基于亚波长结构的超表面天线通过精密设计的人工微结构实现对电磁波相位、振幅及极化态的灵活调控，其核心在于利用亚波长尺度下的电磁共振与波前操纵原理。以下从基础原理、波束动态扫描、极化转换、动态调制材料及集成方案五个维度展开详细论述：

一、亚波长结构电磁调控原理

亚波长结构指特征尺寸小于或接近工作波长的微纳结构，其在电磁波作用下表现出独特性质：

1、尺度效应：

超波长尺度：遵循几何光学规律；近波长尺度：需考虑衍射效应；亚波长尺度：需基于麦克斯韦方程组的严格电磁场分析。

如图1.1-1所示，亚波长结构通过局域电磁场增强、表面波激发等机制突破传统光学极限。

2、相位调控机制（-16）：

二、波束动态扫描技术路径

1、 机械式调控

莫尔超表面：双层结构相对旋转产生周期性相位梯度，实现连续波束扫描。

悬链线透镜：利用近场耦合增强角度不敏感性，实现±60°扫描。

2、 有源器件集成

二极管控制：

PIN二极管：切换单元谐振状态（"0"/"1"），实现1-bit相位调制（Δφ=180°），扫描范围±50°。

变容二极管：连续调节电容值，实现360°相位覆盖。

示例：石墨烯-金属混合天线在太赫兹频段实现360°全相位动态调控，旁瓣

3、 相变材料动态调制

二氧化钒（VO₂）：

绝缘体-金属相变（68°C）改变介电常数，实现红外/太赫兹波段相位重构。

响应时间：飞秒级光触发、毫秒级电/热触发。

液晶材料：电场调控分子取向，调制折射率，用于可见光/微波波段。

4、 多馈电与编码超表面

多馈点相位调控：通过调整各馈点激励相位差，实现波束指向控制（扫描角78°–102°）。

准连续编码：优于离散编码，实现高偏转效率、低杂散衍射。

三、极化转换结构设计方法

1、 各向异性结构

线极化转换：设计正交方向相位差Δφ=180°，实现线极化旋转90°。

宽带设计："C"形开口环+"L"形金属条组合，在22.5–48.5 GHz实现>90%转换效率。

示例："H"形金属结构在6.4–18.14 GHz实现轴比

2、 手性结构

圆二向色性：非对称结构（螺旋线、双层十字）激发电场-磁场耦合，选择性吸收左/右旋圆偏振光。

增强策略：2.5-D金属条带结构将极化转换率提升至96%（带宽99.5%）。

3、 动态极化重构

PIN二极管切换：

交叉偶极子结构通过二极管通断切换L形/直线模式，实现线极化（LP）、左旋/右旋圆极化（LCP/RCP）快速转换。

超表面旋转：旋转上层超表面实现LP/LCP/RCP切换。

四、波束扫描与极化转换集成方案

1、 多功能超表面设计

极化转换+波束控制：在"C"形开口环单元中引入开口角与旋转角梯度，同时实现极化转换和相位梯度，应用于30 GHz波束偏转。

折合式超表面天线：馈源置于超表面中心，通过极化选择器实现波束形成与极化转换一体化，降低系统剖面。

2、 可编程超表面系统

双极化2-bit扫描：单元支持0°/90°/180°/270°四相位态，实现双极化宽角扫描。

低旁瓣技术：固定相位延迟法抑制栅瓣，提升扫描精度。

3、 动态全息与AR应用

超表面波导：片上集成液晶调制器，实现实时波前调控。

高速计算框架：千帧率动态全息显示，满足实时交互需求。

五、挑战与展望

1、效率瓶颈：金属结构欧姆损耗、介质结构散射损耗。

解决方案：低损材料（TiO₂、SiC）、非厄米结构设计。

2、动态响应速度：液晶调制（毫秒级）滞后于相变材料（纳秒级）。

突破方向：等离子体增强电光效应、石墨烯载流子调控。

3、宽频带设计：多谐振点叠加、色散工程。

4、工艺兼容性：CMOS集成、大面积纳米压印技术。

超表面天线通过相位-极化联合调控，以低剖面、低成本优势逐步替代传统相控阵，在6G通信、卫星载荷、隐身技术及AR/VR等领域展现出变革潜力。未来需突破多物理场协同设计理论，实现智能自适应电磁调控。