BBbB工程11（2022）21意见和评论惠更斯超颖表面的天线应用前景乔治五世放大图片作者：Elftheriades，Minseok Kim，Vasileios G.艾曼？阿塔洛格鲁多拉多伦多大学电气与计算机工程系，多伦多，ON M5S 3G8，加拿大1. 介绍近年来，国际社会在“人工”电磁材料或“超材料”领域进行了激烈的研究。超材料是一种工程结构，当被入射电磁场激发时，它会引起磁偶极矩和电偶极矩的定制排列。在某些条件下，例如当所包括的单位晶胞是亚波长时，超材料可以被均匀化并根据宏观本构参数（例如磁导率、介电常数和折射率）来描述。早期关于“人造纤维”的工作总结在超材料领域超过20年的历史中，所需的宏观参数对应于极端性质，例如负介电常数、负磁导率和负折射率。也许最受认可的超材料是实现负折射率的超材料，最初在微波下证明，并基于由开口环谐振器和导线制成的单位单元[2]。在工程界，开发了一种传输线方法来实现具有显著优势的超材料，例如降低传输损耗和更宽的工作带宽[3，4]。在超材料的上下文中，超表面可以被认为是二维（2D）超材料。也许值得注意的是，对超材料表面的大部分研究都是在三维（3D）超材料工作之后进行的[5本文着重介绍惠更斯元胞面的概念HMS由惠更斯散射体或源的2D阵列组成在其最基本的形式中，这些HMS通过共同定位的正交电磁和磁偶极矩（或电流）来实现[6，7]。这样的2D超颖表面与宏观参数（例如表面磁化率或阻抗/导纳张量）均匀化，因为没有体积来适当地定义本构参数（例如磁导率或介电常数）。这里重要的一点是，光的波动性质可以用二次光源（惠更斯因此，HMS提供了一种强有力的方法来随意设计和控制电磁波阵面因此，https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.05.011将这些HMS应用于天线理论和实践，这将在本文的其余部分中重点介绍。2. HMS基本理论图1显示了HMS理论公式化的基本设置。如图所示，由电场E1和磁场H1组成的入射电磁波通过穿过薄的HMS表面而被转换成具有电场E2和磁场H2的期望的发射波这种变换是通过激励适当的正交电流和磁场来实现的，分别用Js和Ms表示，如等式2所示。（一）.Js<$n×H2-H1β 1 αMs¼ -n×E2-E1β 1 β 2其中n是垂直于HMS的单位向量。这些电流可以由入射场主动施加或被动感应，分别产生主动或被动HMS。事实上，关于HMS概念的第一份报告之一是基于一个主动版本，用于实现基于散射场消除的薄斗篷[10]。相比之下，无源超颖表面必须确保入射场直接激发方程中所需的电流和磁流。（1）[6，7]。确保这一点的一种方法是通过适当均匀化的表面量来描述HMS，特别是表面电图1.一、通用HMS的示意图 表面电流密度Js和Ms允许在HMS两侧的场<$E1; H1和<$E2; H2中的不连续性。 E1和H1分别是输入侧（区域1）的电场和磁场。E2和H2分别是透射侧（区域2）的电场和磁场。n是指向区域2的垂直于HMS的单位向量。2095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engG.V. Eleftheriades，M.Kim，V.G.Ataloglou等人工程11（2022）21221b阻抗Zse、表面磁导纳Ysm以及磁电耦合Kem和Kme张量。的响应源元件紧邻辐射超颖表面孔径。还应当注意的是，允许孔的有效照明，从而提供HMS然后在Eq中捕获。（二）、12βEt; 1βEt; 2β I βZse·n×βH2-H1β-Kem·. nb×-nb×E2-E12Ht;1Ht;2Hsm·-nb×E2-E1Hme·2012年2b如所期望的增加增益。