性关系，如图5（©）所示。因此， 杂，增加了许多折线结构，体现了分形结构的空间 可从图5（©）按照相位差要求中选定构成各比特数编 填充特点。利用分形结构来构造新型人工电磁材料 码人工电慰表面的基本单元尺寸，如图5()所示。 基本单元时，就早现出多烦带、宽顷带及尺计缩减 仿真以及实验结果显示，在08一1gTHz的频 等优点。图4显示了太赫兹波入射到设计的编码人 段范用内，t绵码人工由磁表面的后向散射系 工电磁表面上时，在其上半平面呈现出漫反射特征 该编码超表面也具有金属背板，为反射式的超 相较于同样尺寸的金属平板降低了至少10d 编码人工电磁表面的后 没有突出 的散 在整个上半 子面每个方向上都有强度相差不 大的散射峰，弱化了其后向散射的目标特征。 太赫兹低散射电磁超表面的加工网基于标准光 刻工艺。如图6所示，整个样品在硅基底上制作 由于反射金属背板的存在，硅基底不影响样品的电 磁特性同时具有一定的支撑作用。先在硅基底上蒸 镀一层200m厚的金作为金属背板。再在其上制 作聚酰亚胺作为介质层。聚酰亚胺介质层由PJ5J 聚酰亚胺涂层胶来制作，PJ-5J胶通过甩胶机在蒸 了金属层的硅 底上进行旋转汾 高外 图4反射型的编码超表面及其单元结枸4 固化为聚酰亚胺介 涂覆光刻 FigCoding metaurface and Minkowki codn prtic 后，刻有太赫兹吸波器结构的掩膜板覆盖在上面， 1994-2018 China Academie Joural Electronic Publishing House.All right hup www.cnki.ne
搬移、异常折射、贝塞尔波束等现象。下面将以基 于编码超材料的低雷达散射截面(RCS)为例，介绍 太赫兹领域编码超表面的设计与加工。 通常，隐身缩减RCS的工作是通过绕射或者吸 收电磁波束来实现。编码超材料不仅能用于调控电 磁波的辐射波束，也能用于覆盖在特定物体上来实 现低RCS。高丽华等人在编码超材料的基础上实现 了宽频带低散射的太赫兹超表面[16]，通过优化超表 面的编码分布，可以将入射波漫反射到空间各个方 向，而且漫反射在各个方向上散射的能量都很小， 这样就降低了RCS。在文献[16]中，采用了1阶迭代 闵科夫斯基(Minkowski)环分形结构作为太赫兹编 码人工电磁表面的基本单元，如图4(b)所示。在宽 度或者面积没有増加的情况下，分形结构更加复 杂，增加了许多折线结构，体现了分形结构的空间 填充特点。利用分形结构来构造新型人工电磁材料 基本单元时，就呈现出多频带、宽频带及尺寸缩减 等优点。图4显示了太赫兹波入射到设计的编码人 工电磁表面上时，在其上半平面呈现出漫反射特征。 该编码超表面也具有金属背板，为反射式的超表面。 图5给出了编码超材料单元的设计方法[16]。当 单元结构的长与宽(L)发生变化时，反射相位会发 生变化，而反射系数基本保持不变。对不同尺寸的 超表面单元结构进行仿真，得到的反射系数情况如 图5(a)所示。图5(b)给出了图5(a)两种尺寸的单元 结构的相位差值，由图可以看出，当环的总宽度 L从43 μm变化到78 μm时，在0.8～1.7 THz频段范 围内，相位差都超过了270°。根据前文关于1-bit， 2-bit以及3-bit编码超表面中幅度相位条件(反射系 数幅度基本相等，反射系数相位差分别为0°和±180°， 0°、±90°、±180°，0°、±45°、±90°、±135°、 ±180°、±225°、±270°和±315°)。通过改变单元的 宽度L，可以在宽频带内实现270°的相位覆盖，并 且相位差与L几乎呈线性关系，如图5(c)所示。因此， 可从图5(c)按照相位差要求中选定构成各比特数编 码人工电磁表面的基本单元尺寸，如图5(d)所示。 仿真以及实验结果显示，在0.8～1.9 THz的频 段范围内，2-bit编码人工电磁表面的后向散射系数 相较于同样尺寸的金属平板降低了至少10 dB，且 编码人工电磁表面的后向散射场几乎没有突出的散 射峰，在整个上半平面毎个方向上都有强度相差不 大的散射峰，弱化了其后向散射的目标特征。 太赫兹低散射电磁超表面的加工[16]基于标准光 刻工艺。如图6所示，整个样品在硅基底上制作， 由于反射金属背板的存在，硅基底不影响样品的电 磁特性同时具有一定的支撑作用。先在硅基底上蒸 镀一层200 nm厚的金作为金属背板。再在其上制 作聚酰亚胺作为介质层。聚酰亚胺介质层由PJ-5J 聚酰亚胺涂层胶来制作，PJ-5J胶通过甩胶机在蒸 镀了金属层的硅基底上进行旋转涂抹，高温处理后 固化为聚酰亚胺介质层。聚酰亚胺层上涂覆光刻胶 后，刻有太赫兹吸波器结构的掩膜板覆盖在上面， (b) 棋盘格编码的反射式超表面 (b) Metasurface structures with chessboard-like coding sequences (a) “010101.”编码的反射式超表面 (a) Metasurface structures with 010101. coding sequences 图 3 反射型的编码超表面以及散射方向图[11] Fig. 3 The coding metasurface and reflected directivity pattern[11] (a) k (b) Lin w g L 图 4 反射型的编码超表面及其单元结构[16] Fig. 4 Coding metasurface and Minkowski coding particle[16] 第 1 期 刘峻峰等：太赫兹信息超材料与超表面 49
