基于电磁表面的阵列天线及应用概述

周嵩林，唐隽文，刘罗颢，吴优，刘长昊，金一飞，杨帆，许慎恒，李懋坤

（1.清华大学电子工程系，北京 100084；
2.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094）

超材料是指人工设计的具有天然材料所不具有的特殊物理性质的材料，是近几年的热门研究方向之一。当超材料在某一方向上的尺寸趋近于0，成为二维材料时，也被称为超表面。相比三维超材料，超表面更有利于分析、设计和加工，是目前超材料相关研究的主流内容。

不同于声学表面、力学表面等其他超表面，电磁表面主要研究超表面对电磁场表现出的调控能力，在电磁学领域备受关注。近些年，随着技术的发展和工艺的进步，电磁表面为天线设计，尤其是阵列天线的设计带来了全新的思路和方法。基于人工电磁表面的阵列天线能够极大地降低阵列的结构复杂度、重量以及成本，为通信、雷达等领域提供新一代硬件基础。

本文对电磁表面阵列天线进行了总结和介绍。首先介绍了其早期的发展和界面电磁理论；
然后基于可重构电磁表面阵列天线，讨论了当前的一些研究前沿；
随后给出了几个电磁表面阵列天线在系统层面的应用实例；
最后对电磁表面阵列天线未来的发展进行了展望。

电磁表面阵列天线是指借助电磁表面的特殊物理性质，对空间入射电磁波进行接收、调控和发射的器件。这一概念的前身是20 世纪中期提出的以频率选择表面为代表的人工电磁表面[1]和以波导口反射阵为代表的反射阵天线[2]。在印制电路板（PCB,printed circuit board）天线加工工艺成熟后，二者迅速结合并发展成基于微带结构的电磁表面阵列天线。本节将介绍早期人工电磁表面、界面电磁学理论以及不可重构的电磁表面阵列天线。

1.1 人工电磁表面

电磁波在物体表面的反射、折射特性一直是人们感兴趣的一个研究方向。早在17 世纪，荷兰物理学家Snellius[3]针对光的反射和折射特性提出了折射定律。随后，在自然材料表面的各种电磁现象，如全反射、全透射等，逐渐被学者发现。

为了更进一步地调控电磁波在物体表面的响应，20 世纪50 年代，有学者提出使用周期性排布的平面结构对空间中的电磁波进行响应，该结构被称为频率选择表面[1]。频率选择表面可以使某些频段内的电磁波透射，而其他频段的电磁波则会被反射，因此表现出空间滤波器的特性。随后几十年中，出现了多种基于周期结构的电磁表面，其中具有代表性的是人工磁导体[4]，也称电磁带隙结构[5]。

1.2 界面电磁学理论

在人工电磁表面发展至一定程度后，为了更加系统地描述各种表面上不同的电磁现象，研究者提出了界面电磁学理论。类比零维的电路理论、一维的传输线理论以及三维的麦克斯韦经典电磁理论，界面电磁学关注一维和三维之间未进行充分系统研究的区域，即二维表面上的电磁理论，如图1 所示。目前，界面电磁学仍是一个新兴的学科，其中尚有大量的内容等待发掘和完善。

图1 界面电磁学的学科定位

界面电磁学理论中一个重要的研究方向就是基于电磁表面的新型高增益阵列天线。此类天线一般由电磁表面和馈电系统两部分组成，采用不同的工作模式、相位控制、口面形式、馈电方式等，可以组合出针对各种应用的不同天线系统，如图2 所示。

图2 基于电磁表面的新型高增益阵列天线分类

1.3 不可重构的电磁表面阵列天线

早期的电磁表面阵列天线多为不可重构的固定波束阵列天线。它不需要集成额外的馈电和控制电路，设计流程较简单，在波束稳定性、辐射效率和对复杂环境的耐受力方面都具有很好的表现。根据电磁波在表面上的作用方式，可以分为反射阵天线和透射阵天线。

对反射电磁波进行调控的天线称为反射阵天线。反射阵天线单元一般由金属地板、介质板、贴片和通孔组成。其中，金属地板可以抑制单元的背向辐射，使透射系数几乎为0。不可重构反射阵天线一般通过几何变化实现相位控制，例如，改变单元的大小[6]、形状或旋转角度[7]等，如图3(a)所示。

对透射电磁波进行调控的天线称为透射阵天线。相比反射阵天线，透射阵天线的突出优势是没有馈源遮挡，劣势则是透射带来的损耗更大。透射阵天线根据入射波和出射波之间转换的原理不同，可以分为收发式[8]和层叠耦合式[9]2 种，分别如图3(b)和图3(c)所示。

