本报告基于一篇发表于2026年3月的学术论文。该论文标题为《能独立调控辐射与散射方向图的可重构全息超表面》，作者为陈雨蓁（Yuzhen Chen，研究生会员）、王晓艺（Xiaoyi Wang，会员）、徐丰（Feng Xu，高级会员）、杨国敏（Guo-Min Yang，高级会员）和金亚秋（Ya-Qiu Jin，终身会士），分别来自复旦大学信息科学与技术学院电磁波信息科学教育部重点实验室和同济大学电子与信息工程学院。该研究发表在《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》第74卷第3期上。这是一项关于新型可重构电磁超表面的原创性研究，属于电磁场与微波技术、天线设计及超材料应用领域。
一、学术背景与目标
超表面（Metasurface， MTS）是一种由亚波长人工结构组成的二维平面，能够对电磁波的相位、幅度和偏振进行灵活调控，在天线、隐身、成像和无线通信等领域展现出巨大潜力。传统的超表面通常工作在透射或反射模式下，其馈电结构（馈源天线）与超表面阵列之间存在空间分离，这导致系统厚度和尺寸难以进一步缩减。与此同时，尽管已有研究开发了集成馈源的全息超表面（Holographic Metasurface， HMS），但其功能往往固定，缺乏实时可重构能力。可重构全息超表面（Reconfigurable Holographic Metasurface， RHM）的设计面临两大核心挑战：一是在单元尺寸极小（通常小于四分之一波长）的情况下，如何在实现二维波束扫描的同时，为大量单元设计复杂的直流偏置线路并维持良好性能；二是单元结构需同时满足“反射相位”和“表面阻抗”这两种不同工作模式下对单元电磁响应的不同要求，而这两个参数通常在设计中相互耦合，难以同时优化。
本研究旨在解决上述挑战，提出并实现了一种新型的单极化1比特可重构全息超表面。该超表面核心目标是在单个平台上独立地、动态地控制辐射模式（作为天线，由表面波（Surface Wave， SW）激励）和散射模式（作为反射阵列，由空间传播波（Space Propagating Wave， SPW）激励）下的波束方向。此外，研究还期望该器件在SPW激励下，具备雷达散射截面（Radar-Cross Section， RCS）缩减吸收和偏振转换等附加功能，从而构建一个多功能集成的紧凑型电磁波前调控平台。
二、研究流程与方法
本研究工作流程严谨，依次为概念设计与仿真验证、单元设计、馈电网络设计、阵列集成与多功能仿真，最终完成加工与实验测量。
1. 概念设计与单元设计 研究者首先提出了一个分层集成架构。顶层为32×24的超表面阵列，底层集成了一个Rotman透镜作为馈电网络。超表面阵列采用“按列控制”的偏置方案，即每一列单元共享一个直流偏置线，极大地简化了控制线路复杂度。Rotman透镜则负责在H面（yz平面）上提供可控的相位梯度，从而实现H面的波束扫描。整个馈电网络被置于超表面底部，并由上层介质基板屏蔽，确保了在SPW照射时，馈电结构不会对反射模式下的波束控制产生干扰。
单元设计是本研究的技术核心。每个单元尺寸为4.8mm × 4.8mm，工作在X波段。单元结构包含一个中心金属贴片、两条偏置线和一根非接地的金属过孔。创新的关键点在于引入了一个单PIN二极管，连接在中心贴片与非接地过孔之间。通过控制PIN二极管的“开”（ON）与“关”（OFF）状态，可以切换单元的两种编码状态（State 0和State 1）。这种设计巧妙地解耦了两种工作模式下的需求： * 辐射模式（SW激励）：通过改变PIN状态，有效改变单元的有效电长度，从而在9 GHz工作频率下调制其表面阻抗（Surface Impedance），实现1比特的表面阻抗控制（ηs0 = 278.19 jΩ, ηs1 = 606.23 jΩ）。 * 散射模式（SPW激励）：同时，PIN状态的变化也改变了单元的反射相位。仿真表明，在10-15.5 GHz的宽频带内，两种状态的反射相位差接近180°，实现了高质量的1比特相位控制（相对带宽43.1%）。
设计过程中，研究者进行了精细的仿真优化。他们对比了三种单元结构：传统全息单元（I型）、增加了偏置线的单元（II型）、以及最终引入了非接地过孔的单元（III型）。仿真结果表明，非接地过孔的引入不仅拓宽了SPW激励下180°相位差的带宽，还显著增大了SW激励下两种状态间色散曲线的差异，这是同时优化两种模式性能的关键。所有仿真均在CST Microwave Studio 2023中完成，利用其本征模求解器计算色散曲线，利用频域求解器分析反射特性。
2. 馈电网络设计 为了在有限的偏置线数量下实现二维波束扫描，研究者设计了基于Rotman透镜的馈电网络。该透镜包含5个输入端口（Beam Ports）和9个输出端口（Array Ports）。当激励不同的输入端口时，Rotman透镜能在9个输出端口上产生特定的、等幅且相位呈线性渐变的输出信号。这些输出信号通过接地层上的9个缝隙耦合到超表面阵列，激励起沿x方向传播的x极化表面波。仿真结果显示，在8.5-10 GHz频带内，各输入端口反射系数均优于-10 dB，端口间互耦低于-15 dB，输出端口的幅度不平衡小于3 dB，相位线性度良好。这一设计使得仅需切换Rotman透镜的馈电端口，即可实现H面（y-z平面）从-30°到30°的波束扫描。