50 雷达学报 第7卷 (2) -0 1 0 01- 0700 11 1315 宽度L(a 比特数 ☒☒图☒函图函 2-bit 01 3 010 图5反射型的招表面单元的设计 FigThe de of partic of 进行光、显影，太赫兹吸波器结构就转移到了光 电信号对申磁波的实时调控，加图7所示，将金屈 刻胶层上，再经过蒸镀金属(200mm厚的金)和浸 开口谐振环制作在砷化镓基底上， 由超材料阵列 剥离等工艺即完成样品加工。加工完成后，太林兹 半导体基底一起形成肖特基二极 通过改变栅极 编码超表面采用反射式太妹兹时域光增(THz-TDS) 电压来控制超材料单元底部载 子的注入与耗 系统进行实验测量。 从而改变超材料单元的谐振特性 以实现完成对 5现场可编程超材料及其成像应用 赫兹透射波束的实时调控。基于类似的原理，若可 以对超材料单元进行独立调控，则可以设计太赫兹 在太赫兹频段，由于受限于尺寸以及加工1 频段的数字可编程超材料。 艺，对电磁波束的实时调控通常通过半导体材料 在上节中，编码超材料可以通过设定“0”和 微机械结构等方式来完成。例如通过二氧化钒、 “1”的编码序列来调控电磁波。崔铁军等人在此 液晶网，以及泵浦光明、微型悬臂梁网、空间光调 基础上进一步拓展，提出了通过对编码状态的切 制器等方式来实羽太抹被波束的实时调控。可维 换 一步实现微波频段的现场可编程超材料叫。 程超材料的提出，为太赫兹波的实时调控开辟了新 控 元如图8所示 通过 收变开 的途径 电压， 来实现 0”或 编码态的超材料单元 006年Chen等人在太赫兹频段实现了利用 单元结构中，上表面由两个平面对称的金属贴片组 1994-018 China Academic Joural Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
进行曝光、显影，太赫兹吸波器结构就转移到了光 刻胶层上，再经过蒸镀金属(200 nm厚的金)和浸泡 剥离等工艺即完成样品加工。加工完成后，太赫兹 编码超表面采用反射式太赫兹时域光谱(THz-TDS) 系统进行实验测量。 5 现场可编程超材料及其成像应用 在太赫兹频段，由于受限于尺寸以及加工工 艺，对电磁波束的实时调控通常通过半导体材料、 微机械结构等方式来完成。例如通过二氧化钒[17]、 液晶[18]，以及泵浦光[19]、微型悬臂梁[20]、空间光调 制器[21]等方式来实现太赫兹波束的实时调控。可编 程超材料的提出，为太赫兹波的实时调控开辟了新 的途径。 2006年Chen等人[22]在太赫兹频段实现了利用 电信号对电磁波的实时调控，如图7所示，将金属 开口谐振环制作在砷化镓基底上，由超材料阵列与 半导体基底一起形成肖特基二极管。通过改变栅极 电压来控制超材料单元底部载流子的注入与耗尽， 从而改变超材料单元的谐振特性，以实现完成对太 赫兹透射波束的实时调控。基于类似的原理，若可 以对超材料单元进行独立调控，则可以设计太赫兹 频段的数字可编程超材料。 在上节中，编码超材料可以通过设定“0”和 “1”的编码序列来调控电磁波。崔铁军等人在此 基础上进一步拓展，提出了通过对编码状态的切 换，进一步实现微波频段的现场可编程超材料[11]。 调控单元如图8所示，通过改变开关二极管的偏置 电压，来实现“0”或“1”编码态的超材料单元。 单元结构中，上表面由两个平面对称的金属贴片组 (d) 选定的 Minkowski 编码单元 (d) Designed Minkowski coding particles 相位与 形状 比特数 1-bit 2-bit 3-bit 0 00 000 1 10 100 11 101 110 111 01 001 010 011 0° -45° -90° -135° -180° -225° -270° -315° (a) 单元结构在不同尺寸下的反射相位以及反射系数 (a) The influence of the Minkowski loop size on the reflection properties (b) 编码超表面的单元相位响应 (b) The phase response of Minkowski coding particles (c) 编码单元宽度 L 与相位的关系 (c) The dependence of the phase on the loop width L (a1)相位 (°) 相位 (°) 相位 (°) 反射系数 (dB) 频率 (THz) 频率 (THz) 宽度L (mm) 频率 (THz) (a2) L=78 mm L=43 mm L=78 mm L=43 mm 360 180 0 -5 -10 0 -2 0 1-bit 2-bit 3-bit -90 -180 -270 -360 -4 0 360 180 540 360 180 0 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 43 48 53 58 63 68 73 78 0 0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 0.8 1.2 1.6 2.0 图 5 反射型的编码超表面单元的设计[16] Fig. 5 The design of Minkowski coding particles of metasurface[16] 50 雷 达 学 报 第 7 卷