图3 早期电磁表面阵列天线或单元

不可重构电磁表面阵列天线只能在空间域对电磁波进行调制，而在时间域，表面的电磁特性是恒定不变的。为了实现波束成形和波束扫描，需要在时间上也能对电磁波进行调制。本节首先介绍可重构电磁表面阵列天线，包括连续相位（模拟）电磁表面和离散相位（数字）电磁表面，然后介绍可重构电磁表面阵列天线在宽带、太赫兹、多极化等方面的前沿结果。

2.1 可重构电磁表面阵列天线

可重构电磁表面阵列天线可以通过重构单元的电磁结构实现对单元相位的调控，从而实现波束扫描。一般对单元的反射或透射相位进行调控，包括机械控制调相[10-11]、可变材料调相[12-13]和集成固态电子器件调相[14-19]。其中，集成固态电子器件的调相方式相较于前2 种调相方式具有响应速度快、损耗低等特点，因此被广泛用于反射式和透射式的可重构电磁表面阵列天线设计。本节将分别介绍使用集成固态电子器件在电磁表面阵列天线中实现连续或离散的相位调控的方法。

2.1.1连续相位电磁表面的调控

连续相位电磁表面的调控一般需要使用变容二极管实现，一些设计也同时使用了PIN 二极管[14-15]。使用连续相位设计可以规避相位量化误差造成的辐射性能恶化，但其工作频率相对较低，同时复杂的单元结构和偏置电路使单元损耗较大，一定程度上造成了辐射效率的下降，因此研究者一直致力于如何降低单元损耗。

Trampler 等[14]提出了一个双谐振的反射式结构单元，单元加载4 个变容二极管可以实现超过360°的调相范围，如图4(a)所示。Tang 等[15]提出了一个透射式的收发结构单元，如图4(b)所示。加载在发射贴片上的2 个PIN 二极管用于控制电流方向，基于电流反转原理实现180°相位差。此外，结合一个加载3 个变容二极管的模拟移相器提供180°连续相位，因此单元可以实现360°范围的连续相位调控。

图4 连续相位单元结构

2.1.2离散相位电磁表面的调控

离散相位电磁表面的调控一般借助PIN 二极管和射频微机电系统（MEMS,micro-electro mechanical system）开关等性能参数稳定、功耗低、截止频率较高的开关器件，实现对单元相位的1 bit或2 bit 量化。使用离散相位设计的单元相比连续相位设计的单元结构更简单，损耗更低，但是会受相位量化误差的影响。根据计算，进行1 bit 相位量化后，阵列天线的辐射增益会遭受3～4 dB 的损失，旁瓣电平也会急剧升高，特别是在波束扫描时旁瓣性能恶化更明显。而将相位量化精度提升至2 bit 时，增益损失降低到约1 dB，旁瓣性能也得到大幅改善[20-21]。因此2 bit 相位量化是一个折中的量化精度。

1 bit 相位量化设计的一个经典结构是边缘加载PIN 二极管的微带贴片单元。Xu 等[16]在此基础上提出了一个双线极化的反射式1 bit 单元，如图5(a)所示。单元加载2 个PIN 二极管，在12.5 GHz 的x极化方向和14.25 GHz 的y极化方向上均可实现1 bit相位调控。1 bit 的相位调控由PIN 二极管的通断改变辐射贴片的等效电路长度来实现。

另一种1 bit 量化设计通过极化转换电流反转实现。Luo 等[17]提出了一个宽带透射式1 bit 单元，单元结构如图5(b)所示，单元基于极化旋转结构设计，顶层和底层的金属栅网用于接收和辐射电磁波，中间层的2 个正交放置的极化器分别加载一个PIN 二极管用于移相和极化转换。当2 个PIN 二极管中的一个导通时，对应的极化器工作，使极化偏转；
当另一个导通时，同样产生极化偏转，但转极化后的电场相位恰好相反，从而实现宽带的180°相位差。

图5 1 bit 相位量化单元结构

2 bit 相位量化由于结构更复杂，需要进行巧妙的设计，因此相关的工作较少。2020 年，Diaby等[18]提出了一个透射式的2 bit 单线极化单元，单元结构如图6(a)所示。它由六层金属和五层介质组成，加载了4 个PIN 二极管。180°相移通过加载在接收O 形槽贴片上的2 个PIN 二极管来实现；
另外2 个PIN 二极管加载在传输贴片上，该贴片包含一条延迟线，以实现额外的0°/90°相位切换，最终实现2 bit相位调控。

