文献解读 | 分层可重构超表面：一块可编程核心加载五个功能模块，覆盖 C/X/Ku 三波段（Advanced Science 2026）

论文简介

本文解读的是发表于 Advanced Science 13(28): e24154（2026）的论文 Hierarchical Reconfigurable Metasurface Based on Scenario-Guided Functional Modules and Programmable Core，原文开放获取，可点击 DOI 或 PMC 全文链接查看：

• DOI：https://doi.org/10.1002/advs.202524154
• 开放全文：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC13185813/

作者为 Lihao Zhu、Jiaqi Han、Zhe Zheng、Qiang Feng 等，通讯作者为西安电子科技大学高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室的 Hao Xue 与 Long Li，工作全部在西安电子科技大学完成。论文的一句话贡献是：把可重构超表面拆成”可复用的可编程核心（programmable core，PC）”与”按场景定制的低成本功能模块（functional module，FM）”两层，用同一块硬件在 C、X、Ku 三个微波波段实现相位、频率、幅度、极化四类调控，并把多场景切换的成本压缩到传统做法的约四分之一。

先交代两个反复出现的基本词。超表面（metasurface）是把亚波长尺度的金属或介质单元排成平面阵列，通过逐点安排每个单元对入射波的响应（相位、幅度、极化），让一整束电磁波在传播一个单元距离后被”改写”。可重构超表面（reconfigurable metasurface，RMS）则在单元里嵌入 PIN 二极管、变容管、相变材料等可调器件，让同一个阵列在不同时刻呈现不同状态——这正是可重构智能表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）这类”用墙面反射来改造无线信道”技术的硬件底座。

可重构超表面为什么”一版一用”

要理解这篇文章解决的问题，先看传统可重构超表面是怎么做出来的。

在数字编码超表面与可编程超表面这条技术线上，一个单元通常只取有限几个编码状态：1-bit 相位调制就是让相邻编码之间相差 180°，再由 FPGA 逐列/逐行给出编码图案，阵列就会像光栅一样把波束偏转到某个方向。方向由光栅方程决定：想要偏转到预设角度，就要按工作频率和单元间距重新排布编码。

问题恰恰出在”工作频率”和”编码图案”之外的那一层硬件上。传统设计把 PIN 二极管当作可调终端：二极管焊在蝶形或开槽金属结构之间，周围再铺一层槽线、寄生枝节与匹配电路，用来在目标频段里形成特定谐振。整套金属图形、寄生结构、匹配网络都是围绕”某个场景、某个频段、某种功能”优化出来的。一旦需求从 Ku 波段波束偏转移到了 X 波段吸收，或者从相位调制换到极化转换，这套结构往往要整体推翻，重新设计、重新流片、重新焊接、重新调试。

论文把这种代价算得很清楚。以一块 12 × 40 的单元阵列为例，每个单元一枚商用 PIN 二极管（MADP-000907-14020x，单价 21.18 元），一只阵列就要 480 枚，二极管本身就是成本主体；而二极管焊接、电性能检查、装配、安装这些工序又都要在整块板上重做一遍。设计周期中真正昂贵的部分并不是那层廉价介质板，而是被反复消耗的可调器件与围绕它展开的加工调试。

还有一个更根本的物理约束：根据 Bode–Fano 判据，对特定类型的复负载，无源匹配网络不可能在无限带宽内做到完美匹配。换句话说，带宽与匹配深度天然是场景相关的折中，指望一块固定硬件在所有场景下都调得开，本身就不现实。论文的出发点便是：既然场景会变，能不能让”变化的那部分”尽量便宜，让”昂贵的那部分”只做一次？

把”可调性”和”功能”拆成两层

论文的做法是把原来叠在一个平面上的两件事拆开：状态切换交给可编程核心，功能与频段交给功能模块。

可编程核心由二极管、焊接与偏置金属、介质基板、接地层共同构成。它不是”二极管 + 周边谐振结构”，而是被重新定义为一个可重构负载：自身具备随开关状态变化的阻抗，但不承担具体功能。功能模块则是一片按场景设计的阻抗变换层，直接叠在核心上方，既完成从核心阻抗到目标功能的匹配，又顺手充当保护盖。于是同一块核心可以反复利用，每次只需要重新设计、加工一层廉价的功能层。

这里有一个容易被忽略的细节：做电路和做空间波，参考阻抗并不一样。 射频电路通常以 50 Ω 为参考阻抗来做匹配，而空间散射控制面对的是自由空间波阻抗，参考值取 377 Ω。论文把商用 PIN 二极管的归一化阻抗放在 377 Ω 参考下算了一遍：实部在 4–18 GHz 内都接近 0（低损耗），虚部在关断态随频率由负值逐渐增大——这意味着面对空间波，”开”和”关”只是阻抗上的一点差异，而不是电路里那种接近理想的开路/短路。把二极管直接当作可调终端，本身就是把电路设计的思路平移到了空间波场景，状态差异自然有限。

