一、引言

在现代战争中，电子战已经成为决定战争胜负的关键因素之一。随着信息技术的飞速发展，电子设备在军事领域的广泛应用，电子战的地位和作用日益凸显。从海湾战争、伊拉克战争到叙利亚内战等现代局部战争中，电子战的身影无处不在，对战争的进程和结局产生了深远影响。电子战涵盖了电子侦察、电子干扰、电子防御等多个方面，其核心目的是通过控制电磁频谱，削弱、破坏敌方电子设备的使用效能，同时保护己方电子设备正常发挥作用，从而获取战场的信息优势，为作战行动的成功实施奠定基础。

在电子战中，天线作为电子设备与外界进行电磁信号交互的关键部件，其性能的优劣直接影响着电子战系统的整体效能。传统天线在面对日益复杂的电磁环境和多样化的作战需求时，逐渐暴露出一些局限性。例如，传统天线的波束指向和极化方式往往固定，难以根据战场实际情况快速灵活地调整，无法满足对多个目标同时进行探测、跟踪和干扰的需求；在尺寸和重量方面，传统天线也难以在保证高性能的前提下实现小型化和轻量化，这对于一些对平台负载能力有限的作战装备来说，是一个较大的制约因素。

超表面天线作为一种新型的天线技术，为解决传统天线面临的上述问题提供了新的思路和方法。超表面是一种由亚波长尺寸的人工结构单元组成的二维平面结构，通过对这些结构单元的电磁特性进行精确设计和调控，可以实现对电磁波的幅度、相位、极化等特性的灵活控制。与传统天线相比，超表面天线具有诸多显著优势。在波束调控方面，超表面天线能够通过改变结构单元的参数，实现波束的快速扫描、多波束形成以及波束形状的任意重构，从而能够更加有效地应对复杂多变的战场电磁环境，提高对目标的探测和干扰能力；在尺寸和重量上，超表面天线由于采用了平面化的结构设计，易于实现小型化和轻量化，这使得它可以方便地集成到各种作战平台上，包括无人机、舰艇、卫星等，极大地拓展了其应用范围；此外，超表面天线还具有低剖面、易于共形等特点，能够与各种复杂形状的载体表面完美贴合，不影响载体的空气动力学性能，进一步增强了其在实际作战中的适用性。

超表面天线技术的出现，为提升电子战能力带来了新的契机。它有望打破传统天线技术的瓶颈，使电子战系统在电磁频谱的控制和利用上实现质的飞跃。在电子侦察方面，超表面天线的高分辨率波束扫描和多波束探测能力，能够更快速、准确地截获敌方的通信和雷达信号，获取更丰富的情报信息；在电子干扰领域，超表面天线可灵活生成多种干扰波形和波束样式，对敌方的通信、雷达和导航系统实施更有效的干扰，使其陷入瘫痪或混乱状态；在电子防御中，超表面天线可以通过自适应地调整自身的电磁特性，增强对敌方电子攻击的抵御能力，保障己方电子设备的正常运行。

近年来，超表面天线作为天线领域的研究热点，在国内外均取得了显著的研究进展。在理论研究方面，国内外学者围绕超表面的电磁特性分析、调控机理以及与天线的集成理论等展开了深入探索。国外如美国、英国、加拿大等国家的顶尖科研团队，在超表面的基础理论研究上处于前沿地位。美国加州大学洛杉矶分校的研究人员运用严格的电磁理论和数值计算方法，深入剖析了超表面结构单元与电磁波的相互作用机制，建立了精确的电磁模型，为超表面天线的设计提供了坚实的理论基础。英国伦敦帝国理工学院的科研团队从微观层面研究超表面的电磁响应特性，揭示了超表面对电磁波幅度、相位和极化的调控本质，提出了基于物理光学和传输线理论的超表面设计新思路，极大地拓展了超表面的理论研究范畴。