3. 阵列集成与功能仿真 在完成单元和馈电网络设计后，研究者对由32×24个单元组成的完整阵列进行了全波仿真，验证其多项功能。 * 辐射波束扫描（E面与H面）：对于E面（x-z平面）扫描，通过为阵列的32列单元加载不同的0/1编码序列（根据全息原理计算得出），可以在固定馈电端口（如B3）激励下实现波束扫描。仿真显示，在9 GHz下，编码序列可实现从-30°到60°的E面扫描。对于H面扫描，则固定阵列编码序列，通过切换Rotman透镜的5个输入端口（B1-B5）实现-30°到30°的扫描。 * 散射波束扫描：在SPW（10.5-16 GHz）垂直照射下，通过对所有单元施加特定的0/1相位编码（根据阵列因子理论计算），可实现对反射波束的偏转控制。仿真结果表明，在11 GHz和15 GHz下，最大可实现±60°的波束扫描。 * 吸收与偏振转换功能：利用互易原理，当RHM被编码为可将特定方向入射波转换为表面波并被匹配负载吸收时，就实现了对该方向入射波的“吸收”或RCS缩减功能。仿真显示，在特定编码下，阵列在法线方向的单站RCS相比同等大小的金属板降低了超过20 dB。偏振转换功能则基于单元对x极化和y极化入射波的反射相位差。仿真计算了阵列在两种状态下的轴比（Axial Ratio， AR），并分析了在45°线极化（LP）波入射时，反射波可转化为左旋圆极化（LHCP）、右旋圆极化（RHCP）或交叉极化波的条件。
三、主要实验结果与逻辑关系
研究者加工了一个实物原型，并使用外部FPGA系统控制32列偏置电压，对仿真结果进行了全面的实验验证。 * 辐射性能测量：在微波暗室中测量了阵列的S参数和远场方向图。实测的-10 dB阻抗带宽为8.75-9.10 GHz，与仿真（8.83-9.23 GHz）略有偏差，分析认为这是由于PCB基板的实际介电常数和损耗角正切高于标称值所致。远场方向图测量结果与仿真高度吻合，成功验证了通过编码序列实现的E面扫描（-30°至60°）和通过切换馈电端口实现的H面扫描（-30°至30°），证明了其二维波束扫描能力。 * 散射性能测量：采用标准增益喇叭天线在远场距离照射RHM，测量其反射波方向图。在11 GHz和15 GHz下，测量的波束偏转角度与理论预期基本一致，证实了其在SPW激励下的波束调控能力。 * 偏振转换测量：通过旋转发射喇叭产生45°线极化入射波，并测量反射波的轴比。测量结果显示，当所有单元处于State 0时，在8.4-10.5 GHz和14.2-15.4 GHz频段内轴比小于3 dB，实现了线性-圆极化转换；当所有单元处于State 1时，在8.2-8.8 GHz频段内轴比小于3 dB。测量带宽相对于仿真结果向低频偏移，主要归因于基板介电常数的实际偏差。实测的远场方向图交叉极化鉴别度优于15 dB，验证了偏振转换功能。 * 吸收功能测量：对比了RHM（使用特定吸收编码序列）与同等尺寸金属板的单站RCS。测量结果显示，在法线方向（0°, 0°），RHM相比金属板的RCS缩减超过17 dB，验证了其吸收功能。测量值与仿真值（>20 dB缩减）的差异主要源于实际编码波束未能精确对准法线方向。
这些实验结果环环相扣，逻辑严谨：首先，单元特性（表面阻抗与反射相位）的仿真与设计是基础，决定了器件具备双模工作的物理可能性。其次，馈电网络（Rotman透镜）的仿真与设计为实现低复杂度二维扫描提供了工程解决方案。接着，基于单元和馈电网络的阵列全波仿真，从理论上预测了所有预期功能。最后，原型的加工与系统测量，不仅全面验证了仿真的准确性，更以实验数据证实了该RHM平台集“辐射扫描”、“散射扫描”、“吸收”、“偏振转换”四大功能于一体的可行性。测量中的小偏差被合理解释，增强了研究的可信度。
四、研究结论与价值
本研究成功地设计、加工并测试了一种新型的1比特可重构全息超表面。该器件创新性地采用单PIN二极管与非接地过孔结合的单元结构，实现了在表面波激励下对表面阻抗的调控（用于辐射）和在空间波激励下对反射相位的调控（用于散射），且两者可以独立操作。通过集成Rotman透镜馈电网络和按列控制的架构，在保证二维波束扫描性能的同时，极大简化了偏置线路。实验结果表明，该RHM能够实现E面（-30°至60°）和H面（-30°至30°）的辐射波束扫描，在11-15 GHz频段实现高达±60°的反射波束扫描，并兼具宽带吸收和偏振转换能力。
本研究的科学价值在于，提出并验证了一种解决可重构全息超表面设计中“偏置复杂度”与“双模性能耦合”两大关键难题的有效方案，为动态多功能集成超表面的设计提供了新的思路和物理实现途径。其应用价值非常显著，这种能够独立、动态操控辐射和散射波前，并集成了波束扫描、隐身（RCS缩减）和偏振调控等多种功能的紧凑型平台，在下一代无线通信系统（如智能反射面）、雷达隐身技术和多功能射频集成系统中具有广阔的应用前景。
五、研究亮点
六、其他有价值内容
论文在讨论部分将本工作与近年发表的几种典型集成馈源单极化超表面进行了详细对比，总结了本设计的四大优势：1）在两种工作模式下均为1比特可重构；2）采用列控制架构而非单元独立控制实现二维扫描，平衡了性能与复杂度；3）馈电网络集成在超表面下方，不影响入射空间波；4）额外实现了吸收和偏振转换功能。这一对比清晰地定位了本研究的先进性和创新点。