天线波束成形也可以通过单个HMS上的Meta表面对或辅助表面波来实现第一种方法依赖于两个ω-双各向异性无反射超颖表面之间的功率重新分配[13，14]。该设计方法涉及到计算的领域之间的. nb ×nb2-甲基-2-（4-甲基-2-苯基）-2-（4-甲基H1型ΣΣðÞ两个元表面，因此功率在两个他们同时。第二种方法需要一个其中下标t仅表示相应矢量的HMS分量的切线该公式反映了该领域的最新进展，其中电流和磁电流被允许通过磁电耦合张量耦合。在相应的电流和磁流保持其正交性的情况下，这导致ω-双各向异性惠更斯为了保证O-BHMS中的无源和无损耗表面，一个充分条件是局部功率守恒。在输入侧被动激发表面波的O-BHMS（图3（a））[15，16]。虽然表面波不会引起反射，但它们可以在超颖表面附近重新分布入射功率，从而匹配输入和输出功率密度分布。表面波可以针对简单变换被解析地定义，或者针对更复杂的变换（例如，波束成形）。一旦确定了所需的表面波分布，HMS参数就可以基于两侧的总场来计算，并通过紧密间隔的元原子来实现。这样的一个元原子显示1图1中的3（b），其中四个 铜层用于提供2 Renb·E2×H2¼2 Renb·E1×H13必要的Zse、Ysm和Kem，而金属其中Re是指正常功率密度的实部的由ω-双各向异性提供的额外自由度使得能够完全控制区域1中的反射（图1）。①的人。例如，O-BHM已被用于演示无反射折射，即使入射角和折射角相差很大，这是此类超颖表面发展的重要里程碑[11]。3. 天线波束形成HMS在天线中的一个吸引人的应用是天线波束成形。特别地，HMS可以用于具有精确图案控制的天线波束成形，但不像在常规天线阵列中那样明确地利用馈电网络虽然在Eq. （2）似乎允许在给定的超颖表面孔径上进行任意的幅度和相位控制（3）对这种任意的幅度和相位控制施加了严格的限制。这个问题的一个解决方案是允许反射发生，以使折射波的振幅逐渐变小，从而变得任意。为了恢复这种否则会损失的反射功率，超表面可以被封闭在一个超大的空腔中[12]。 如图 2[12]，腔体被电流激发引入通孔以去耦相邻的元原子。作为一个概念的证明，一个横向磁（TM）极化泰勒孔径天线已被设计与一个单一的HMS照明的单一线源。虽然源被放置在距离HMS仅k=3处（其中k是10 GHz处的波长），但是HMS通过向边缘携带功率的辅助表面波被充分地照射。图3（c）中的辐射图案验证了输出场的期望锥形，而HMS的传输效率约为80%，仅受介电损耗和铜损耗的限制。4. 电子波束形成和转向如前所述，O-BHMS的独特场操纵能力之一例如，通过不对称地放 置 导 线 和 环 以 形 成 ω- 双 各 向 异 性 惠 更 斯 晶 胞 ， Chen 和Eleftheriades [17]实验证明了垂直入射的EM波在72 °处的折射，反射可以这种不寻常的场操纵能力在许多天线应用中特别令人感兴趣，图二.用于天线波束成形的腔激励HMS[12]。(a)结构的草图。x、y和z是指笛卡尔坐标系。d是狄拉克函数。Hout是理想的传输角。具有幅度I0的电流源J被放置在y <$^y0;z <$^z0 在长度L和深度d的空腔内。获得了朝向hout的辐射。(b)装配天线，用于在舷侧进行高度定向辐射k是自由空间波长。（c）20 GHz时的实测、理论和模拟模式，单位为分贝（dB）。G.V. Eleftheriades，M.Kim，V.G.Ataloglou等人工程11（2022）2123图3.第三章。单O-BHMS通过辅助表面波进行波束形成应用（a）结构示意图[16]。 入射电场E inc和磁场H inc通 过 由 电 场 E sw 和 磁 场 H sw 表 征 的 辅 助 表 面 波被变换为期望的输出电场E out和磁场H out。