光透明损耗薄膜上的低衰减端射漏波态

周子恒 ,  张永健 ,  郑依琳 ,  陈克 ,  高跃明 ,  葛悦禾 ,  李越 ,  冯一军 ,  陈志璋

Engineering ›› 2024, Vol. 43 ›› Issue (12) : 75 -84.

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Engineering ›› 2024, Vol. 43 ›› Issue (12) : 75 -84. DOI: 10.1016/j.eng.2024.09.014
研究论文

光透明损耗薄膜上的低衰减端射漏波态

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摘要

高性能光学透明射频天线的发展受制于透明导电薄膜（TCF）固有损耗问题。本研究提出了通过漏波模式操控抑制TCF衰减效应的创新方法，在不依赖TCF电学性能提升的条件下显著增强射频辐射。本文研究发现，通过精确控制玻璃加载的TCF结构上的模式束缚度，可为漏波模式低衰减传输打开窗口，使得由TCF损耗和漏波引起的总衰减得以有效降低。所观测到的低衰减漏波状态可在特定玻璃层厚度下实现，其背后机理是漏波衰减与TCF损耗之间的平衡。通过抑制行漏波衰减扩展辐射孔径面积，本文开发了一种光学透明天线，其增强的端射增益超过15 dBi，辐射效率达66%。因此，该光学透明天线可提供良好的无线传输性能，赋能泛在无线通信和感知应用的发展。

Abstract

The development of high-performance optically transparent radio frequency (RF) radiators is limited by the intrinsic loss issue of transparent conductive films (TCFs). Instead of pursuing expensive endeavors to improve the TCFs’ electrical properties, this study introduces an innovative approach that leverages leaky-wave mode manipulation to mitigate the TCFs’ attenuating effect and maximize the RF radiation. Our finding reveals that the precise control of the mode confinement on glass-coated TCFs can create a low-attenuation window for leaky-wave propagation, where the total attenuation caused by TCF dissipation and wave leakage is effectively reduced. The observed low-attenuation leaky-wave state on lossy TCFs originates from the delicate balance between wave leakage and TCF dissipation, attained at a particular glass cladding thickness. By leveraging the substantially extended radiation aperture achieved under suppressed wave attenuation, this study develops an optically transparent antenna with an enhanced endfire realized gain exceeding 15 dBi and a radiation efficiency of 66%, which is validated to offer competitive transmission performance for advancing ubiquitous wireless communication and sensing applications.

关键词

天线 / 端射辐射 / 低衰减 / 材料损耗 / 透明导电薄膜

Key words

Antennas / Endfire radiation / Low attenuation / Material losses / Transparent conductive films

引用本文

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周子恒,张永健,郑依琳,陈克,高跃明,葛悦禾,李越,冯一军,陈志璋. 光透明损耗薄膜上的低衰减端射漏波态[J]. 工程（英文）, 2024, 43(12): 75-84 DOI:10.1016/j.eng.2024.09.014

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1 背景介绍

将信号源或导波结构中的射频功率转化为自由空间辐射[1‒2]是物理和工程领域的基础课题。该过程在无线通信[2‒3]、无线电力传输[2,4]、遥感[5]以及生物医学成像[6‒7]等广泛领域中发挥着关键作用。大量研究致力于通过天线产生并调控射频辐射；这些天线通常由非透明金属结构[2]构成，具体包括漏波结构[8‒16]、开放型谐振器[17‒21]以及人工设计材料[22‒24]等。近年来，光学透明天线[25‒30]的概念引起了学术界与工业界的广泛关注。光学透明天线旨在实现与传统非透明天线等同的无线收发功能，且不影响可见光资源的利用[25‒28]。该类型天线可以隐形集成到各种透明平台中，如窗户[31‒32]、太阳能电池板[33‒35]和显示屏[36‒39]，为泛在无线通信和感知应用提供了广阔的前景。

为实现光学透明天线的概念，以透明导电薄膜（TCF）为形式的透明导体至关重要。现有TCF主要包括两大类：透明导电氧化物薄膜[25,40‒42]和金属网格薄膜[25,43‒48]。透明导电氧化物薄膜，如氧化铟锡（ITO）薄膜[38‒40]，具有较好的光学透过率，并且能够通过沉积技术[25,40‒41]大规模生产。然而，透明导电氧化物薄膜的高射频方阻（通常为数Ω·sq-1）显著制约了其高辐射性能的实现[25,40‒42]。金属网格薄膜方阻虽然相对较低，为0.5 Ω·sq-1量级[25,43‒48]，但微纳金属网格引起的光衍射效应会对光学成像和显示产生不利影响[38]。

