本文提出了一种基于单层石墨烯的全固态、电可调、反射式太赫兹超表面阵列，能够在太赫兹波段实现从0°到352.5°的连续相位调控。通过优化超表面结构参数，平均反射率可达68.3%，反射率变化范围最大仅为30%。研究进一步模拟了通过调节石墨烯费米能级实现电控太赫兹相控阵的功能，反射波束最大偏转角为46.05°，角度分辨率可达1.10°，且旁瓣能量仅为主瓣的1.06%。其基本原理是利用石墨烯的费米能级可调特性，通过外加电压改变其电导率，从而调节超表面的谐振特性，实现对反射相位的连续控制。结合相控阵理论，通过设计特定的相位梯度，可实现高效、低旁瓣的波束偏转。
图1.超表面结构示意图与单元尺寸
图2.不同费米能级下的反射率与相位响应
图2展示了在不同石墨烯费米能级（从0.44 eV到0.45 eV）下，超表面在6.0–7.5 THz范围内的反射率与相位变化。随着费米能级的增加，谐振频率发生蓝移，相位在特定频率（如6.96 THz）处发生突变。该现象为实现电控相位调制提供了基础，表明通过调节费米能级可以在固定频率下实现大范围相位控制。
图3.反射相位与反射率随费米能级变化曲线
显示了在6.96 THz频率下，反射相位和反射率随石墨烯费米能级从0.3 eV到0.5 eV的变化关系。相位变化范围达到352.5°，覆盖几乎整个2π周期，而反射率变化幅度控制在30%以内，平均反射率达68.3%。这说明该超表面在实现宽相位调谐的同时，保持了较高的反射一致性和能量利用率，为低旁瓣相控阵设计提供了保障。计提供了保障。
图4.波束偏转模拟结果与电场分布
展示了基于相位梯度设计的超表面在不同偏转角下的远场方向图与反射电场分布。目标偏转角分别为13.83°、21.02°和45.83°，仿真结果显示实际偏转角分别为13.88°、21.10°和46.05°，旁瓣能量占比均低于1.06%。电场分布图进一步验证了波束的清晰偏转与低旁瓣特性，证明了该超表面在波束控制中的高效性与精确性。
Q1：为什么反射率的变化会影响相控阵的旁瓣水平？本文是如何控制这一影响的？
A1：在相控阵设计中，理想的相位调制应伴随着恒定的反射幅度，以保证各单元辐射一致，避免因幅度不均引入不必要的衍射旁瓣。若反射率随相位变化剧烈，则会破坏阵列的幅度一致性，导致波束质量下降。本文通过优化SiO₂介质层厚度（h = 6 μm）和石墨烯结构参数，使得在6.96 THz频率下，相位调制范围达352.5°的同时，反射率变化范围仅为30%，从而有效抑制了旁瓣能量，使其仅为主瓣的1.06%。
Q2：本文提出的石墨烯超表面是如何实现相位连续可调的？其物理机制是什么？
A1：该超表面通过外加电压调节石墨烯的费米能级，从而改变其表面电导率，影响结构的等效阻抗和谐振频率。在固定工作频率下，费米能级的变化会引起谐振条件的偏移，进而改变反射相位。由于石墨烯的费米能级可在一定范围内连续调节，因此相位也可以实现连续变化。本文中，在0.43 eV至0.49 eV的费米能级范围内，相位实现了从-119.65°到177.03°的连续覆盖，接近360°。
Q3：本文提出的相控阵在实现大角度波束偏转时，如何保证低旁瓣和高分辨率？
A3：本文采用“超像素”设计策略，将多个相邻单元组合成一个像素，并赋予相同的相位控制电压，以降低制造复杂度和控制难度。同时，通过设计合适的相位梯度（如每像素90°相位差）和调整超像素周期数N，实现了对不同偏转角度的精确控制。仿真结果显示，在最大偏转46.05°时，旁瓣能量仅为主瓣的1.06%，且FWHM随阵面尺寸增大而减小，最高分辨率可达1.0°左右。这说明该设计在相位一致性和幅度稳定性方面表现出色，能够在大角度扫描中保持良好的波束质量。
Tunable graphene-based metasurface for an ultra-low sidelobe terahertz phased array antenna
https://doi.org/10.1364/OE.433200
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