“超材料”是一种自然界没有的特殊的人造材料，拥有一些独特的性质，比如让电磁波，声音，光等产生不同的传播特性，而这些独特的性质是自然界中的材料所不具备的，所以称之为“超材料”。正是由于这种特性，“超材料”近些年在国内外的研究机构都受到了广泛的关注和探索。比如“超材料”可以应用于“隐身”技术上，使这种穿上“超材料”外衣的飞机或者车辆消失在雷达的视野中，在国防上有很大潜在应用。然而“超材料”是一种三维的结构，所以其厚度较厚并且对加工有很高要求。这就引出了“超表面”的概念，一种二维结构，具有超薄，容易加工，易共形等特点。“超表面”正逐渐受到全世界更广泛的关注并应用于很多光学和微波领域。比如“超表面”被应用于全息天线和雷达上并成功商业化，比如美国的Kymeta公司和Echodyne公司在初创阶段均获得比尔.盖茨的投资。他们所研制的基于“超材料”和“超表面”的产品将会应用于车载卫星通信以及无人驾驶的雷达系统上。
图1:“超材料”和“超表面”分别作为隐身和全息天线的应用。
图片：Science DOI: 10.1126/science.1133628 (左)；IEEE Transactions on Antennas and Propagation DOI: 10.1109/TAP.2012.2208614 （右）
图2：新型有源超材料微波发射表面概念及示意图。图片：IEEE Transactions on Antenna and Propagation DOI: 10.1109/TAP.2019.2934903
最近，在美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）应用电磁科研组 （Applied Electronagnetics Group）开发出了一种有源“超表面”——新型的高功率微波发射表面。这种可以发射微波能量的“超表面”与传统微波源不同，它既不需要微波信号源也不需要一个单独的发射天线，却可以直接将直流电能量转换为微波能量并且发射出去。据2019年8月19日在 “IEEE Transactions on Antennas and Propagation”期刊上来自于该科研组的新论文，这种新型有源“超表面”是一种全新的微波能量产生并且发射的方法。它具有超薄，发射角度可控，功率高，结构容易加工等特点。更值得注意的是，文章指出，这种材料有很强的扩展性，也就是说单纯的增加“超表面”的面积就可以提高发射功率，所以这个科研成果对雷达，远距离通信，遥感等领域将会有很大的潜在应用。这项研究是由丹尼尔·西文珀 （Daniel Sievenpiper）的实验室完成的，其中论文第一作者李奥博为工作主要完成者。 “超表面”这种活跃于电磁，光学研究领域的新型人工复合二维表面，一般由亚波长大小的周期性金属单元构成， 被广泛的研究并应用于雷达，天线，吸波和隐身材料等。丹尼尔·西文珀在1999年时候首先提出了以他名字命名的“超表面”——高阻抗表面后，其科研组致力于研究有源“超表面”。换句话说不同于单纯研究传统的“超表面”，将有源器件加载到传统的无源“超表面”上会使其产生更多更强大的特性比如开关性，可调性和非线性性等。例如在本文介绍的文章中，在高阻抗表面上加载高功率高速开关就可以实现这直流电能量直接转为微波辐射的独特特性，并且首次对这个概念进行了仿真和实验的验证。
图4：两种加工的有源“超材料”微波发射源表面。图片：IEEE Transactions on Antenna and Propagation DOI: 10.1109/TAP.2019.2934903
图3：新型有源超材料微波发射表面工作原理和单元模型。图片：IEEE Transactions on Antenna and Propagation DOI: 10.1109/TAP.2019.2934903
研究人员指出，理论以及仿真结果表明如果可以使用理想的开关源，将实现直流电能到微波辐射的100%效率的转换，会成为一种高功率，有效的微波发射源并具有非常高的应用前景。其基本原理可以理解为可以利用高阻抗表面的“超表面”特性将直流静态能量通过充电的形式存储在表面里，然后通过同时触发开关改变“超表面”的特性将存贮的静态能转变成谐振辐射模式，继而将直流电转变成微波能量的辐射。由于此“超材料表面”有超薄并且可以拓扑的特性，可以实现超高功率的微波发射。
文章作者提出了两种结构并且做了理论分析和实体加工验证了文章提出的理论。在此实验中，研究员使用了晶体管作为开关成功的将直流静态能量转换为了微波辐射能量。由于晶体管的开关速度并不理想，所以如果使用更快速的开关结构比如等离子开关及光电导开关会进一步提升效率。文章同事展示了如果按照一定序列去出发这些“超表面”的开关，将会实现波束二维扫描的效果，即不同发射方向。
图5：两种加工的有源“超材料”微波发射源表面。图片：IEEE Transactions on Antenna and Propagation DOI: 10.1109/TAP.2019.2934903
研究人员李奥博指出：我们是第一个利用“超表面”将直流电源能量转化为微波辐射源。这个结构的最大特点是没有微波源以及发射天线。这个研究成果是具有重大意义，不同于传统的微波源，这个超薄的一体化结构不需要微波信号源以及功率放大器和发射天线，从而可以实现低成本，超高功率的新型微波发射源。可能会在雷达，遥感和远距离通信以及国防上得到应用。然而，尽管“超材料”有着非常独特的性质，但也存在一些局限性如带宽的局限性。比如说基于“超表面”的一些吸波器和隐身涂层只可以工作在一定的频段内，也就是说如果雷达换一个“超表面”工作频率外的频率进行探测，“隐身”的飞机将会出现在雷达的视野中。然而，如果将有源的器件加载到“超表面”上，则会使其克服这些局限性，实现可调，可开关，超宽带等特性使他们更加适合于实际应用。所以有源“超材料”和“超表面”将会是一个非常重要的研究方向并会在无论是军事，国防和人们生活中有广泛的应用。