导电薄膜难以同时实现高光学隐形性和低表面电阻，这在物理上归因于光学透过率与载流子密度[28,39‒41]之间的相互约束。为了增强均匀TCF的光学透过率，一种可行的方式是将其等离子频率（即允许光通过的阈值频率）降低到可见光范围以下；然而，这意味着需要更小的载流子密度，从而导致电导率降低[39‒41]。因此，TCF表征为光学透明的低频有耗薄膜[25,40]。TCF的固有损耗问题严重限制了光学透明天线的性能[25‒27,31‒32,37‒39,46,49‒55]。首先，TCF中显著的欧姆损耗会降低辐射效率，即辐射功率与天线输入功率的比值。此外，TCF结构中电磁波的快速衰减特性阻碍了大电尺寸孔径的构筑，从而影响定向辐射激发。作为辐射器关键指标，天线增益衡量将辐射功率集中在特定方向的能力。由于TCF损耗引起的辐射效率和方向性的限制，当前文献中大多数光学透明天线[25‒27,31‒32,37‒39,46,49‒55]的增益明显低于对应非透明金属天线。为提高光学透明天线的辐射性能，Song等[56]提出了选择性地金属化高电流密度边缘的方法，将天线的增益从-5 dBi提高到0 dBi，效率从38%提高到68%。此外，引入金属纳米层沉积技术[57]可一定程度提高天线效率，但不可避免地降低了其光学透明性。

TCF高透光率与低方阻之间存在固有矛盾[39‒40,58]，仅通过材料工艺研究提高光学透明天线辐射性能极具挑战。本文提出通过操控TCF上电磁漏波模式以抑制其衰减效应。拟研究以TCF为地的玻璃波导（GSW）结构（将其简称为TCF-GSW），分析发现其基本横磁传播模式所携带的射频功率主要分布在空气区域而非TCF附近，从而有效抑制了TCF上的欧姆损耗。由TCF损耗和漏波引起的总衰减可以在特定玻璃层厚度下达到最小，对应激发特殊的低衰减模式，为高增益端射辐射提供良好条件。所设计的光学透明漏波天线具有扩展的孔径尺寸，为7.9λ 0 × 1.9λ 0（λ 0表示频率f 0 = 8.6 GHz下的自由空间波长），天线光学透过率高于80%。实验验证天线在f 0频率下实现了15.2 dBi的高增益和66%的辐射效率。进而，本文进行了基于光学透明天线的无线图像传输实验，以验证所提出光学透明天线的优异传输性能。得益于其光学透明性和高增益端射辐射性能，所提出的天线可以集成到车辆车顶玻璃上，用于与前方目标进行通信并检测道路上的障碍物。本文研究为实现高增益和高效率光学透明天线开辟了新的途径，为无线通信和传感应用的广泛应用提供了广阔的前景。

2 概念与理论

拟研究的TCF-GSW是一种光学透明的射频漏波结构，首先分析射频波在其中的基本传输特性。该结构由厚度为h且相对介电常数为ε r的玻璃层组成，玻璃层以方阻R s的TCF为地。TCF-GSW结构紧凑，其体积仅为纯介质波导的一半。此外，接地结构还有效地消除了射频功率在介质波导下方的泄漏，从而避免了天线安装在车辆玻璃上时潜在的射频场泄漏问题。如图1（a）～（c）所示，通过调整玻璃层的厚度h，可有效控制TCF-GSW的模式束缚度和行漏波衰减行为。该调控方案可最小化由功率泄漏和TCF损耗引起的总衰减常数，这对于扩展漏波辐射孔径并最大化GSW端射方向的增益至关重要[图1（b）]。

如图1（a）～（c）所示，对于沿+y轴延伸的二维（2D）TCF-GSW，其横磁模式的电磁场沿着玻璃层的横向方向（+z轴）表现为余弦或正弦变化（0 < z < h），而在空气中（z > h）则表现为指数衰减的行为[59]。根据附录A中的第S1节的推导，其横磁模式相位常数β的色散方程为：

