

图 1 超表面技术发展典型结构与原理示意图解读:依次展示经典蘑菇型电磁带隙结构、广义斯涅尔定律原理、FPGA 数字超表面、非互易数字超表面,清晰呈现超表面从无源结构到可编程智能器件的演进脉络,也是当下主流超表面技术的基础原理载体。
常规周期性人工磁导体(AMC)作为反射地时,会因波程差导致表面电流分布不均,限制辐射效率。采用非周期单元设计,可通过调整单元尺寸补偿相位差,让反射波相位保持一致。实测数据显示,采用枝节加载 AMC 结构的贴片天线,口径效率从 55.7% 提升至 83%,峰值增益提升 1.73 dB;搭配互补边界设计的超表面阵列,口径效率更是突破 100%,增益提升约 1.5 dB。

图 3 非周期 AMC 结构天线及性能对比解读:包含枝节加载贴片天线、非周期矩形人工磁导体天线实物,以及不同反射结构的增益对比曲线,直观体现非周期超表面对口径效率与增益的提升效果。
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图 4 带互补边界的超表面阵列及电流分布解读:对比常规结构与优化结构的表面电流密度,解释互补边界均匀化电流、拓展有效辐射口径的工作原理。
微带贴片天线带宽通常不足 10%,传统展宽方案会增加剖面高度。而多模谐振超表面可同时激励多个谐振模式,在低剖面前提下大幅拓宽带宽。目前业内多款方案已实现 20%~55% 的相对带宽,包括菱形开槽、方形环、复合左右手等多种单元结构,兼顾低轮廓与宽带特性。

图 5 超表面特征模分析结果解读:展示多模谐振超表面的电场分布与辐射模式,是宽带超表面天线核心设计分析手段。
通过缝隙加载、层间电容、贴片过孔等方式引入等效电容,降低谐振频率,在保留宽带、高增益性能的同时压缩天线尺寸。现有方案可将天线尺寸缩减至0.41λ*0.41λ,阻抗带宽仍维持 44.4%,完美适配相控阵、多天线集成等紧凑型射频系统。

图 6 交叉嵌入式超表面等效电路解读:剖析电容加载超表面的 LC 等效谐振电路,解释小型化的底层原理。图 7 各类电容加载小型化超表面天线汇总解读:集 合阶梯阻抗、开槽、层间加载等多种小型化结构,对比不同方案的尺寸与带宽参数。
通过改变超表面表面阻抗分布、加载接地过孔或变容管,可完成线极化、左旋圆极化、右旋圆极化的灵活切换。部分设计实现 1.56:1 的频率调谐比,交叉极化抑制能力优异,适用于抗衰落、高容量通信场景。编码超表面的出现,进一步简化了极化重构的控制逻辑。

表 2 不同超表面极化可重构天线性能对比解读:横向对比机械旋转、斜馈、极化旋转等多种技术路线的指标,方便研发选型。
结合行波馈电网络,摒弃复杂波束成形网络,利用超表面调控电磁波幅相,实现单 / 双频段波束偏转。针对传统行波天线波束随频率偏移的问题,团队提出正相位补偿结构,将波束波动控制在 5° 以内,兼顾低剖面与波束稳定性,适合基站大规模部署。

图 8 行波馈电波束扫描超表面天线解读:包含天线结构、辐射方向图、相位补偿原理,展示单 / 双频段波束扫描实现方式与实测波束角度。

图 9 宽带双圆极化行波超表面天线解读:基于时序馈电的低剖面天线结构,可同时实现两种圆极化辐射,带宽表现突出。
传统 PIN 管、变容管在毫米波、太赫兹频段插损大,而二氧化钒(VO₂)、碲化锗(GeTe)等相变材料可在纳秒级完成状态切换,具备低插损、高隔离优势。将相变材料嵌入超表面单元,可通过电、热、光激励实现频段重构,成为高频可重构天线的优选方案。

图 10 基于相变材料的可重构超表面天线解读:展示不同相变材料的集成方式与天线结构,涵盖频率、方向图可重构等多种形态。
利用超表面的极化选择、相位补偿特性,将传统反射 / 透射阵的剖面压缩至 1/2 甚至 1/3,在毫米波平面天线中应用广泛,可同时实现波束聚焦、极化转换,兼顾高增益与小型化。

图 11 折叠反射阵、透射阵基础架构

图 12 多款超表面折叠阵天线结构解读:展示不同功能的超表面极化栅、反射面结构,适配双频、圆极化等不同折叠阵需求。
打破 “天线 + 滤波器级联” 的传统设计模式,将滤波特性集成至超表面辐射单元,利用特征模分析、反射相位调控等方式形成辐射零点,带外抑制可达 20 dB 以上,减少系统插损、缩减整机体积,适配 5G 射频前端。

图 13 滤波超表面天线结构与原理解读:分别展示基于特征模、反射相位设计的滤波天线,讲解滤波一体化实现思路。
超表面单元可降低阵元互耦、优化广角阻抗匹配,部分线性阵列扫描角度可达 81°,8× 二维阵列扫描范围超 70°,同时增益波动控制在 4 dB 以内。结合 LTCC 等工艺的双极化超表面相控阵,更是实现了宽角、高隔离的综合性能。

图 14 广角扫描超表面相控阵解读:包含表面波匹配、小型化单元、LTCC 双极化阵列三类典型设计,呈现广角扫描的不同技术路径。
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