2022 年，Zhang 等[19]提出了如图6(b)所示的反射式2 bit 单元，单元包括极化转换层和反射层两部分，共加载了6 个MEMS 射频开关来实现2 bit 相位调控，其中，极化转换层实现90°/-90°相位控制，反射层实现0°/90°相位控制。

图6 2 bit 离散相位单元结构

2.2 宽带电磁表面阵列天线

由于可重构电磁表面阵列单元大多使用贴片式辐射结构，具有天然的窄带特性，其工作带宽受到很大制约。为了获得宽带的工作特性，可采用的方法包括多层堆叠、极化转换、增强单元间耦合等。

Xi 等[22]提出了添加寄生贴片层形成堆叠微带结构以提高电磁表面阵列带宽的方法，通过在原单元上方添加无源的寄生贴片，能够有效拓展带宽，如图7(a)所示。最终组成了一个16×16 的1 bit 可重构反射阵天线，1 dB 增益带宽达到15.4%。

图7 宽带电磁表面阵列天线

Zhou 等[23]提出的双层贴片反射阵同样采用了多层堆叠结构来拓宽带宽，如图7(b)所示。与文献[22]的不同之处在于，该工作两层谐振结构上均加载了有源的PIN 二极管，通过更复杂的控制结构获得了更宽的增益带宽。最终组成16×16 的阵列天线后达到了22.5%的1 dB 增益带宽。

采用极化转换、电流反转思路实现的单元，一般拥有更宽的移相带宽，可以提高整个阵列的增益带宽。使用此方法的一个最新结果是Luyen 等[24]利用极化转换方法设计的宽带反射阵，如图7(c)所示。通过控制2 个PIN 管通断使1 和3、2 和4 分别连通作为2 种单元状态，2 种状态在极化转换之后的电流方向相反，因此两者之间具有很稳定的相移曲线，能够在8～12 GHz 内保持180°的相位差。最后组成16×16 的反射阵天线，3 dB 增益带宽超过30%。

Mu 等[25]在2021 年提出了一种新的使用紧耦合法拓宽反射阵带宽的方法。通过在相邻单元间添加锯齿状结构以增强耦合，能够获得更加稳定的移相曲线，并借此获得更宽的移相带宽，如图7(d)所示。最终组成了18×12 大小的阵列，3 dB 增益带宽为40%。

宽带电磁表面阵列天线带宽对比如表1 所示。

表1 宽带电磁表面阵列天线带宽对比

2.3 太赫兹电磁表面阵列天线

基于界面电磁理论的电磁表面阵列天线设计方法，理论上可以在任何频带内设计电磁表面阵列天线。然而，在太赫兹频段，由于天线结构尺寸小、损耗大，因此对天线设计和加工，以及开关器件的性能提出了新的挑战。为了解决上述挑战，人们利用新的工艺、新的开关来设计太赫兹频段的电磁表面阵列天线。

2018 年，Zhang 等[26]使用高电子迁移率晶体管（HEMT,high electron mobility transistor）器件实现了太赫兹频段的相位调制，如图8(a)所示。通过利用微纳加工工艺，制备了半导体异质结开关，通过施加不同电压，控制HEMT 器件中二维电子气浓度，从而控制器件电流，调整天线表面对入射波的响应，最终在0.35 THz 频点对入射电磁波实现了137°的相移。同年，他们利用二氧化钒（VO2）对温度的响应特性实现了太赫兹空间相位调制[27]。通过激光照射电磁表面，以改变二氧化钒器件的温度，使二氧化钒实现相变，从而改变天线谐振状态，最终在0.6 THz 处实现了138°的相移，并能获得55 GHz 的带宽。

2019 年，Xu 等[28]基于HEMT 器件工艺，设计了一款所有单元可独立相控的太赫兹反射阵天线。仿真表明，该天线可在0.3 THz 处实现180°相移，并可以实现60°大角度扫描。

2020 年，Venkatesh 等[29]利用互补金属氧化物半导体（CMOS,complementary metal oxide semiconductor）工艺实现了单元独立可控的太赫兹可重构透射阵，如图8(b)所示。他们利用标准65 nm CMOS 工艺，加工了576 单元的阵列。每个单元上集成8 个CMOS 器件，可在0.3 THz 处实现±30°动态波束成形，动态切换速率可达到5 GHz。

