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研究团队提出了一种可实现电磁波散射动态灵活调控的宽带时空超表面设计方法，并从实验上验证了时空超表面能够同时在空间域与频率域对散射电磁波能量、方向进行有效调控的能力。这种将时间调制与空间调制相结合的散射电磁波调控方式，为实现目标散射特征重塑提供了新的设计思路，在雷达探测、电磁兼容及宽带电磁隐身及伪装等技术上将具有广阔的应用前景。相关研究成果以“Spatiotemporal Metasurface to Control Electromagnetic Wave Scattering”为题发表于《Physical Review Applied》（DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.054001）。南京大学张娜博士为本文第一作者，陈克副教授与冯一军教授为论文的共同通信作者，赵俊明教授和姜田教授对本文亦有重要贡献。
超表面作为一种二维形式的人工复合电磁材料，通过对电磁波幅度、相位、极化、频率等固有性质的复杂调控，可实现异常反射、涡旋波产生、随机散射等功能，在电磁成像、天线设计、无线通信等方面均具有良好的应用前景。同时由于其厚度远小于工作波长，可大大缩减电磁器件的厚度，更有利于实现器件小型化、平面化、多样化设计，为电磁调控器件的实现提供了新的调控手段和设计思路。在雷达和隐身技术领域，目标的散射特性通常用雷达散射截面（Radar cross section, RCS）来评估，如何减小目标的散射能量一直是超表面领域的研究热点。传统的雷达吸波材料可以利用欧姆损耗来吸收电磁波，一些基于散射相消的随机表面也能够通过扰乱电磁波的出射方向来实现背向散射能量缩减，然而目前关于低散射超表面的研究大都集中于单一空间维度上的散射调控。时间调制理论的提出为同时在空间域与频率域实现散射调控提供了新的实现方式，但受限于有源宽带相位调制单元及馈电的设计难度以及时空调制系统实现的复杂度等问题，目前仍然缺乏实现雷达散射截面时空调控的实验验证。
基于这一研究背景，研究人员提出了一种高效的宽带相位调制超表面单元设计方法，并结合时间调制理论，从实验上验证了时空超表面在空间域与频率域同时对散射电磁波进行任意调控的能力，如图1所示。超表面由加载PIN二极管的高效反射单元组成，可确保在3.4GHz - 7.7 GHz的工作频带内，在外部电压控制下每个单元随时间实现独立、动态、实时的相位响应切换。通过加载不同的时间编码序列，不仅实现了对电磁波散射能量的精确调控，实现目标散射特征重塑（如图2所示，实现散射能量的连续调节）；还能够通过算法优化的编码序列，利用空间域与频率域的联合调控，实现目标背向散射能量的进一步降低（如图3d所示），效果远优于单独空间调控（图3b）和单独频域调控（图3c）的RCS 缩减。实验测试结果显示，时空超表面可以将散射电磁波调节到不同的空间方向和不同的谐波频率分量上，实现宽带的背向空间散射和频谱控制。相比于同等尺寸大小的金属平板，时空调制超表面在工作频带内4 GHz、5 GHz、6 GHz、7 GHz处的平均RCS缩减值依次为27.5 dB、23.3 dB、26.1 dB、30.1 dB，与单一的空间调制超表面相比，其背向散射能量缩减能力大大提升。时空调制超表面方案为实现目标散射特征重塑与目标散射能量缩减提供了新的调控方式与实现手段，在电磁兼容、电磁伪装与雷达隐身技术等方面具有重要的应用潜力。
图1 时空超表面实现散射能量调控的功能示意图。
图2 时空超表面实现散射能量精确调控。（a）基于时间调制的超表面散射能量方向图。（b）基于时空调制的超表面散射能量方向图。通过加载合适的时间编码序列，以-5 dB为间隔实现了0 dB到-15dB之间的背向散射能量精准调控。（c）-（d）为相应的时间编码序列。
图3 时空超表面实现散射能量缩减。（a）空间调制编码。（b）-（d）超表面在uv-平面（上半空间）上的归一化远场散射方向图，依次基于（b）空间调制，（c）时间调制，（d）时空调制。
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.054001
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