改用可调负载后，散射系数可以写成两层网络的级联形式。设 $s$ 表示核心的开关状态、$u$ 表示所加载的功能模块，则整个超表面的反射系数为

$$\Gamma_\text{RMS}(s,u)=\frac{S^{u}{\text{FM}11}-S^{u}{\text{FM12}}S^{u}{\text{FM21}}\Gamma\text{PC}(s)}{1-S^{u}{\text{FM22}}\Gamma\text{PC}(s)},\qquad E_s=\Gamma_\text{RMS}(s,u)E_i$$

式子的含义很直白：核心提供一个随状态切换的 $\Gamma_\text{PC}(s)$，功能模块提供一组固定的网络参数 $S^{u}$，两者级联后得到最终响应。功能设计与状态切换因此被解耦——换功能只需要换 $u$，换状态仍然由 $s$ 完成。

论文实测的核心阻抗也印证了这条路子可行。在 x 极化（TM）入射下，二极管关断时核心在 11.7 GHz 出现一个共振点，导通时则在 7 GHz 与 16.4 GHz 出现两个共振点。这些共振点相当于给后续功能模块预留的”支点”：功能模块只要把工作频段与这些支点对齐，就能在目标频段拿到足够的相位或幅度变化。对 y 极化（TE）入射，核心没有做重构设计，表现接近一块连通的地，这也是本文核心只针对一种极化调谐的边界。

图 1：提出的分层可重构超表面（hierarchical reconfigurable metasurface，HRMA）架构。同一块可编程核心（PC）可在不同场景中重复使用，低成本功能模块（FM）按功能与参数需求分别设计；加载不同功能模块后，超表面可对电磁波的极化、幅度、相位与频率进行调控，为构建智能无线环境提供低成本方案。

图 2：传统设计方法与本文方案的差别。(a) 用于宽带相位调制的传统蝶形单元；(b) 传统可重构超表面单元在设计中使用的等效电路；(c) 已装配功能模块的可编程核心；(d) 本文架构的等效电路，由功能模块与可编程核心分层级联而成；(e) 通过切换不同功能模块实现相位、频率、幅度与极化调控的示意；(f) 商用二极管 MADP-000907 以 377 Ω 为参考阻抗的归一化阻抗实部与虚部；(g) 可编程核心的归一化阻抗。

一块核心覆盖 C/X/Ku 三个波段

论文的第一组演示是相位调制，也是 1-bit 编码超表面最常用的功能。作者固定同一块核心，只更换上方功能层，得到三个不同频段的相位调制器。

• FM I（空气层）：空气层本身就是核心的天然功能模块。以此装配的单元在 Ku 波段 11.8–15.5 GHz 形成 1-bit 相位调制。
• FM II（介质层 + 周期方贴片）：宏观上等效为介电常数 $4.17+0.53i$、磁导率 $0.82+0.42i$ 的等效介质（在 10 GHz 处），把工作频段整体搬到 X 波段 6.8–11.9 GHz。由于二极管本身有 0.3 mm 厚度，设计功能模块时需要把上方 1 mm 空气层一并计入。
• FM III（高介电常数与磁性参数组合）：等效参数为 $12.92+0.05i$ 与 $0.95+0.004i$，把工作频段进一步搬到 C 波段 5.6–7 GHz。

三个频段首尾相接，拼出一条 5.6–15.6 GHz 的 1-bit 相位调制带宽（按论文给出的三个子频段取并集为 5.6–15.5 GHz，差值为端点取整口径）。这个数字的意义不在于”带宽有多宽”，而在于它是用同一块核心换出来的：传统宽带超表面的带宽上限受二极管色散阻抗与结构谐振共同限制，而这里每换一层功能模块，核心的共振支点就被重新匹配到新的频段。

阵列级别验证使用的是 12 × 40 单元、共 480 枚二极管的样件，在微波暗室中做双站与单站 RCS 测量。在 10 GHz、0° 入射下，通过切换编码图案实现 10°–50° 的波束偏转；与同尺寸金属板对照，本文样件在 50° 目标角处的方向系数相较传统超表面提升约 20 dB，且随工作频率升高并未像传统样件那样退化到接近金属板。论文还用通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）与天线在 6 GHz 搭了一条辅助通信链路，通过超表面对信道的调制完成了稳定的图像传输。