2022年，Monroe等[30]实现了一套工作在265 GHz的98×98 单元超大规模CMOS 反射阵雷达，如图8(c)所示。该设计使用了先进的22 nm FinFET 工艺，可以加工低损耗移相器。同时，利用CMOS 工艺在阵列中集成移位寄存器和存储器等控制电路，实现了快速波束切换和雷达扫描成像应用。

图8 太赫兹电磁表面阵列天线

除了CMOS 工艺，研究者还在其他工艺和开关器件上进行了积极探索，例如，GaAs 肖特基二极管[31]、相变材料（PCM，phase change material）[32]、石墨烯[33]等，验证了这些材料和器件在太赫兹可重构电磁表面阵列天线上的应用潜力。

2.4 多极化电磁表面阵列天线

极化也是电磁波的重要特性之一。除一般的线极化和圆极化以外，通过合适的单元设计，电磁表面阵列天线能够实现双极化、全极化、双圆极化等多种极化方式。

双线极化方面的研究在几年前就已经成熟，基本的工作原理大同小异。例如，Moghadas 等[34]早在2015 年就提出用加载MEMS 开关的十字槽单元实现双频双极化反射单元。通过加载在2 个垂直槽上的多个MEMS 开关对垂直和水平2 个极化分量分别进行相位调节，实现了垂直和水平极化独立的相位响应。2.1.2 节中提到的文献[16]是较新的一项双极化相关的工作。

双圆极化的相关研究则较为滞后，目前绝大部分结果都仅为不可重构阵列。例如，一些研究中使用线-圆极化转换器[35]、后级3 dB 电桥[36]等进行多层之间的极化分离后，再进行独立的相位调控。最新的一项工作借助相位延迟线和动态相位补偿技术，实现了一个宽带的双圆极化反射单元，如图9(a)所示，但仍然是不可重构的，无法进行波束扫描[37]。

2021 年，Baladi 等[38]首次实现了可重构的双圆极化单元，并且在组阵后实现了波束扫描，如图9(b)所示。采用交错布阵的思路，在2 个不同尺寸且都加载了4 个变容二极管的单元上实现了异频双圆极化，是目前唯一实现了双圆极化波束扫描的电磁表面阵列天线。其局限是仅能够在2 个不同频段实现双圆极化独立波束扫描，无法做到同频独立。

图9 双圆极化电磁表面阵列天线

电磁表面阵列天线所具有的低重量、低成本和低剖面等优势，使其在通信、雷达等领域中有广泛的应用。本节从通信系统、雷达系统以及电磁环境调控3 个方面讨论电磁表面阵列天线的应用场景。

3.1 通信系统

电磁表面阵列天线可以直接作为卫星发射天线，由于其具有的低剖面和低重量的特性，十分适于卫星通信。文献[39]提出了如图10(a)所示的一种紧凑型四簇宽带圆极化连续旋转电磁表面阵列天线阵列，用于C 波段卫星通信。这项工作使用了带有S 形电磁表面阵列天线单元的连续旋转馈电网络，有效增强了轴比带宽。文献[40]综合上文提到的连续相位调控与宽带设计两大热点问题，提出了如图10(b)所示的基于变容二级管的连续相位调控的由蘑菇单元构成的可重构反射式电磁表面阵列天线，具有超宽带特性，可用于X 波段和Ku 波段卫星通信。

对电磁表面单元状态进行实时编程控制并传输数字信息，称为可编程电磁表面，采用可编程电磁表面能实现一种新型的无线发射机结构[41]。此类发射机不再需要滤波器、宽带混频器或宽带功率放大器等器件，大大降低了整机复杂度，是实现经济高效的无线通信系统的一种很有前景的硬件结构。2019 年，Tang 等[42]基于8×32 单元的可编程超表面实现了8PSK 发射机，在4.25 GHz 频点实现6.144 Mbit/s 的传输速率，如图10(c)所示。此外，使用可编程相控阵进行时空编码，可以进行空分复用，将多个信道的信息同时传递给不同用户，而不需要进行数模转换和混合处理[43]。

图10 通信系统中的电磁表面阵列天线

3.2 雷达系统

雷达系统通过发射无线电波，并利用反射的回波生成远距离目标的图像。为了获得更远的探测距离和更高的分辨率，需要使用大尺寸高增益的阵列天线。传统的相控阵通常需要昂贵的有源射频组件，其尺寸、重量、功率等问题以及高昂的成本令人望而却步。可重构电磁表面阵列天线的技术路线对基于阵列的雷达来说很有吸引力，可以支持小型雷达系统的大规模量产，是传统相控阵的低成本替代品。可重构电磁表面阵列天线在雷达中的应用包括远场（如汽车防撞、无人机监视等）和近场（穿墙成像）系统。

