撰稿|由课题组供稿
近日，南京大学电子科学与工程学院冯一军教授团队提出了一种可重构三模式超表面（Reconfigurable Tri-Mode Metasurface, RTMM），通过实时控制，实现多种电磁散射特性的动态转换。提出的RTMM可以实现宽带低可探测（低RCS）、特定频率下宽角域范围高可探测跟踪、以及被动/保密数据通信三种不同的工作模式。相关研究成果以“Reconfigurable Tri-Mode Metasurface for Broadband Low Observation, Wide-Range Tracing, and Backscatter Communication”为题发表于《Advanced Science》（DOI: 10.1002/advs.202304879）。南京大学博士研究生宁静为论文第一作者，陈克副教授与冯一军教授为论文的共同通讯作者，本课题组的赵俊明教授、姜田教授、郑依琳同学以及王少杰同学也参与了该研究工作。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
图1三模式可切换电磁散射调控超表面功能示意图
灵活操控电磁波是许多现代科学与技术应用中广泛追求的目标，如电磁散射调控、电磁能量吸收、无线通信等。在实际应用中，往往需要同时满足不同的需求，集成不同的电磁波调控功能。以无人机（Unmanned aerial vehicle, UAV）为例，它可能既需要高可探测能力，以确保通过特定电磁波进行远程自动监控和无线通信，同时也需要宽带、宽角度范围的低可探测性，以应对敌方雷达的电磁波探测。为了满足这种互相矛盾的技术需求，需要融合多种电磁波操控功能的可重构电磁器件和设备，通过不同功能之间的动态切换来处理多种任务需求，因此具有较大挑战性。
针对上述问题，南京大学团队通过在可重构超表面结构中复合Van Atta阵列结构，从而在实现多功能电磁波调控的同时附加自适应回溯功能，可以实现宽带低可探测、宽角域范围高可探测跟踪、以及被动定向数据通信三种不同的工作模式。在低可探测模式，超表面通过电磁波吸收，实现宽角度范围的宽频带散射缩减。而在高可探测模式，超表面实现自适应回溯，从而在宽入射角范围大幅增加背向电磁散射。在此基础上，通过对上述两种功能进行时间调制，数字信息可以被直接编码调制到超表面的散射波束上，实现无线电静默条件下高方向性、安全保密的信息传输，可以应用于无线通信和雷达等系统。所有这些工作模式都可以通过超表面的控制系统，在单一超表面口径上实现实时切换，以满足复杂电磁环境下的信息传输需求。
图2 三模式可切换超表面工作原理，超表面由可切换电阻表面（SRL）和回溯表面（RL）复合构成，通过嵌入的PIN二极管实时控制其工作模式。
图3 三模式可切换超表面结构及仿真结果。（a）上层功能层单元的整体结构、上表面以及背面结构示意图。（b）下层功能层整体结构z向展开示意图。（c）加载PIN二极管“OFF”状态时，上层单元不同入射角下的传输性能仿真分析结果。（d）加载PIN二极管“ON”状态时，上层单元不同入射角下的吸波性能仿真分析结果。
图4 二极管“OFF”状态时，3.85 GHz处超表面的2D散射模式与同等大小金属板的仿真分析结果对比: （a）0°,（b）20°,（c）30°,（d）40°,（e）50°。（f）超表面的单站RCS仿真分析结果。
图5（a）超表面样品照片。（b）PIN二极管“ON”状态下，超表面在不同入射角下的电磁波吸收率测试结果。PIN二极管“OFF”状态时，不同入射角下的2D散射模式测试与仿真分析结果对比：（c）10°,（d）20°,（e）30°,（f）40°,（g）50°。（h）三种模式超表面单站RCS测试结果。
图6 基于三模式超表面构建的保密无线通信原型系统示意图及测试结果。
研究团队提出的可重构超表面实现了实时控制的动态可切换电磁散射特性，功能均得到了实验验证，证明了该超表面技术利用单一口径实现多种电磁波操控的应用优势。此外，所提出的可重构超表面设计方法具备一般性，工作频率可灵活拓展至其它频段，有望应用于复杂电磁环境中的高可靠探测和信息传输等实际需求。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202304879
