電磁超材料在微波成像方面的應用現狀

徐安強

(上海理工大學材料科學與工程學院，上海 200093)

微波作為電磁波的一部分，其波長范圍在1米和1毫米之間，頻率范圍在300 MHz和300 GHz之間。同其它波段的電磁波相比較，微波具有一些特殊的優勢。第一，相比于頻率更小的短波無線電波來說，微波波段所包含的信息性更多。這是因為頻率越小，供其可用的頻帶就越窄。第二，相較于可見光、紅外光而言，微波的波長更長，因此穿透性也就更好。第三，微波用于安全檢測成像時，不會像X射線一樣對人體或周圍的環境產生危害。而且微波還具有高功率、高穩定性、抗低頻干擾特性等獨特的性質。基于上述等優點，微波在成像方面具有極大的應用前景，逐漸成為熱門的研究領域之一[1]。

然而傳統的微波成像系統，主要為合成孔徑雷達(SAR, Synthetic Aperture Radar)成像系統，存在著許多難以解決的問題。例如對運動速度慢的目標物體正視成像質量差[2]，響應速度較慢，且成像系統還需要很大的測量空間等。針對傳統合成孔徑雷達成像的不足之處，科研人員們開始研究利用人為設計的超材料孔徑/超表面天線來進行成像，具有成像質量高，響應時間快，抗低頻干擾能力強等優點。本文首先對電磁超材料的發展進行了簡單的概述，進而總結了近年來基于超材料孔徑/超表面天線的電磁超材料成像系統在微波成像方面的應用現狀，同時也對近期新興的可編程超材料在微波成像應用方面做了簡要介紹。

1 電磁超材料的概述

電磁超材料，也可以簡單地稱其為超構材料、超材料，它是一種人造材料，可以人為地設計結構從而使材料表現出天然存在的材料所不具備的一些特殊性能[3-4]，比如負折射[5]，完美透鏡[6]，逆Cherenkon輻射[7-8]等，特別是其中的負折射性質，是當時最熱門的研究話題之一。因此，最初的電磁超材料一般是指負折射材料。介電常數和磁導率是描述均勻媒質中電磁場性質的的兩個基本物理量，在我們的認知當中，自然界中存在的材料的介電常數(ε)和磁導率(μ)都為正值，其電場矢量、磁場矢量和波矢量三者之間遵循右手螺旋定則，如圖1(a)所示。但是負折射材料的出現卻顛覆了我們的認知，它的介電常數和磁導率都為負值，其電場矢量、磁場矢量和波矢量三者之間遵循左手螺旋定則，如圖1(b)所示，故負折射材料又被稱為左手材料 (LHM, Left-Handed Materials)[9]。

圖1 (a)傳統材料中E、H、K之間呈右手螺旋關系; (b)負折射材料中E、H、K之間呈左手螺旋關系Fig.1 (a)Right-hand orientation of vectors E,H,K for the traditional materials；(b)Left-hand orientation of vectors E,H,K for the negative refractive materials

隨著二十多年來相關科研人員對電磁超材料認識深度及學習能力的不斷加強，現在的電磁超材料已不單單是指左手材料，也就是說如今的超材料不需要同時具有負的介電常數和負的磁導率。從廣義上來講，現在的電磁超材料基本上是指由人工設計單元結構組成的，并具有奇特電磁特性的人造功能復合材料[10]，比如光子晶體(Photonic Crystal)、寬帶超材料吸收體、復合左/右手傳輸線、超表面等。根據等效媒質理論，電磁超材料結構單元的尺寸要遠小于波長(基本上小于波長的10倍以上)[11]，即電磁超材料的尺寸屬于亞波長范疇，這就使得可以通過常規的制備方法(例如光刻、PCB的制備技術)將電磁超材料結構設計成芯片級別的大小，從而有望做到小型化、陣列化、集成化。

關于超材料這一概念，最早是前蘇聯物理學家Veselago于1968年提出來的，他基于對麥克斯韋方程組的深入研究，發表了介電常數和磁導率都為負值的理論推測[12]。但這一研究理論在當時并沒有得到重視，因為人們并沒有在自然界中發現過具有負折射性能的材料。Pendry教授帶領的研究小組于1996年利用周期性排布的金屬細導線得到了負的電響應，并在微波頻段內構造出了等效介電常數為負的人工材料[13]。1999年，他又利用周期性排布的開口諧振環(SRR, Split-Ring Resonator)陣列得到了負的磁響應，構造出了等效磁導率為負的人工材料[14]。這兩項重大研究的發表，才算是真正使人們對超材料這一概念重視起來。2001年，Smith等人在Pendry研究的基礎上，在Science上報道了將周期性金屬細導線和開口諧振環陣列結合起來，首次在實驗中構造出了微波波段內的左手材料，證明了負折射材料是可以實現的[5]。隨后，關于電磁超材料在各種不同方向的研究如雨后春筍般涌現出來。

