近日，我系张青峰副教授课题组在超表面色散时延结构设计、超表面建模与计算、微波人工表面等离激元成像领域取得重要进展，论文成果发表于Advanced Optical Materials、IEEE Transactions on Antennas and Propagation、IEEE Transactions on Plasma Science等期刊。

我系张青峰副教授课题组与东南大学程强教授课题组合作完成了超表面色散时延结构的设计工作，论文成果“Metasurface-Based Spatial Phasers for Analogue Signal Processing”发表于Advanced Optical Materials期刊。论文第一作者是东南大学硕士生陈明正，东南大学的程强教授和崔铁军院士以及我系张青峰副教授是论文的共同通讯作者。

微波色散时延器件是一种群时延随频率变化的宽带器件，在脉冲啁啾、脉冲压缩和扩展、频谱分析等模拟信号处理领域有着重要的应用前景。传统微波色散时延器件的实现方式仅限于电路导波结构，本成果研究的超表面色散时延结构是在空间辐射域的新尝试。为了获得任意色散群时延的响应，本研究首先将多层超表面结构建模为传输线电路模型，再通过电路变换将其转化为梯形网络的电路模型，最后通过微波滤波器的网络综合理论进行设计。张青峰课题组在微波色散时延器件的电路综合领域累积了丰富的研究经验，而程强教授和崔铁军院士课题组在超表面领域已经取得了卓越的研究成果。双方的合作促成了电路综合理论与超表面设计的跨领域交叉，为色散时延器件的设计提供了一种新型的实现方案。

图1 (a)多层超表面色散时延结构；(b)基于传输线的电路模型；(c)基于J-倒置器的电路模型；(d)基于梯形网络的电路模型。

02超表面高效建模与计算方法

本研究成果成功利用多线源法和广义面传输边界条件(Generalized Sheet Transition Condition, GSTC)来实现任意形状的二维超表面结构的仿真，提出了一套无奇点、易综合、求解快的超表面仿真技术。论文成果“Simulation of Cylindrical Metasurfaces using GSTC-MFCM” 发表于IEEE Transactions on Antennas and Propagation期刊。第一作者是深圳鹏城实验室的博士后汪凯，我系张青峰副教授是论文的通讯作者，论文合作作者还包括深圳鹏城实验室的张钦宇教授和加拿大蒙特利尔理工学院的吴柯院士。

超表面可实现多自由度的电磁波控制，在天线与微波领域一直持续受到关注并已得到广泛应用。GSTC是近年来提出的一种有效表征超表面电磁特性的手段，其利用均匀化理论将超表面两侧电磁场的联系表达为矩阵形式而不用考虑超表面的内在细节，如单个单元尺寸和厚度等，进而可大大简化超表面在仿真技术中的处理方式。然而由于GSTC具有零厚度等效以及复杂的各向异性，仍然给仿真广义面传输边界条件表征的超表面带来了诸多挑战。在目前的商业电磁软件中，可仿真GSTC表征的超表面的求解器还没有被开发出来。近年来，结合GSTC的超表面仿真技术已经陆续有学者提出。然而大都采用体积剖分算法如时域有限差分法和有限元法，该类算法在处理电大尺寸或者有弯曲表面的超表面时，会出现仿真慢，难收敛和处理麻烦等问题。最近有学者提出利用面剖分矩量法和GSTC结合来实现超表面的仿真，虽然该方法解决了体积剖分算法的一些弊端，但是却存在无法避免的奇点问题，并且问题的综合过程繁杂。考虑到目前仿真超表面技术存在的诸多问题，本论文提出一种全新的技术思路，即利用多线源法和阻抗形式的GSTC来架构仿真算法。该算法的核心优势体现在：1. 本论文采用的多线源法属于面剖分类算法，因此不存在体剖分算法遇到的弊端；2.本仿真技术不在考察结构的物理边界上放置矢量极化电磁流元，而是在仿真的不同区域内放置单一极化的电磁线源，此方法一方面可以有效规避源与观测点重合带来的奇点问题，另一方面单一极化源可以大大简化和加速仿真场的建立；3.本论文使用阻抗形式的而非传统的GSTC，可大大简化问题的综合过程，使得问题的求解清晰且明确。通过以上三点可见，本论文可在不牺牲任何计算优势的情形下成功克服目前仿真技术中存在的难点，为基于GSTC的超表面仿真提供高效的解决途径，也为综合实现超表面电路提供有效的指导方法。

图2 利用GSTC-MFCM计算具有伪装功能的矩形超表面的例子

03基于微波人工表面等离激元的频率分集成像

本研究成果基于微波人工表面等离激元传输线和压缩感知算法，成功实现了低成本和高速的超分辨率导波成像。论文成果“Spoof Surface Plasmon Based Single-Shot Super-Resolution Compressive Imaging” 发表于IEEE Transactions on Plasma Science期刊。论文第一作者是我系2018级硕士生施钰莹，张青峰副教授是论文的唯一通讯作者。施钰莹同学今年6月刚毕业，目前就职于华为技术有限公司。

表面等离子体共振（SPR）和SPR成像是研究生物分子相互作用的成熟技术，被广泛采用并改进了许多不同的传感应用。受到SPR在光学频段范围内巨大成功的启发，人们对人工表面等离子体（Spoof Surface Plasmon, SSP）能否在微波频率的传感应用出现类似革命产生了极大的兴趣。最近，人们对微波和毫米波成像产生了新的兴趣，主要是因为它在安全性、无损检测、合成孔径雷达和生物医学诊断方面的用处。传统的成像系统通常体积庞大，价格昂贵，因为其中使用了大量天线和收发模块。在保持良好分辨率和大面积覆盖范围的情况下，传统的微波成像技术无法实现一个低成本的系统。张青峰课题组探索了人工表面等离激元传输线在频率分集微波成像中的应用潜力。频率分集的系统仅需单个收发模块即可大范围获取空间信息，有效解决了微波成像系统的成本昂贵问题。微波人工表面等离激元传输线在频率分集的微波成像中具有重要的研究价值。首先，它具有超精细的空间交互能力，可以实现超分辨率（super-resolution）近场成像；其次，它的色散曲线可由表面褶皱结构灵活操控，深层的 表面褶皱可使得色散曲线大幅弯曲，从而在获取相同空间信息的情况下极大地压缩频率范围，达到节省频谱资源和降低系统成本的目的。论文系统性地研究了微波人工表面等离激元传输线的表面褶皱深度对空间信息获取能力的影响，研究结果充分验证了最初的猜想。该研究对未来实现低轮廓、低成本、高速、高分辨率的成像系统具有重要的意义。

论文列表：
[1] M. Z. Chen, Q. Chen*, F. Xia, A. K. Rashid, J. Y. Dai, C. Zhang, Q. Zhang*, and T. J. Cui*,"Metasurface-Based Spatial Phasers for Analogue Signal Processing", Advanced Optical Materials, 2000128, Jun. 2020.
[2] K. Wang, J.-J. Laurin, Q. Zhang*, M. A. M. Hassan, Q.-Y. Zhang, and K. Wu,"Simulation of Cylindrical Metasurfaces Using GSTC-MFCM", IEEE Trans. Antenn. Propag., early access, Jun. 2020.
[3] Y. Shi, A. K. Rashid, D. Ma, and Q. Zhang*, "Spoof Surface Plasmon Based Single-Shot Super-Resolution Compressive Imaging", IEEE Trans. Plasma Science, early access, Jul. 2020.