同一块核心还能做频率维度的调控。利用时空编码调制技术，由可编程门阵列（field-programmable gate array，FPGA）以 500 kHz 的速率切换编码，把 10 GHz 单色波的能量搬到目标谐波上，实测把 −1 次谐波偏转到 −23° 方向。时间维度的编码相当于在频域上开辟了新的自由度，论文称该扩展对任意一个 1-bit 工作频点都成立。

图 3：基于分层架构的相位与频率调制器的构造与结果。(a–c) 加载 FM I–III 的单元结构；(d–f) 对应单元的反射相位与幅度仿真曲线；(g) 三类超表面的 1-bit 相位调制综合曲线；(h) 微波暗室中的测试环境；(i, j) 加载 FM II 时超表面的仿真与实测 RCS 方向图；(k) 目标波束方向为 50° 时，本文超表面、传统超表面与金属板的方向系数对比；(l) 加载 FM I 的超表面构建的通信系统；(m) 加载 FM II 的超表面作为频率调制器时，把 −1 次谐波偏转到 −23° 的实测方向图结果。

从相位到幅度：同一硬件的双频可切换吸收

如果说相位调制只是”换频段”，那么 FM IV 展示的是换功能。它由一层介质与周期方贴片构成，装在核心上方后，单元内部出现新的谐振极点，反射幅度在目标频段陡然下降，超表面整体从”相位器件”变成”幅度器件”——这是一块可切换的双频吸收体。

具体数据是这样的：在 TM 入射下，核心处于导通态时，单元反射系数低于 −10 dB 的频段为 8.3–11.9 GHz；切到关断态，主吸收区间整体搬到 14.2–18 GHz。−10 dB 的反射对应约 90% 的吸收率，两者在 $10\lg(1-0.9)=-10\ \text{dB}$ 的意义上自洽。阵列尺度上，改变导通/关断单元的比例就可以重新分配吸收重心：关断单元占比提高，8.6 GHz 处的雷达散射截面（radar cross section，RCS）缩减量随之增大，15 GHz 处则相反。多种编码图案下，4–18 GHz 范围内的吸收率都高于 0.7；在 12 GHz 处，仅通过改变编码图案就能把吸收率从 0.2 调到 0.8。

这里值得注意的是”可调”与”可重构”两个层次同时被保留：加载 FM IV 改变了器件的基本功能属性，而核心自身的开关状态仍然在原地提供第二重调节。论文也说明，如果场景进一步变化，只需要重新设计一层 FM IV，而不必触碰核心与其中的 480 枚二极管。

图 4：加载 FM IV 时超表面作为可重构吸收体的性能。(a) 装配 FM IV 的单元结构；(b) x 极化正入射下单元的仿真反射系数；(c) 紧凑暗室中单站 RCS 测量的测试方式与环境；(d) 样件与同尺寸金属板在正入射下的实测 RCS；(e, f) 可编程核心全部关断与全部导通时，8.6 GHz 与 15 GHz 的仿真和实测散射方向图；(g) 可调吸收的实测方向图；(h) 给定图案下相对金属板在 8.6 GHz 与 15 GHz 的 RCS 缩减量；(i) 特定图案在 12 GHz 处的吸收率可调性。

极化调控：第三种基本参量也能切换

电磁波的另一个基本参量是极化。论文把 FM V 设计成一块与入射方向成 45° 的矩形贴片，与核心叠加后整体表现为双各向异性介质，于是能把一种线极化反射成与之正交的线极化。

实测结果是：核心全部导通时，8.8–14.8 GHz 的交叉极化转换系数优于 −1 dB，也就是极化转换效率超过 90%，样件实测区间为 8.9–14.7 GHz，与单元仿真吻合；核心全部关断时，13.8 GHz 附近反而出现同极化分量全反射的频带，极化转换被”关掉”。这等于给极化转换能力加了一个开关：同一个样件既可以是宽带极化转换器，也可以是一面普通反射板。

更有意思的是连续调节。改变导通与关断单元的比例，极化旋转角可以在 0°–75° 范围内设计（论文实测了 13.8 GHz 的 11 种图案）；若能进一步扩大阵列规模并使用镜像的功能模块，理论上可以覆盖 0°–90° 的全部极化角。论文强调，这里演示的只是线极化之间的转换，同一思路也可以用来设计线极化—圆极化转换器，只取决于功能模块做成什么形状。

图 5：加载 FM V 时超表面作为可重构极化转换器的性能。(a) 装配 FM V 的单元结构；(b) 周期边界下单元的仿真反射系数；(c) 正入射时样件的单站 RCS 实测结果，其中 PC 指极化转换分量、NPC 指非极化转换分量；(d) 13.8 GHz 处的实测 RCS 角向方向图；(e) 核心全部导通与全部关断时的实测极化分量比；(f) 采用不同比例图案时的极化角。