ε r β 2 - k 0 2 = ε r k 0 2 - β 2 t a n   ε r k 0 2 - β 2 h

式中，k 0表示自由空间波数。对于TCF-GSW横磁基模，其相位常数β可以从方程（1）中解得，并渐近地表示为：

β ≈ k 0 1 + 1 2 ε r - 1 ε r 2 k 0 2 h 2

当玻璃层的厚度h显著小于自由空间波长λ 0时，由方程（2）可知增加玻璃层厚度将导致相位常数的增加，或等效地降低相位速度。在此，分别用P air和P slab表示在空气和玻璃层中的传输功率，用P total = P air + P slab表示TCF-GSW中的总传输功率。P air和P slab的具体表达式见附录A中的第S1节。图1（d）展示了依赖于归一化玻璃层厚度h/λ₀的功率理论比值P air/P total和P slab/P total。随着玻璃层厚度的增加，传输功率倾向于集中在玻璃层内，而非扩展分布到空气中。

空气和玻璃层中的功率布控使得TCF-GSW中的波场束缚度能够被调节，从而能够精细调节波衰减和漏波特性。采用微扰法[60]计算衰减常数α TCF和α rad，分别用于衡量由于TCF损耗和功率泄漏引起的衰减。如附录A的第S2节所推导，TCF损耗导致的衰减常数α TCF的具体表达式为：

α T C F = ω ε 0 ε r 2 R s ε r β h 1 + s i n   ( 2 T h ) 2 T h + β s i n   ( T h ) 2 T 2 τ 3

式中，ε 0是真空介电常数；ω是角频率；T和τ分别表示玻璃层和空气区域中的横向波数。对于TCF的方阻R s = 3 Ω·sq-1和不同归一化玻璃层厚度h/λ₀的情况，α TCF计算结果如图1（e）中圆标记的实线所示。由于在TCF附近增强的场束缚度，TCF损耗引起的衰减常数随着归一化玻璃层厚度h/λ 0的增加而增加。由于大部分分布在空气区域中的功率不被有限高度的接收端口捕获，因此其主要贡献于端射辐射。因此，漏波辐射对应的衰减常数可近似表达为α rad = - [1/(2L)] × ln[(P total-P air)/P total]，其中TCF-GSW结构长度L设为9.2λ 0，并假设传输功率呈指数衰减分布。根据第S2节中的推导，衰减常数α rad的显式表达式为：

α r a d = - 1 2 L l n   1 + s i n c   ( 2 T h ) 1 + s i n c   ( 2 T h ) + [ T 4 h / ( ε r τ 3 ) ] s i n c 2   ( T h )

如图1（e）所示，α rad与归一化玻璃层厚度h/λ₀呈反相关关系；总衰减常数α TCF + α rad由图1（e）中的虚线曲线表示。因此，过薄或过厚的玻璃层均会导致相对较高的总衰减常数，分别对应高α rad和高α TCF。图1（a）和（c）分别展示了这两种情况下快速衰减的电场和电流分布。对于厚度接近零的玻璃层[图1（a）]，玻璃层的弱场束缚度导致功率迅速泄漏到自由空间，对应漏波引起的高衰减；在另一个极端，对于过厚的玻璃层[图1（c）]，TCF附近的强场束缚度引起表面电流| J TCF|局部增强，导致较高的欧姆损耗。如图1（e）中观察到的特殊现象，当玻璃层厚度接近0.06λ 0时总衰减常数达到最小值，对应于在最优波场束缚度下的功率泄漏和材料耗散效应平衡，使波在TCF上的传播距离最大化。

基于TCF-GSW结构波场衰减抑制机制，本文提出了一种在有耗TCF上产生高增益辐射的方法。为了将电磁功率聚焦到特定方向（即实现高增益），需要大电尺寸的天线孔径和高辐射效率。如图1（a）和（c）所示，过小或过大厚度的TCF-GSW只能提供有限孔径尺寸，原因在于其过大的功率泄漏率或TCF损耗衰减。此外，由于TCF的强损耗效应，过厚的TCF-GSW辐射效率较低。因此，如图1（a）和（c）所示的两种情况天线增益较低。然而，在如图1（b）所示的TCF-GSW总衰减抑制条件下，天线能够同时实现显著提升的孔径尺寸和辐射效率，从而使得在TCF上产生的射频辐射增益最大化。

