《Advanced Science》：Hierarchical Reconfigurable Metasurface Based on Scenario-Guided Functional Modules and Programmable Core
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本文介绍了一种创新的分层可重构超表面架构（HRMA），通过将可重构层解耦为可复用的可编程核心（PC）和低成本、可替换的功能模块（FM），实现了在单一硬件平台上对电磁波相位、频率、幅值和极化等基本参数的按需、多形态功能切换。该架构突破了传统可重构超表面功能固化和重新设计成本高昂的局限，为下一代通信、隐身和探测系统中的可重构微波器件提供了可扩展的设计范式，具有显著的低成本和高灵活性优势。
分层可重构超表面架构的原理与优势
传统可重构超表面（RMS）的设计通常围绕特定场景和功能进行优化，一旦操作参数或功能需求发生变化，往往需要从结构到工艺的完全重新设计，导致高昂的时间与经济成本。为解决这一根本性限制，本研究提出了一种分层可重构超表面架构。该架构的核心思想是将超表面分解为两个层级：可编程核心（Programmable Core, PC）和场景引导的功能模块（Functional Module, FM）。PC集成了二极管、基板和偏置结构，作为一种新型的可重构负载，其在结构、性能和使用方式上均不同于传统开关，展现出高度的灵活性和可重用性。低成本的FM则附着在PC之上，一方面保护PC，另一方面赋予超表面特定的功能需求。通过这种层级化设计，实现了功能实现与负载切换的分离，为跨场景的多形态散射调控提供了创新解决方案。
可编程核心的阻抗切换灵活性
在传统设计中，可重构器件（如PIN二极管）通常被嵌入在复杂的金属结构（如蝶形结构）中，以实现特定的阻抗匹配和功能。这种方法导致每个应用场景都需要独立且复杂的设计与加工。HRMA架构则开辟了新维度。研究设计了一种基于微带连接线形式的PC作为可重构负载。与商业PIN二极管在空间波调控中表现出的微弱阻抗变化不同，所设计的PC在横磁（TM）模式入射下表现出明显的谐振现象：在二极管关闭（OFF）状态下于11.7 GHz处有一个谐振点，在开启（ON）状态下于7 GHz和16.4 GHz处有两个谐振点。这种特性为后续通过FM实现多样化的功能匹配奠定了坚实基础。该架构带来了三大优势：PC无需焊接、可灵活复用；顶层FM的引入增加了调控自由度，实现了功能与负载切换的分离；FM层还能对二极管形成物理保护，增强了超表面的鲁棒性。
基于HRMA的相位与频率调制器及其极端带宽覆盖
研究首先展示了HRMA在实现超宽带相位调制方面的能力。通过复用同一个PC，仅切换不同的FM，成功构建了工作于不同频段的1比特相位调制器。当以空气层作为FM I时，形成了工作于Ku波段（11.8-15.5 GHz）的相位调制器。通过设计FM II（等效介电常数4.17+0.53i）和FM III（等效介电常数12.92+0.05i），又分别得到了工作于X波段（6.8-11.9 GHz）和C波段（5.6-7.0 GHz）的相位调制器。通过切换这三个FM，实际上实现了一个覆盖5.6至15.6 GHz连续频段的1比特相位调制能力，远超传统超表面的带宽限制。
在阵列层面，一个12×40的阵列被构建并测试。研究演示了在10 GHz下对0°入射波实现10°至50°波束偏转的1比特量化相位调控，模拟与测量结果高度吻合。与同等尺寸金属板相比，基于HRMA的超表面在50°目标方向上的方向性系数在超宽频带内保持了稳定且优异的性能，而传统RMS一旦超出其设计带宽，性能便会迅速退化。此外，通过时空编码技术，该超表面还展示了频率调制能力，如在10 GHz单色波入射下，成功将-1次谐波高效地操控至-23°方向，验证了其频移能力。
实现多形态功能切换的幅值与极化调制器设计
HRMA的灵活性不仅体现在参数（如频率）调整上，更体现在根本功能的切换上。通过将FM更换为专门设计的FM IV，原本的相位调制器可动态转变为一种双频段可切换吸波体，即幅值调制器。模拟结果显示，当PC处于ON状态时，元件在8.3-11.9 GHz（X波段）形成反射系数低于-10 dB的吸收态；当PC切换为OFF状态时，主吸收带移至14.2-18 GHz（Ku波段）。这意味着，当探测到X波段威胁时，可将PC全置于ON状态以获得最佳隐身性能；面对Ku波段雷达时，则切换为全OFF状态。
对加载FM IV的阵列进行测量，结果验证了其可重构吸收特性。在8.6 GHz和15 GHz两个关键频点，通过改变PC中ON与OFF状态单元的比例，可以实现对雷达散射截面积（RCS）缩减值的特异性调控，吸收率也可在特定频率（如12 GHz）在0.2到0.8之间可调，展现了场景自适应的潜力。
进一步地，通过加载FM V（一个取向45°的矩形贴片层），超表面又转变为一种可重构极化转换器。当PC处于ON状态时，在8.8-14.8 GHz范围内实现了效率超过90%的宽带正交线性极化转换。当PC切换为OFF状态时，则在13.8 GHz附近恢复到同极化反射状态。通过调控PC中ON/OFF状态的分布比例，还可以实现对出射波极化角的灵活设计，测量显示在13.8 GHz下极化旋转角可在0°至75°之间变化。
HRMA与传统RMS的设计流程与成本效益对比
与传统可重构超表面（CRMS）相比，HRMA在设计流程和成本上具有显著优势。对于CRMS，任何功能或参数要求的变更都意味着整个超表面的重新设计与加工，涉及复杂的工艺流程和高成本的二极管焊接。而在HRMA范式下，初期仅需一次性加工成本较高的PC。当需求变化时，只需针对新功能和参数，设计和加工低成本的FM即可。FM加工仅需蚀刻、层压等简单步骤，无需二极管焊接和复杂的电气性能检查。
以本文演示的五种功能（三个频段相位调制、幅值调制、极化转换）为例，PC的加工成本占总成本的主要部分（92%-100%），而每个FM的成本仅占总成本的很小一部分。估算表明，若用五个独立的CRMS实现所有这些功能，其总成本和耗时将是HRMA方案（一个PC加五个FM）的4倍和3倍以上。此外，HRMA架构并未导致性能降级，所实现的相位调制带宽、吸波效率、极化转换率等指标均与现有优秀设计相当。其主要的代价在于剖面高度的略微增加，但在许多应用场景中是可接受的。
结论与展望
总而言之，分层可重构超表面架构通过引入模块化与层级化设计思想，为电磁散射调控提供了一种高度灵活且低成本的新范式。该架构将可编程核心作为可复用的通用可重构负载，与可灵活更换、按需设计的功能模块解耦，从而在单一硬件平台上实现了对电磁波相位、频率、幅值和极化的综合调控。实验验证了其在突破参数极限（如超宽带相位调制）和快速切换多形态功能方面的巨大潜力。这一架构不仅适用于本文演示的电子调控超表面，也具有扩展到光控、声控、磁控等其他可重构体系的普适性，为未来智能可重构超表面、时空编码超表面等在通信、探测和自适应隐身技术中的系统集成提供了创新的设计范式。