文献[44-45]提出了一种工作在92～96 GHz的可重构电磁表面阵列天线，仅利用普通的PCB 加工工艺及加工精度要求，通过合理的单元设计，就可以控制PIN 二极管实现电流翻转，能轻便地、低成本地在W 波段保证稳定的180°调相效果。更进一步地，通过输入合适的空间编码，相控电磁表面阵列天线可以形成具有不同指向的波束。这种具有空间波束扫描能力的透射型相控电磁表面阵列天线可以用作雷达系统的接收天线，如图11(a)所示。

2.3节中提到了文献[30]提出的一款基于硅基22 nm 工艺设计制作的应用在260 GHz 的1 bit 太赫兹相控电磁表面，其应用也是作为反射阵雷达，如图11(b)所示。除了硅基太赫兹电磁表面上的一些前沿设计外，在系统后端还充分发挥了硅基集成电路的特色，设计内存存储，将雷达扫描与频率扫描所需要的所有控制文件存储进内存，仅需要输入少量信息即可自主生成波束，大大降低了走线复杂度。

图11 雷达系统中的电磁表面阵列天线

3.3 电磁环境调控

对于电磁环境，尤其是电磁信道的改变和控制，是电磁表面近几年在通信领域新的应用方向，其硬件结构与电磁表面阵列天线基本一致，相关研究者称其为可重构智能表面（RIS,reconfigurable intelligent surface）。通过将RIS 放置在信道中，改变电磁波传播特性，能够有效提高信道容量。

2019 年，Hougne 等[46]使用放置在随机环境中的可重构电磁表面，能够调整信道的无序性，并为不同的无线信道添加完美正交性。他们展示了在拥有3×3 个系统的室内环境中的增强无线图像传输，通过调整无序性，使独立信道数从2 个增强到最高的3 个。

2021 年，Elmossallamy 等[47]针对上行多用户情景，提出可以通过最大化RIS 增强信道的有效秩和最大化最小奇异值的方法，对RIS 相移进行优化，从而提升其信道增强能力。结果表明，即使优化后RIS 的直接传播仅贡献了接收功率的一小部分，线性接收机的速率也显著提高了。

结合上述介绍的一些研究与应用可以发现，电磁表面阵列天线的研究与应用可根据频率划分为2 个部分。1) 在微波、毫米波频段，电磁表面阵列天线已经有了大量的研究结果，并已经应用于通信、雷达等相关领域，另外还衍生出一种新的信道调控方法。2) 在太赫兹频段，受限于器件、工艺等诸多因素，电磁表面阵列天线目前仅有的几个研究结果，都还处于从零到一、从无到有的探索阶段。

因此，电磁表面阵列天线未来在微波、毫米波频段的发展会与系统应用领域结合得更加紧密。以实际应用为驱动，研究功能更加完备、工作指标更加突出的电磁表面阵列天线；
或是利用可重构电磁表面本身的数字化调控优势，进一步提高数字化程度，研究以可编程时空调制电磁表面为硬件基础的新型发射机、可重构智能表面等。

在太赫兹领域，电磁表面的发展有3 个关键问题亟待解决。首先，受限于太赫兹固态器件的非理想开关条件，电磁表面对太赫兹频段电磁波的调控机理尚不清楚；
其次，受限于芯片材料和工艺，太赫兹电磁表面单元的设计自由度少、辐射效率低；
最后，相关的一些加工工艺（如GaN 工艺、CMOS 工艺、异构集成工艺等）还缺乏研究和规范化。研究上述问题需要电磁理论、半导体器件、微纳集成工艺等多个领域的学科交叉和协同创新，具有更高的挑战性，但同时也拥有广阔的发展空间。

本文对电磁表面阵列天线进行了一个整体的介绍。从传统的频率选择表面，到早期的不可重构电磁表面阵列天线，再到可重构电磁表面阵列天线相关的最新研究，最后到各系统中的应用，从一个相对全面的视角建立了对电磁表面阵列天线的整体认知。

针对电磁表面阵列天线的最新研究进展，本文总结了电磁表面阵列天线在可重构、宽带、太赫兹和多极化等方面的最新研究进展。在系统应用层面，本文也给出了电磁表面阵列天线在通信系统、雷达系统以及电磁环境控制中的一些应用。同时，对电磁表面阵列天线未来的发展进行了展望。

总体来说，基于人工电磁表面的阵列天线这一领域在未来还有广泛的研究内容和广阔的应用前景，期待越来越多的研究者共同参与到这一新兴领域的探索中来。