国内高校和科研机构也在超表面天线理论研究方面成果斐然。东南大学的崔铁军院士团队长期致力于电磁超材料和计算电磁学的研究，在超表面天线的理论创新上取得了多项突破性成果。他们创建了信息超材料新体系，通过理论推导和仿真分析，提出了多种新型的超表面结构和调控方法，如时空编码超表面天线理论，有效解决了传统超表面天线存在的边带污染等问题，为超表面天线的实际应用提供了更完善的理论支撑。西安电子科技大学在超表面电磁特性分析和天线综合设计理论方面也开展了系统研究，通过建立基于全波分析的超表面天线设计模型，实现了对超表面天线性能的精确预测和优化设计，推动了超表面天线理论的工程应用进程。

在技术开发方面，国内外均在积极探索超表面天线的新型设计方法和制造工艺。国外研究机构注重超表面天线的多功能集成和高性能实现。例如，欧盟发起的FITNESS项目致力于研发柔性智能近场传感皮肤超表面天线，通过创新的电磁超材料表面设计和集成电子设备，使天线具备了精确扫描近场环境和与远场基站高效通信的能力，为机器人等智能设备的通信与感知提供了新的技术手段 。美国的一些科研团队则专注于开发基于新型材料和微纳制造工艺的超表面天线，利用石墨烯、超材料等新型材料的独特电磁特性，结合先进的光刻、电子束刻蚀等微纳加工技术，实现了超表面天线的小型化、高性能化以及在太赫兹等高频段的应用，显著提升了超表面天线的技术水平和应用潜力。

国外军事强国如美国、俄罗斯等，已将超表面天线技术应用于部分先进的电子战装备中。美国的一些新型电子战飞机和舰艇搭载了超表面天线，利用其灵活的波束调控能力，实现了对敌方通信和雷达信号的高效侦察与干扰，有效提升了电子战装备的作战效能。俄罗斯则在其防空反导系统中探索应用超表面天线，增强系统对复杂电磁环境的适应性和目标探测能力，提高了防空反导系统的作战性能。

在理论研究方面，目前对于超表面与复杂环境中多源电磁波的相互作用机制研究还不够深入，尤其是在多目标、强干扰的复杂电磁环境下，超表面天线的性能分析和优化理论尚不完善，难以满足电子战中对超表面天线高性能、高可靠性的严格要求。在技术开发层面，超表面天线的大规模、高精度制造工艺仍有待进一步提高，制造过程中的一致性和稳定性问题制约了其产业化发展；同时，超表面天线与其他电子系统的集成技术还不够成熟，在系统兼容性和可靠性方面存在一定挑战。在应用实践中，超表面天线在电子战中的实战应用案例相对较少，缺乏全面系统的实战验证和评估体系，对于如何充分发挥超表面天线在电子战中的优势，实现与现有电子战装备的深度融合，还需要进一步的研究和探索。

本研究聚焦于超表面天线在电子战中的应用，旨在深入探究超表面天线的特性与优势，为其在电子战领域的实际应用提供理论与技术支持。主要研究内容包括以下几个方面：

超表面天线的基础理论研究：深入剖析超表面的电磁特性，研究其对电磁波的调控机制，包括幅度、相位和极化等方面的控制原理。建立超表面天线的电磁模型，通过理论推导和数值计算，分析天线的辐射特性、阻抗匹配等性能参数，为超表面天线的设计提供坚实的理论基础。

超表面天线的设计与优化：根据电子战的具体需求，如宽频带、高增益、波束灵活调控等，开展超表面天线的设计工作。探索新型的超表面结构和设计方法，通过对结构单元的参数优化和布局设计，实现超表面天线性能的提升。运用优化算法对超表面天线的结构进行优化，以获得最佳的性能指标，满足电子战中复杂多变的作战需求。

超表面天线在电子战中的应用技术研究：针对电子侦察、电子干扰和电子防御等电子战的主要任务，研究超表面天线的应用技术。在电子侦察方面，研究超表面天线如何实现对敌方微弱信号的高效截获和精确分析；在电子干扰领域，探索超表面天线生成多种干扰波形和波束样式的方法，以提高对敌方通信、雷达和导航系统的干扰效果；在电子防御中，研究超表面天线如何增强对敌方电子攻击的抵御能力，保障己方电子设备的正常运行。