(b) 实现HMS参数的采样单元在Rogers RO 3010衬底上刻蚀出四层狗骨状层，其宽度分别为W1、W2、W3和W4（c）旁瓣电平为-20 dB的泰勒方向图的物理结构模拟的辐射方向图u表示方位角（x-y）平面中的角度因为它可以用作实现广角扫描天线的新范例。事实上，Abdo-Sánchez等人[18]在漏波天线（LWA）的实现中利用了O-BHMS的独特折射特性，以证明对导模和漏模的任意控制。在他们的工作中，这些学者用O-BHMS代替平行板波导的顶部完美电导体板，使得任意规定的导模可以转化为特定的期望漏模。 由于导模和漏模是用户自定义的数量，他们提出的LWA可以在任何方向（包括宽边）辐射任意泄漏常数。控制泄漏常数的能力还意味着可以在O-BHMS上合成一定的幅度锥形以实现复杂的辐射图案（例如，Dolph-Chebyshev模式）。尽管如此，许多实际应用，如高速通信，雷达和遥感也需要动态控制的辐射模式。因此，最近已经投入了大量的努力来实现用于EM波的动态成形的可重构元面[19例如，Chen等人[19]通过将三个变容二极管并入其每个线环单位单元中来展示可调谐惠更斯通过单独偏置这些二极管，研究人员可以独立控制电和磁共振，从而实现所需的相位控制，以定制聚焦光束轮廓。相比之下，所谓的然而，当这些表面被垂直入射的平面波激发时，它们不可避免地产生多于一个波束，并且大多数报告的1比特超表面是反射性的，因为偏置网络可以容易地集成在接地平面后面。除了这些仅相位可调的超颖表面之外，应该简要地提到的是，也已经证明了可以动态改变偏振状态的表面[22，23]。虽然上述可调超颖表面能够进行动态光束整形，但是由于它们不能独立地调制散射场的幅度，因此它们仍然提供有限的波控制能力。这样的功能是高度期望的，因为它将提供用于精确波束成形的极端能力。此外，大多数报道的可调谐表面都集中在动态操纵自由空间波上，这需要将外部激发源放置在离表面足够远的地方。为了解决这 些 问 题 ， Kim 和 Eleftheriades[24] 介 绍 了 一 种 可 重 新 配 置 的 O-BHMS，它可以与波导结构集成，以实现紧凑的波控制平台，如图所示图 5 [24]。所提出的可调谐O-BHMS能够独立地控制其反射和透射系数的幅度和相位，从而支持任意规定的导模（即，没有截止频率）和任何期望的辐射。具体来说，这是通过级联四个可调阻抗表面来实现的 每个可调阻抗表面由双环路单元组成，其中变容二极管与最外环路集成，以获得必要的可调谐性（图1）。（第5（a）[24]段）他们提出的单位单元的独特之处在于，其电抗可以广泛地从电感调谐到电容作为所施加的偏置电压的函数，这使得可以合成级联结构的任意散射参数。 作为概念的证明，图。图5（c）示出了在5GHz的固定工作频率下从-70°到70°的广角扫描的数值模拟结果。与传统的相控阵相反，传统的相控阵由于相互干扰而难以在极端角度扫描。见图4。基于O-BHMS的无反射广角折射。(a)O-BHMS的一个周期的电场分布显示了垂直入射波在72°处的异常折射;（b）基于非对称线环设计的O-BHMS的物理实现经IEEE许可，转载自参考文献[17]，©2020。G.V. Eleftheriades，M.Kim，V.G.Ataloglou等人工程11（2022）2124图五、O-BHMS辅助LWA。（a）提出的单位单元设计和（b）集成可调O-BHMS的LWA示意图[24]。SMA：超小型版本A。(c) 不同扫描角度下增益变化的全波模拟结果。（由于O-BHMS直接满足任何给定场分布完全麦克斯韦的必要边界条件，因此可以实现宽角度扫描可调谐O-BHMS的这些独特属性对于各种新兴应用（诸如第五代移动通信技术（5G）/第六代移动网络（6 G）电信、用于自动驾驶车辆的雷达和交通控制）而言特别令人感兴趣5. 周边激励惠更斯关于HMS的首批报告之一涉及使用主动HMS进行隐身应用[7，10]。