本书聚焦可重构电磁超构表面的前沿领域，系统地阐述了其设计理论、特性及其在高增益天线中的应用。全书以相位调控机理为切入点，深入探讨了低损耗与宽带相位可重构的设计思路，循序渐进地介绍了1比特、2比特、多比特及幅相同时可重构电磁超构表面的设计方法与实例，详细分析了基于超构表面幅相调控特性实现天线阵列波束扫描及波束赋形的机理。在此基础上，结合所设计的超构表面实例，本书提供了波束扫描阵列和波束赋形阵列的设计实现方法，并通过仿真计算与实验验证，证实了所提出方法的有效性与实用性。本书内容翔实，理论与实践相结合，既可作为电磁超构表面领域研

究人员的参考用书，也可为相关工程技术人员提供设计指导。

序

高增益波束扫描天线作为现代军事系统中远距离探测、精准跟踪与高速通信的核心关键部件，其技术演进的每一步都与国防科技的整体发展进程深度绑定、同频共振，直接关系到雷达预警、导弹制导、机动通信等关键军事装备的性能上限，是衡量国防信息化水平的重要技术指标之一。长期以来，旋转反射面天线与传统相控阵天线共同构成了该领域的主流技术体系，支撑了多代军事装备的研发与列装。然而，这两类技术均存在难以突破的固有局限：旋转反射面天线依赖机械转动实现波束扫描，不仅整体体积与重量庞大，难以适配战机、导弹等对空间要求严苛的平台，更存在扫描速度迟缓、多目标跟踪能力弱、无法与载体表面共形等问题；传统相控阵天线虽通过电子控制实现快速扫描，却面临着单元数量多导致的功耗居高不下、硬件成本高昂，以及高密度集成带来的散热困难等瓶颈。上述缺陷严重制约着现代军事装备向轻量化、高机动、低功耗方向的性能跃升。

电磁超构材料这一具有特殊电磁响应的人工合成材料，自诞生以来便为电磁波的精准调控技术带来了颠覆性的变革；而可重构电磁超构表面作为电磁超构材料领域的重要分支与进阶形态，更是为高增益波束扫描天线的创新发展开辟了一条全新的技术路径。自其概念被提出以来，这种将辐射与相控功能集成于单一平面的二维人工结构，凭借其电磁性能可实时动态调控、整体结构轻量薄型、便于与各类载体共形的天然优势，迅速成为超构材料研究的前沿热点。可重构电磁超构表面巧妙融合了反射面天线与传统相控阵的优点，在保持波束指向灵活可调、扫描速度快、增益稳定的核心性能基础上，成功实现了低功耗、低硬件复杂度、易与载体共形、低成本制备的工程化突破，从根本上克服了传统天线技术的固有缺陷，为高增益波束扫描天线的小型化、集成化与实用化提供了具有颠覆性的技术解决方案，也为下一代高性能军事装备的研发奠定了坚实的技术基础。

当前，全球学界虽已掀起可重构超构表面的研究热潮，但低损耗单元设计、高精度波束控制、阵面低控制复杂度等关键技术难题仍有待进一步突破。本书以可重构电磁表面为核心，构建了系统性的理论与应用研究框架。从电磁波相位调控机理出发，创新提出低损耗可重构单元的设计方法与典型结构；通过解析单元相位精度与口面分布对波束性能的影响，成功实现大角度扫描阵列，并以准周期编码思想突破了控制复杂度的瓶颈；最终将研究延伸至捷变赋形波束领域，以实验验证了技术可行性。这些成果直指超构表面应用中的宽带低损耗、多比特低复杂度等核心难题，为新型相控阵天线的工程化提供了扎实的理论支撑与技术路径。

在国防科技快速迭代的今天，将前沿理论转化为实际应用的研究范式尤为珍贵。本书展现的不仅是一系列技术突破，更构建了从基础研究到工程实践的完整逻辑链条。期待这部著作能为从事电磁超构表面与相控阵天线设计的科研人员提供有益借鉴，更盼望年轻学者能从中获得启发，共同推动我国在这一重要研究方向上实现跨越式发展，为国防现代化建设注入强劲动力。