超表面天线与电子战系统的集成技术研究：考虑超表面天线与其他电子战设备的兼容性和协同工作能力，研究超表面天线与电子战系统的集成技术。解决集成过程中的电磁兼容性、信号传输等问题，实现超表面天线与电子战系统的有机融合，充分发挥超表面天线在电子战系统中的优势，提升电子战系统的整体效能。

为实现上述研究内容，本研究采用以下研究方法：

理论分析方法：运用电磁理论、天线原理等相关知识，对超表面天线的工作原理和性能进行深入的理论分析。通过建立数学模型，推导超表面天线的电磁参数和性能指标的计算公式，从理论层面揭示超表面天线的特性和规律，为超表面天线的设计和优化提供理论指导。

仿真模拟方法：利用专业的电磁仿真软件，如CST Microwave Studio、HFSS等，对超表面天线进行建模和仿真分析。通过设置不同的参数和边界条件，模拟超表面天线在各种工作状态下的电磁特性和辐射性能，直观地展示超表面天线的工作过程和性能表现。通过仿真结果，分析超表面天线的性能优劣，为其结构优化和设计改进提供依据，减少实验次数，降低研究成本。

实验验证方法：根据理论分析和仿真结果，设计并制作超表面天线样机。搭建实验测试平台，对超表面天线的各项性能指标进行实验测试，如增益、方向图、带宽、极化特性等。将实验测试结果与理论分析和仿真结果进行对比，验证超表面天线设计的正确性和有效性，同时也为超表面天线的实际应用提供实验数据支持。通过实验，还可以发现理论分析和仿真中未考虑到的实际问题，进一步完善超表面天线的设计和理论研究。

超表面作为一种新型的人工电磁材料，近年来在电磁学领域引起了广泛关注，为电磁波的调控提供了全新的途径。从定义上讲，超表面是由亚波长尺寸的人工结构单元按特定规律排列组成的二维平面结构。这些结构单元被称为超原子，其尺寸远小于工作波长，却能与电磁波发生强烈的相互作用，赋予超表面独特的电磁特性。与传统材料依赖于自然属性对电磁波进行调控不同，超表面通过精心设计的微观结构，实现了对电磁波幅度、相位、极化等特性的灵活精确操控，突破了传统材料的限制，展现出前所未有的电磁调控能力。

超表面的基本结构单元形式多样，常见的有金属贴片、开口谐振环（SRR）、介质柱等。以金属贴片结构单元为例，其形状可以是方形、圆形、三角形等，通过改变贴片的尺寸、形状、间距以及与底层介质的参数，能够精确调控其电磁响应特性。当电磁波入射到金属贴片上时，贴片会感应出电流，这些电流产生的二次辐射与入射波相互干涉，从而改变电磁波的幅度和相位。开口谐振环结构则利用其特殊的几何形状和结构，在特定频率下产生磁共振现象，对电磁波的磁分量进行有效调控，实现对电磁波极化特性的改变 。介质柱结构单元则通过调节介质柱的介电常数、高度和排列方式，影响电磁波的传播常数，进而实现对电磁波相位和幅度的控制。

这些基本结构单元在超表面中按照一定的排列方式组合，形成了丰富多样的超表面结构。常见的排列方式包括周期性排列和非周期性排列。周期性排列的超表面具有规则的晶格结构，每个结构单元在空间上呈周期性重复分布，这种排列方式使得超表面在某些频率范围内表现出明显的带隙特性，能够对特定频率的电磁波进行反射或透射，常用于滤波器、频率选择表面等应用中。例如，基于周期性金属贴片阵列的超表面可以设计成窄带滤波器，通过调整贴片的尺寸和间距，精确控制滤波器的中心频率和带宽，实现对特定频率信号的高效筛选。非周期性排列的超表面则打破了传统的周期性规则，结构单元的排列具有一定的随机性或按照特定的非周期图案分布。这种排列方式赋予超表面更灵活的电磁调控能力，能够实现对电磁波波前的任意整形、异常折射和反射等特殊现象。如基于非周期性介质柱排列的超表面可以实现对电磁波的聚焦和波束扫描功能，通过巧妙设计介质柱的位置和参数，将电磁波聚焦到特定的区域，或者实现波束在空间中的连续扫描，满足不同应用场景对波束指向和聚焦特性的需求。

