1　引言

随着第五代通信技术在世界范围内得到不断发展，全球5G通信网络用户规模已超过4亿。为了满足未来业务对超高数据速率、极低延迟等需求，研究者们已经开始了关于下一代无线通信技术的相关研究，其中太赫兹频段中绝对带宽资源是利用太赫兹频率进行无线通信最显著的优势，使得太赫兹通信具有极大的应用潜力^［1-3］。6G通信技术的一个难题是太赫兹波具有很强的方向性，往往是端对端的传输，且太赫兹信号的传播路径很容易被室内障碍物阻挡^［4-5］，因此绕过障碍物定向地传输给同一用户，且传输更多的信息成为研究的一个重点。超构表面是一种人造平面超构材料，由亚波长间距天线阵列组成，可以同时操纵光的振幅、相位和偏振^［6-8］。研究人员通过对透射光/反射光的相位控制，实现了超构表面在集成光学^［9-10］、光通信^［11-12］、全息^［13-14］等方面的应用。

近年来，研究者基于超构表面的调制功能在广角方向上进行了一系列的研究。2016年Arbabi等^［15］通过消色差校正斜入射聚焦，实现了具有0°~30°范围固定焦距的广角聚焦功能超构表面。2020年Song等^［16］通过将相位和偏振信息编码到像素化超构表面，改变像素块的排列方式，实现任意输出偏振波前整形的方法，该方法实现了广角成像功能。2022年Chen等^［17］通过独立优化每个超构透镜的聚焦和成像性能，在拼接处理后实现高质量的广角图像。近年来的大多数研究在实现广角功能时多采用可见光波段或毫米波段，本文采用太赫兹波段；同时绝大多数研究采用单输入广角输出的模式，多用于成像，本文采用广角输入与定向输出的模式，应用于通信方面，目标为提高太赫兹通信的安全性、准确性等。

本文设计了一种十字形的单元结构，通过适当改变单元结构的几何参数，可以实现相对入射光相位为0°~360°的相移。用特殊顺序排布一系列结构尺寸改变的单元结构，实现对入射光的调制，可以将入射角为5°~45°、频率为220 GHz的太赫兹波定向聚焦在方向为13°、焦距为600 mm的一点。实验结果验证了所提器件的功能。这种方式可以实现太赫兹通信传播方向的可控，太赫兹波可以绕过阻碍进行定向传输，并且广角的入射可以获取更多的信息。这一功能使得太赫兹6G通信过程更加准确，更具有安全性，且能容纳更多的信息。

2　单元结构设计

超构表面中相位调控的原理可以列为几种：传输相位型调控^［18］、局域共振相位调控^［19］、基于Pancharatnam-Berry（PB）效应的几何型相位调控^［20］、多种相位融合型调控^［6］。所提方法基于局域共振型调控，通过改变金属单元结构的尺寸，发生的局域共振效应对太赫兹波的相位和幅值起到一定的调控作用。

为通过仿真得到更准确的相位调控和更高效、稳定的反射率单元结构，使用时域有限差分（FDTD）方法，在商业软件（FDTD Solutions，Lumerical公司）中参数化扫描“十”字结构的长和宽，得到不同结构带来的共振相位和反射率。图1为该反射超构表面的单元结构示意图，选用偏振无关的“十”字形结构。单元结构周期L为650 μm，金属“十”字位于中心，金属厚度A为35 μm，基底选用电路板FR-4材料，厚度H为500 μm，在220 GHz处的折射率为1.89。

图 1. Schematic of metal “十”-typed structure. (a) Front view; (b) side view

Fig. 1.

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将仿真区域的X-Y方向设置为周期性（periodic）边界条件，Z方向设置为完美匹配层（PML）边界条件，扫描金属“十”字结构的长Y范围为150~580 μm，宽X范围为80~280 μm，步长分别为4.3 μm和2 μm。图2展示了通过仿真获得的单元结构的反射率和相位。由图2可以看出，选取的8组单元结构的相位覆盖范围可以达360°，且每组单元之间的相位差为45°，同时选取的单元结构所对应的反射率均较高且稳定。

图 2. 工作频率为220 GHz时各单元结构的反射率和相位调制

Fig. 2. Reflectance and phase modulation of each unit structure at an operating frequency of 220 GHz

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3　基本原理

3.1　聚焦原理

为实现220 GHz工作频率下超构表面的聚焦功能，根据等光程原理，不同位置超构表面上的单元结构对应的相位分布应满足

式中：x2+y2为超构表面上的任意一点离原点的距离；λ为波长，为1360 μm；f为设置的焦距，为600 mm。为实现对斜入射情况下光的聚焦和反射波束的转向，引入补偿相位对波束进行调制，补偿相位的公式为

式中：l为光程差。对透镜相位（φl）、补偿入射相位（φin）、出射波束转向相位（φout）进行叠加：

分别实现聚焦、补偿斜入射及波束转向功能。

基于式（1）~（3），分别得到4组入射角为9°、15°、30°、45°，反射波束聚焦在13°位置的超构表面相位分布，这4组超构表面均有230×230个十字单元，且单元周期为1300 μm。将这4组相位分布通过棋盘格的方式排布在一起，如图3所示。此时得到的相位分布为最终超构表面相位分布结果，该超构表面共有460×460个单元，且每个单元周期为650 μm，对9°、15°、30°、45°四个角度的入射光均有一定的反射和聚焦功能。