杨帆 教授

清华大学

2026 年 3 月

目录

第 1 章 绪论

1.1 高增益天线的研究意义

1.2 可重构电磁超构表面理论与研究现状

1.2.1 电磁超构表面的发展历程

1.2.2 可重构电磁超构表面设计理论

1.2.3 可重构电磁超构表面研究现状

1.3 可重构电磁超构表面在高增益天线中的应用现状

1.3.1 波束扫描阵列

1.3.2 波束赋形阵列

第 2 章 1 比特相位可重构超构表面单元设计

2.1 电磁超构表面的相位调控机理分析

2.1.1 可重构相位调控机理

2.1.2 可控器件加载方式对反射性能的影响

2.1.3 等效电路分析

2.2 1 比特单元设计

2.2.1 单元结构及参数研究

2.2.2 偏置电路设计

2.2.3 实验验证

2.3 低损耗 1 比特单元设计

2.3.1 基于交指结构的低损耗 1 比特单元

2.3.2 基于分流结构的低损耗 1 比特单元

2.4 低损耗宽带 1 比特单元设计

2.4.1 单元结构及设计流程

2.4.2 低损耗及宽带工作机理

2.4.3 实验验证

2.5 双极化 1 比特单元设计

2.5.1 单元设计及工作原理

2.5.2 双线极化和双圆极化特性分析

2.5.3 实验验证

第 3 章 2 比特及多比特相位可重构超构表面单元设计

3.1 基于谐振法的 2 比特单元设计

3.1.1 基于交指结构的低损耗 2 比特单元

3.1.2 基于并联 1 比特结构的 2 比特单元

3.2 基于导行波法的 2 比特单元设计

3.2.1 设计方法及单元结构

3.2.2 仿真与分析

3.3 基于谐振法和导行波法的 2 比特单元设计

3.3.1 设计方法及单元结构

3.3.2 工作机理

3.3.3 偏置电路设计

3.4 2 比特可重构超构表面单元快速计算与优化方法

3.4.1 单元结构

3.4.2 快速计算与优化方法

3.4.3 参数研究与性能分析

3.5 多比特可重构超构表面单元设计

3.6 幅相同时可重构超构表面单元设计

3.6.1 加载电阻的双环单元

3.6.2 加载 PIN 二极管的贴片单元

第 4 章 基于可重构超构表面的波束扫描阵列天线

4.1 阵列天线波束扫描原理

4.2 影响天线波束扫描性能的因素

4.2.1 伪随机相位量化误差

4.2.2 相位量化精度

4.2.3 馈源位置

4.3 基于 1 比特贴片单元的波束扫描阵列

4.3.1 单元设计

4.3.2 阵列天线样机实现

4.3.3 系统优化

4.3.4 实验验证

4.4 基于 1 比特蝶形单元的波束扫描阵列

4.4.1 阵列天线实现

4.4.2 实验验证

第 5 章 基于准周期可重构超构表面的波束扫描阵列天线

5.1 球面波激励下准周期编码超构表面天线

5.1.1 设计原则

5.1.2 波束扫描特性分析

5.1.3 平均相位梯度误差分析

5.1.4 阵列天线实现及实验测试

5.2 平面波激励下准周期编码超构表面天线

5.2.1 设计原则

5.2.2 波束扫描特性分析

5.2.3 阵列天线实现及实验测试

第 6 章 基于可重构超构表面的波束赋形阵列天线

6.1 波束赋形阵列天线设计理论及实现

6.1.1 遗传算法与辐射波束优化

6.1.2 宽波束原理实现

6.1.3 多波束原理实现

6.1.4 和差波束原理实现

6.1.5 轨道角动量涡旋波束原理实现

6.2 基于 1 比特蝶形单元的波束赋形阵列

6.2.1 阵列天线样机实现

6.2.2 聚焦波束扫描实现及验证

6.2.3 波束赋形实现及验证

6.3 低副瓣阵列天线设计理论及实现

6.3.1 基于电磁表面的阵列天线副瓣特性分析

6.3.2 基于数字矢量电磁表面的低副瓣天线设计

6.3.3 不同低副瓣实现方法的比较与分析

参考文献