这个概念也被用来激发不寻常的电磁模式，在一个超大的金属腔内衬有源惠更斯例如，Wong和Eleftheriades[26]通过实验展示了这样的惠更斯盒布置如何值得强调的是，这些行波不是来自金属腔的固有模式，金属腔通常仅能够支持驻波。这一壮举成为可能，因为惠更斯盒的金属腔内部的激发场可以根据等效原理由外围惠更斯源（沿着腔的周边）控制。惠更斯盒装置已被用于演示亚波长焦点和隐身的形成最近，利用相同的概念来实现具有减少数量的有源元件的可重新配置的孔径天线，因为其中的有源元件的数量不再取决于天线的尺寸。辐射孔径的面积（N2依赖性，其中N2是天线元件的数量），而仅取决于其周长（N依赖性）[27，28]。图6（a）示出了这种外围激励相控阵列（PEX-PA）概念。如图所示，腔由有源惠更斯源排列，有源惠更斯源可以包括由腔侧壁支持的空腔的顶面是穿孔的或适当开槽的金属板，其允许辐射泄漏。PEX-PA概念的原型是使用标准印刷电路板制造技术制造的，如图所示。图6（b）;腔的侧壁使用连接板的顶板和底板的金属通孔构造，并且辐射穿孔布置在2D正方形网格中。样品测量的辐射图案描绘在图。 7为单光束操作和图。 8用于多光束操作。观察到，所设计的结构能够在不同的扫描平面中以宽边和倾斜角度产生单个和多个笔形光束。这一发现表明了PEX-PA概念的灵活性和仅从外围惠更斯源激发产生定向笔形波束的可能性原则上，通过控制这些外围源的相位和/或幅度，可以在相当大的角度范围内扫描所生成的光束。6. 讨论和结论HMS为天线理论和实践的进步提供了巨大的机会本文强调了一些机会，包括没有馈电网络但仍具有精确孔径和相位控制的静态波束成形HMS还可以用于动态波束形成和波束转向，具有广角扫描的固有能力我们希望后一种属性在未来得到进一步的利用和证明。这些表面的另一个重要特性是它们可以被设计成实现全通滤波特性[29]。该属性可以在未来用于具有超薄HMS孔径的超宽带天线应用。动态G.V. Eleftheriades，M.Kim，V.G.Ataloglou等人工程11（2022）2125见图6。 周边激励腔体天线。(a)概念的示范。h：仰角。(b)制作方形原型。见图7。 在13 GHz下测量的辐射图的示例。(a)宽边;（b）靠近x-z图8.第八条。在13.1 GHz下测量的多波束辐射图的示例这些图以线性标度显示了归一化为100（V·m-1）的任意值的3D辐射场强度图案HMS还允许低功耗，因为它们与简单的控制元件（例如变容二极管）兼容此外，周边激励（PEX）惠更斯盒形天线的概念这一概念也有最后，时间调制的HMS可以被设想为为非互易天线应用提供机会，诸如用于全双工6G无线网络[30]。引用[1] 科林RE.导波场论。第2版，多伦多：Wiley-IEEE出版社，1990年。[2] ShelbyRA ， Smith DR ， Schultz S. 负折射率的实 验 验 证 。 Science2001;292（5514）：77-9.[3] Eleftheriades GV，Iyer AK，Kremer PC.使用周期性L-C加载传输线的平面负折射率介质。IEEE TransMicrow TheoryTech 2002;50（12）：2702-12.[4] CalozC，Itoh T. 电磁超材料：传输线理论与微波应用。霍博肯：约翰威利父子公司;2006年。[5] Yu N ， Genevet P ， Kats MA ， Aieta F ， Tetienne JP ， Capasso F ， et al.Lightpropagation with phase discontinuity ： generalized laws of reflectionandrefraction. 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