可重构超表面：让active和passive分手吧！

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此部分为意识流洗脑，也可从第二部分看起。

提到可重构超表面（Reconfigurable metasurface），我们首先想到的是active可调，但可调所能展示出来的能力是基于背后默默付出的passive结构设计，所以active和passive模块的工作是紧密耦合相连的。那能否把active和passive模块的能力分开来呢？即实现active模块和passive模块的独立使用：active模块工作的时候，功能不受passive模块存在影响；active模块不工作的时候，passive模块依然可以被使用。拿已被广泛研究的基于PIN管的可重构超表面举例，能否构建一个超表面系统，通电的时候可以当active metasurface使用，不通电的时候可以当passive metasurface使用呢？我们试着在脑海构建一下，紧跟我的思路：

首先选择在透射体系下来构建，因为做人我喜欢通透；频段选在微波，因为便宜，当然其他频段也适用；然后这个透射超表面包含active和passive两个模块，简单的做法就是把这两个模块分层拼凑起来就OK了，严格来讲如果这么干，这里的active模块肯定不能仅仅是个二极管，也得有被动结构配合，那我们假定这个active模块只能控制这个二极管，其他的被动结构做背景不动。为了使模型简单，但不影响模型构建思路的通用性，我们再假定active模块只有通电（on）和不通电（off）两种状态，也就是开和关，且每个单元只使用一个二极管；passive模块可以通过改变结构尺寸来调控透射局域相位。那我们可以想象一下，把两种模块拼在一起就能很好工作了吗？如下图1，passive模块通过结构尺寸变化来调相的时候，透射频谱是不是要漂移？active模块开关起作用的时候，频谱是不是也要漂移？直觉上，在同一个工作频点能让两个模块独立工作，并非易事！

图1：红线是active模块透射谱，蓝线是passive模块透射谱

那我们以目标为导向，非要把这个构想给完成，需要这两个模块满足什么条件才行呢？拍脑袋，两个模块透射谱都很宽带不就OK了！因为你飘任你飘，只要二者工作频点处仍有交集，那这个家就没散，我们所构想的超表面就能成为现实。但对于透射型超表面来说，宽带何其难！尤其是在微波。注意，这里所说的宽带不仅仅是针对透射效率高的带宽，而是要保证能在这个带宽下完成相位的自由调控，不然光透射谱宽有啥用？空气不就已经无敌宽了。我们容易注意到光波段的透射超表面容易实现宽带，这主要是因为相比波长足够厚！在微波，太厚（如波长比拟）就太不厚道了……太重了！微波超表面领域这么多年，通过结构尺寸变化能宽带调控的透射超表面工作真的不多（虽然说自己broadband的很多），这也是为啥玩PB phase的很多，因为一个尺寸带宽不错，只需要旋转起来就能调相，透射谱还基本能稳定不飘不变形。当然，聪明的研究发现，如果是偏振转化的体系，可以大大降低厚度，且可以实现宽带。所以，passive模块我们就采用这种方案。而对于我们假设的active模块，由于一个单元就一个二极管，所以也很难实现高带宽可控。那么，我们拍脑袋想的这个方案就还得改进才行。

通过逻辑上的尽力模拟，我们现在可以构建的是一个窄带的active模块，和一个宽带的passive模块。那这种情况下，如果要实现我们的目标，就只能是窄带的active模块透射频谱尽量别飘移，只让passive模块的透射谱飘，如下图：

图2：active模块透射频谱（红线）稳定，passive模块的透射谱（宽带虚线）飘移

到这里，我们的目标是不是就再次OK了？Too young, too simple! 如果是按构想的这样，肯定完工了，但是实际中，passive模块中结构尺寸一顿变化，能忍得了active模块一个窄带在那里岿然不动？大概率要拉着你一起飘啊。为什么会一起飘？还是太深……耦合！怎么办呢？分手呗……弱耦合！至此，我们所期望的active模块和passive模块可独立工作的透射可重构超表面便走出了一种设计思路（如图3）。

图3：active模块和passive模块可独立工作的透射可重构超表面设计思路