成本与工程代价

论文最有工程意味的部分是成本账。作者把可编程核心与各功能模块的材料费、加工费和加工周期逐项列出，并与”每种功能都做一块传统可重构超表面（conventional RMS，CRMS）”的方案对比。

表 1：同一块可编程核心搭配五种功能模块实现的功能、频段与关键指标。

模块	承担的功能	工作频段	关键指标
FM I	1-bit 相位调制（波束偏转、通信链路演示）	Ku 波段 11.8–15.5 GHz	阵列 12 × 40，10 GHz 下 10°–50° 波束偏转
FM II	1-bit 相位调制 + 时空编码频率调制	X 波段 6.8–11.9 GHz	50° 目标角方向系数较传统方案提升约 20 dB；−1 次谐波偏转 −23°
FM III	1-bit 相位调制	C 波段 5.6–7 GHz	与 FM I、FM II 拼接覆盖 5.6–15.5 GHz
FM IV	双频可切换吸收	8.3–11.9 GHz（导通）/ 14.2–18 GHz（关断）	吸收率 > 0.7（4–18 GHz）；12 GHz 吸收率 0.2–0.8 可调
FM V	线极化转换（可关断、极化角可设计）	8.8–14.8 GHz（实测 8.9–14.7 GHz）	转换效率 > 90%；极化角 0°–75°

表注：表中数据取自论文正文与 Table 1/Table 2 的实验与成本记录；频段名称沿用论文口径，其中 C/X/Ku 三类命名对应的频率区间与常见微波工程用法一致（如 X 波段 8–12 GHz）。

按论文给出的数字，可编程核心的材料费 10870 元、加工费 3631 元，合计 14501 元，加工周期 8 天；五层功能模块的材料费加加工费在 739–10756 元之间，单件加工时间都小于 2 天。做一个量纲与数量级上的核对：核心成本的主体是 480 枚单价 21.18 元的二极管，$480\times21.18\approx10166$ 元，已经占到核心材料费（10870 元）的九成以上，与论文”成本主要来自二极管”的结论一致。

由此得到论文的核心估算：在同样的功能与参数切换需求下，HRMA 方案的总成本约为传统 CRMS 方案的 25%，总耗时约为 32.5%；反过来看，可编程核心在各功能中占掉了 91%–100% 的成本与 80%–100% 的工时——这正是”可调部分只做一次”的价值所在。

代价也需要说清楚。论文明确承认，HRMA 的剖面高度比传统方案更高：阻抗匹配结构不再与二极管共面，而是挪到了上方的功能层，整体厚度增加，在对厚度敏感的场合需要重新权衡。此外，核心与功能模块依靠定位孔与螺钉装配，论文在补充材料中专门分析了装配误差对性能的影响（论文对比了两者的加工流程：传统方案要依次完成蚀刻、层压、钻孔、阻焊、焊接、电性能检查、装配与安装，而功能模块只需要前几道工序）。这些工程边界并不影响”可复用核心 + 可换功能层”这一架构本身的成立，但决定了它更适合体积相对宽松的墙面、面板类应用。

意义与展望

把可调器件从”一次性耗材”变成”可复用的资产”，是这篇论文最值得记住的一点。传统可重构超表面把最贵的部分（二极管及其焊接、调试）绑定在单一功能上，需求一变就整体报废；分层架构则把它降级为一个中性的可调负载，让场景变化只在廉价的功能层上体现。对正在把可重构智能表面推向部署的无线通信领域来说，这种模块化思路直接对应两个现实问题：多频段、多场景部署的成本，以及硬件迭代的速度。

从能力上看，同一块核心在本文中已经覆盖了电磁波的四个基本参量：相位（三个波段的 1-bit 调制）、频率（时空编码搬移谐波）、幅度（双频可切换吸收）、极化（可关断的宽带线性极化转换）。论文在 Table 1 中与既有可重构超表面工作做了对比，指出多数已报道的方案只覆盖其中一到三项，且不支持工作参数的灵活调整。

从原理验证走向工程应用，还有几处需要继续推进。一是剖面高度：匹配层上移带来的厚度增加，限制了它在贴片天线罩、机体蒙皮等紧凑场景中的直接使用，需要更薄的等效介质方案。二是编码位宽与频率上限：本文演示的是 1-bit 相位调制与厘米波段工作，若要在毫米波乃至太赫兹频段保持同样的带宽拼接能力，可调器件的寄生参数与装配误差都会成为新的瓶颈。三是架构的迁移：论文指出该思路并不限于电控微波器件——只要存在”可调负载 + 阻抗变换层”这对关系，光学、声学、磁控与机械调控的超表面都可以借用同一套分层逻辑。对光学领域的读者来说，这恰好是光频可重构超表面（例如相变材料与液晶调谐器件）值得对照阅读的一条思路。

参考资料

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