超表面对电磁波的特殊调控能力源于其人工设计的微观结构与电磁波的相互作用机制。当电磁波入射到超表面时，超表面的结构单元会对入射波产生散射和干涉作用。根据电磁学原理，结构单元中的电子在电磁波的作用下会发生振荡，产生感应电流和感应电磁场。这些感应电磁场与入射波相互叠加，改变了电磁波的传播特性。通过精确设计结构单元的电磁参数，如电阻、电容、电感等，以及它们之间的耦合关系，可以实现对电磁波幅度、相位和极化的精确控制。例如，通过调整结构单元的尺寸和形状，改变其等效电容和电感，从而控制感应电流的大小和相位，实现对电磁波幅度和相位的调控；通过设计具有特定对称性的结构单元，实现对电磁波极化方向的旋转和转换。这种基于微观结构设计的电磁波调控方式，使得超表面能够实现传统材料难以达到的电磁功能，为天线技术的发展带来了新的机遇。

超表面天线的工作原理基于超表面对电磁波的独特调控能力，其核心在于通过精心设计的超表面结构，实现对电磁波幅度、相位、极化等特性的精确控制，从而完成信号的发射与接收过程。从本质上讲，超表面天线将传统天线中复杂的三维结构简化为二维平面结构，利用超表面的亚波长结构单元与电磁波的相互作用，实现了对天线辐射特性的灵活调控。

在信号发射过程中，超表面天线首先将来自射频源的电信号转换为电磁波信号。传统天线通常通过金属导体中的电流分布来产生电磁波辐射，而超表面天线则借助超表面的特殊结构，对电流分布进行优化，从而实现更高效的电磁波发射。具体来说，超表面的结构单元会对电流产生散射和耦合作用，使得电流在超表面上形成特定的分布模式。这种分布模式能够激发超表面产生与入射电流相位和幅度相匹配的感应电流，进而产生特定方向和极化特性的电磁波辐射。例如，通过设计超表面结构单元的尺寸和形状，使其在特定频率下与入射电流发生共振，能够增强感应电流的强度，提高电磁波的辐射效率。

超表面天线能够实现对发射信号的相位和幅度进行精确控制，从而实现波束的灵活调控。根据惠更斯原理，电磁波的波前可以看作是由无数个次波源发出的球面波叠加而成。超表面天线通过在二维平面上精确控制各个结构单元对电磁波的相位延迟和幅度调制，改变了次波源的相位和幅度分布，进而实现对电磁波波前的整形和控制。通过在超表面上设计不同的相位分布，可以实现波束的扫描、聚焦和多波束形成等功能。当需要将波束扫描到不同方向时，超表面天线可以通过改变结构单元的参数，如电容、电感或电阻等，调整每个单元对电磁波的相位延迟，使得电磁波在不同方向上的叠加效果发生变化，从而实现波束在空间中的扫描。在多波束形成方面，超表面天线可以通过设计特定的相位分布，同时在多个方向上产生高强度的辐射波束，实现对多个目标的同时探测和通信。

在信号接收过程中，超表面天线的工作原理则是上述发射过程的逆过程。当外界电磁波入射到超表面天线上时，超表面的结构单元会与入射电磁波发生相互作用，产生感应电流。这些感应电流在超表面上形成特定的分布，然后通过天线的馈电网络将感应电流转换为电信号输出，供后续的信号处理单元进行分析和处理。超表面天线在信号接收时同样能够利用其对电磁波相位和极化的调控能力，提高信号的接收质量和抗干扰能力。在复杂的电磁环境中，超表面天线可以通过调整自身的结构参数，使得对特定方向和极化的电磁波具有更高的接收灵敏度，同时抑制其他方向和极化的干扰信号。通过设计超表面的极化选择特性，使其只对特定极化方向的电磁波产生感应电流，从而有效抑制了其他极化方向的干扰信号，提高了信号的信噪比。