2 電磁超材料在微波成像方面的應用

傳統的雷達天線成像系統由于通常需要昂貴且復雜的射頻組件，且抗干擾能力差，處理速度慢，無法適應如今小型化、多元化、集成化、陳列化等發展要求。基于電磁超材料發展起來的超材料孔徑/超表面天線的組成結構單元都處于亞波長尺寸，可以大幅度地減小天線的尺寸，易做到小型化、陣列化，且占地面積小且響應速度快，提供了一種新的微波成像解決方案，并且一種新興發展起來的可編程超材料也可被用在微波成像方面。

2.1 超材料孔徑/超表面天線

超材料孔徑一般為平行板波導的形式，板上的圖案化互補超材料相元會將能量從波導模式耦合到場景[15]，隨后可根據各種不同的算法對場景進行重建。我們可以根據超材料奇特的電磁特性自由地設計天線頻率，以應用于不同的測量模式。

Lipworth等人[16]介紹了一種二維超材料孔徑，并通過模擬證明該超材料孔徑可用于相干計算成像。隨后，他們于文獻[17]中介紹了基于頻率采集的超材料孔徑的計算成像，超材料的共振頻率隨機分布在較大的寬帶(18-26GHz)上，因此孔徑會根據頻率產生快速變化的場模式序列，通過在合理的帶寬內對典型場景進來了多次不同測量，在實驗上實現了衍射受限的物理場景重建。Yurduseven等人[18]提出了一種基于三維打印的分頻超表面天線計算成像系統。通過使用聚乳酸(PLA)聚合物材料和導電聚合物材料的組合實現了對超表面天線的制作，以全電子方式通過簡單的掃頻進行成像，可以在衍射極限下實現物體的微波成像。這種新型的超表面天線制作方法，解決了常規制造技術(例如機器銑削、光刻和激光刻蝕等)價格貴且耗時長的問題。

為了解決傳統超材料孔徑/超表面天線成像系統中重建算法耗時長、效率低的問題，Mancera等[19]通過轉換動態超表面的測量值，使其在快速的計算步驟中與距離偏移算法(RMA, Range migration algorithms)兼容，進而達到優化RMA的目的，為基于動態超表面的成像系統提供了一種有效且快速的重建圖像技術。Boyarsky等人[20]基于兩個超表面孔徑組成的動態超表面天線搭建了一套高分辨成像系統，根據對反向散射的測量，通過RMA有效地重建出目標物體的三維圖像，展示了單一頻率下對三維物體進行分辨及重構成像的能力。

超材料孔徑/超表面天線成像系統還可用于醫療方面對疾病的檢測。Ahsan等[21]提出了一種用于在頭部有效傳輸微波信號的新型超材料天線陣列設計，仿真結果表明該超材料天線陣列可應用在一些對腦部成像(如中風檢測和監視)的微波系統。Islam等人[22]基于超寬帶定向天線陣列，提出了一種便攜式的低成本微波成像系統，通過使用新提出的迭代校正延遲求和(IC-DAS, Iteratively Corrected Delay and Sum)算法處理散射場的偏差，完成了對乳房模型中的腫瘤細胞檢測。

2.2 可編程超材料

編碼超材料、數字超材料、可編程超材料這一概念是由東南大學的崔鐵軍教授提出來的[23]，是近幾年新興并迅速發展起來的一種由若干結構單元按照編碼的方式排布的電磁超材料。所謂的編碼，就是對組成超材料表面的每個結構單元粒子編碼并進行相位劃分：對于1比特編碼超材料，其最優化的編碼粒子相位分別為0°和180°；對于n比特編碼超材料，其編碼粒子在2π相位范圍內被劃分為2n個相等的部分[24]。此處，我們針對典型的1位和2位編碼的可編程超材料進行成像的文獻做了簡單概括。

Li等[25]設計了一款微波頻段下基于1位編碼的可編程超表面，通過直流電壓控制PIN二極管，可以在編碼超表面的每個結構單元的狀態之間靈活切換“0”和“1”。驗證表明，僅使用一個編碼超表面就可實時地實現多個所需的全息圖像.文獻[26]提出了一種傳輸型2位編碼的可編程超表面，可用于微波頻率下的單傳感器和單頻率成像，通過足夠多的傳輸模式解決了單傳感器成像中的逆散射問題，與傳統的單傳感器成像儀相比，在很大程度上減少了成像系統的成本和復雜性，

可編程超材料將物理世界與信息世界兩者之間緊密的結合在了一起，使人們可以在超材料的物理層面上進行基于波的實時信息編碼和處理[27]，推進了諸如數據存儲和先進信息處理等各個層面的進步，并在成像方面表現出巨大的應用前景。目前對于可編程超材料而言，未來可以朝著實現簡單性、低成本的設計以及實現高質量圖像的方向發展。

3 結 語

本文從微波以及電磁超材料在成像應用方面的優勢出發，綜述了近幾年電磁超材料在微波成像方面的研究現狀，介紹了超材料孔徑/超表面天線在微波成像方面上的優勢及應用，最后簡單介紹了新興的可編程超材料用于成像方面的優勢及未來的發展趨勢。