图 3. 超构表面的棋盘格组合方式

Fig. 3. Checkerboard combination of metasurfaces

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3.2　模拟结果

对最终相位分布进行模拟，获得4组不同入射角对应的模拟结果。图4（a）~（d）分别是入射角为45°、30°、15°、9°时超构表面反射聚焦的结果。图中方框的位置为设定的焦距为600 mm、方向为13°的位置，由图4可以看出，在这些位置有明确的聚焦现象。可见该反射超构表面可以在不同角度入射的情况下，在所设计的位置实现聚焦。由于棋盘格的排列方式，剩余3组不同的相位补偿也将会在其他位置发生聚焦现象。

图 4. 超构表面聚焦模拟结果。（a）~（d）太赫兹波入射角分别为45°、30°、15°和9°时的结果

Fig. 4. Simulation results of hyperstructured surface focusing. (a)‒(d) Results under incidence angles of terahertz waves of 45°, 30°, 15°, and 9°, respectively

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4　实验表征

基于以上的设计目标和模拟结果，对该反射超构表面样品进行实验表征。首先根据计算所得的相位分布对超构表面进行加工，样品如图5（a）所示。实验设备有激光器、信号发射器及信号接收器，实验过程中信号发射器的频率为220 GHz，信号接收器放置于距离样品600 mm的位置。样品图和实验设施示意图如图5（b）所示。CNITET公司的信号发射器由220~330 GHz上下变频组件、磁吸底座与俯仰位移台组成，可以为实验提供所需的220 GHz环境；信号接收器同样由这3部分组成，并连接NI公司的矢量信号收发仪（PXle-5841），在此可读取反射信号的功率等信息。

图 5. 超构表面样品。（a）超构表面样品的局部图像；（b）实验设施

Fig. 5. Hyperstructured surface sample. (a) Local image of the hyperstructured surface sample; (b) experimental facility diagram

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首先保持信号接收端位于焦距为600 mm、角度为13°的位置不变，调整信号发射端的角度，将其从与中心夹角5°扫描到60°，每隔5°读取一次接收端的信号功率数据。图6为接收端的信号功率曲线图，其中虚线的位置代表噪声。由图6可以看出，在设计的信号接收器入射角度为9°、15°、30°、45°时，接收端确有信号，且较强，而其余角度入射时信号明显减弱，当入射角大于45°时，信号不断减弱直至被噪声吞没。对比5°~45°范围内的功率和大于45°的功率，可以看出在5°~45°范围内，接收端均有较强信号，因此可以认为在5°~45°广角范围内，该超构表面均可以实现将光反射到同一位置的效果。

图 6. 不同太赫兹波入射角时对应的聚焦信号功率

Fig. 6. Focusing signal power corresponding to different terahertz wave incidence angles

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以上结果证实了在一个广角的范围内设定位置确有信号的结论。为了验证这一位置是否出现聚焦现象，保持信号发射器的角度不变，改变信号接收器角度进行测试，以设置的13°方向为中心，分别向顺时针和逆时针方向每隔2°读取一次信号功率数据，分别读取5组数据，图7给出了相应的功率曲线图。由图7可以看出，在设计的13°方向信号最强，而随着接收端向周围移动，信号强度不断减弱，直至完全被噪声吞没，因此可以证实在所设计的位置确实有聚焦现象的结论。

图 7. 信号接收端不同位置对应的信号功率

Fig. 7. Signal power corresponding to different positions of the signal receiving end

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在实验过程中，信号发射器和信号接收器直连时信号功率为-62.28 dB，测得的信号功率为-70.2 dB，衰减信号与功率之间的关系为

式中：Q为衰减信号，单位为dB；Eout为超构表面反射后的信号功率；Ein为原始信号功率。根据测试，所得到的信号衰减为-7.92 dB，可以计算出这一过程的Eout/Ein约为16.2%，而模拟过程中得出的Eout/Ein应为25%。这一衰减可能是加工时产生的误差和设备不够稳固造成的。

5　结论

设计了一种广角反射式超构表面器件，利用共振相位的调控原理，结合特殊排列的单元结构，实现了对广角入射光的调控。使用商业FDTD仿真软件对单元结构的几何参数进行扫描，获取了十字单元结构的几何参数与其相位、振幅的对应关系。通过透镜聚焦原理和相位补偿原理获得了4组超构表面的相位分布，利用棋盘格方式将分散的超构表面组合成完整的超构表面。仿真结果和实验结果验证了该器件的功能，该器件能对5°~45°范围内的入射光进行反射并聚焦在焦距600 mm的同一位置，仿真聚焦效率为25%，实验聚焦效率为16.2%。这种广角反射式超构表面所具有的定向传输和广角接收信号的功能为太赫兹6G通信关键技术提供了一个有效的解决方案，在提升太赫兹6G通信的准确性、安全性和容量等方面具有一定的应用前景。