超表面天线对电磁波极化特性的调控是其工作原理的重要组成部分。极化是指电磁波电场矢量在空间的取向随时间变化的方式，常见的极化方式有线性极化、圆极化和椭圆极化。超表面天线通过设计具有特定几何形状和排列方式的结构单元，能够实现对电磁波极化方式的灵活转换和控制。例如，利用具有手性结构的超表面单元，可以实现线极化波与圆极化波之间的相互转换；通过设计非对称的超表面结构单元，可以实现对椭圆极化波的精确调控，改变其椭圆率和旋向。这种对极化特性的灵活调控能力，使得超表面天线在电子战中具有重要的应用价值，能够适应不同极化方式的信号发射与接收需求，同时还可以通过极化分集技术提高通信和侦察的可靠性和准确性。

超表面天线相较于传统天线，在多个关键性能方面展现出显著优势，这些独特特性使其在电子战等领域具有广阔的应用前景。

在小型化和轻量化方面，超表面天线具有明显的优势。传统天线为实现特定的电磁性能，往往需要较大的物理尺寸和复杂的三维结构。例如，常见的抛物面天线，为了获得高增益，其口径尺寸通常较大，体积和重量都不容忽视，这对于一些对平台负载能力有限的应用场景，如无人机、卫星等，会带来很大的限制。而超表面天线基于二维平面结构设计，通过亚波长尺寸的人工结构单元对电磁波进行调控，极大地减小了天线的物理尺寸。这些人工结构单元可以在微观层面进行精细设计，使得超表面天线在保持高性能的同时，实现了小型化和轻量化。研究表明，与相同功能的传统天线相比，超表面天线的体积可以减小数倍甚至数十倍，重量也大幅降低，这使得它能够更方便地集成到各种小型化的作战平台上，提高平台的机动性和灵活性。

超表面天线的可重构性是其另一大突出特性。传统天线的波束指向、极化方式等特性在设计完成后通常是固定的，难以根据实际需求进行实时调整。在电子战中，战场电磁环境复杂多变，需要天线能够快速适应不同的作战场景。超表面天线通过改变其结构单元的电磁参数，如电容、电感、电阻等，或者通过控制结构单元的开关状态，可以实现天线辐射特性的快速重构。通过加载不同的控制信号，可以使超表面天线在不同的波束指向之间快速切换，实现对不同方向目标的探测和干扰；还可以灵活改变极化方式，以适应不同极化特性的信号传输和对抗需求。这种可重构性使得超表面天线能够在复杂的电磁环境中始终保持最佳的工作状态，大大提高了电子战装备的作战效能。

多频段工作能力也是超表面天线的重要优势之一。随着电子战技术的发展，电子设备需要在多个频段上进行通信、侦察和干扰等操作。传统天线往往只能在单一频段或有限的几个频段内工作，难以满足多频段的需求。超表面天线通过合理设计其结构单元和布局，可以实现多频段的工作。一种常见的设计方法是利用超表面结构单元的多谐振特性，通过调整结构单元的尺寸和形状，使其在不同的频率下产生谐振，从而实现对多个频段电磁波的有效辐射和接收。此外，还可以通过将不同频段的超表面结构进行复合设计，实现超表面天线在更宽频段范围内的工作。超表面天线的多频段工作能力，使其能够在电子战中同时对多个频段的信号进行处理，增强了电子战装备的功能多样性和适应性。

超表面天线在小型化、轻量化、可重构性和多频段工作等方面的独特优势，使其成为电子战领域极具潜力的新型天线技术。这些优势将为电子战装备的性能提升和功能拓展提供有力支持，推动电子战技术向更高水平发展。