3 数值分析

为阐释TCF-GSW中低衰减漏波模式机理，本节通过数值方法研究由损耗玻璃材料构成的TCF-GSW结构。使用数值软件Ansys HFSS®（ANSYS，美国）进行了全波分析，数值仿真的具体设置细节见附录A中的第S3节。图2（a）展示了厚度为h的三维TCF-GSW结构，其两端连接阶梯型过渡结构。玻璃层结构相对介电常数为7.3，损耗正切（tanδ）为0.008，TCF方阻设为3 Ω·sq-1。阶梯型过渡结构由相对介电常数为3.75的石英玻璃组成。激励功率从波导端口1（P1）注入，端口2（P2）则用于接收剩余功率。图2（b）展示了玻璃层厚度分别为0.7 mm（0.020λ 0）、2.0 mm（0.057λ 0）和2.6 mm（0.075λ 0）的情况下，y-z切面上的电场强度分布；数值仿真频率f 0 = 8.6 GHz。过薄的玻璃层结构（h = 0.020λ 0）导致功率迅速泄漏，限制了波传播距离。另一方面，过厚的玻璃层（h = 0.075λ 0）则导致波的束缚度过强，从而加剧了有耗TCF的衰减效应。如图2（b）中间子图所示的特殊情况，通过调整玻璃层厚度至0.057λ₀，能够实现低损耗传播状态，从而使波传播距离最大化。

图2（c）展示了从瞬时电场分布中提取的三维TCF-GSW结构的相位常数。结果在固定频率8.6 GHz下给出，并针对不同的玻璃层厚度h进行讨论。如图2（c）所示，具有较厚玻璃层的TCF-GSW具有较大的相位常数，这与方程（2）中给出的理论结果一致。该增强的慢波效应表明：随着玻璃层厚度的增加，传播模式趋向束缚于TCF表面。TCF-GSW结构的总衰减常数α total从传输和反射系数中提取，结果如图2（d）所示。总衰减常数α total可以分解为对应于漏波辐射、TCF欧姆损耗和玻璃介质损耗的三个分量，即α total = α rad + α TCF + α glass。计算衰减常数α rad、α TCF和α glass的方法在附录A的第S4节中给出，图S1展示了不同材料设置条件下的衰减常数结果。图2（e）展示了f 0 = 8.6 GHz频率下α rad、α TCF和α glass随玻璃层厚度h的变化关系。随着玻璃层厚度h的增加，由于波场束缚度增强，辐射引起的衰减常数α rad减小。然而，波场束缚度增强导致TCF-GSW结构中的功率损耗增加，从而导致α TCF和α glass增加。通过精细选择玻璃层厚度，可实现辐射引起的衰减与材料损耗引起的衰减之间的平衡，从而打开一个“低衰减窗口”，如图2（e）中的绿色阴影区域所示，因此解释了最小总衰减点的存在。

4 天线设计与测试

进而，本文提出基于TCF-GSW低衰减漏波状态设计光学透明的高增益漏波天线，天线结构如图3（a）所示。该天线基于图2（a）中展示的TCF-GSW结构，但其激励结构仅设置在左端。为了增强天线的增益，玻璃层厚度h的选择应考虑两个因素。首先，为了实现显著扩展的辐射孔径，TCF-GSW结构应工作在最小总衰减点附近，以实现低损耗的漏波传播；其次，通过使用较薄的玻璃层以得到足够功率泄漏率（即α rad）来实现较高的辐射效率。在天线增益分析的理论模型中，假设孔径场在有效孔径宽度w eff上沿x轴均匀分布，同时波场沿y轴传播，复传播常数为β - jα total（其中j为虚数单位）。孔径电流分布的示意图如附录A中的图S2所示，且根据附录A中第S5节的推导，给定玻璃层厚度h时天线增益G的角分布为：

G ( θ , φ ; h )   = η ⋅ l i m | r | → ∞ 4 π | r | 2 E ( r ) 2 ∯ | r | 2 E ( r ) 2 d Ω           = η s i n c 2 k 0 w e f f 2 s i n θ c o s φ s i n θ s i n φ - β / k 0 2 + α t o t a l / k 0 2              × s i n 2 θ s i n 2 φ + c o s 2 θ C β , α t o t a l

式中，θ和φ分别为仰角和方位角； E 为电场； r 为观察点的位矢长度；η为天线的总效率；C(β, α total)为归一化因子。在TCF-GSW的慢波工作区域，天线增益方向图G(θ,φ;h)在θ = 90°和φ = 90°的端射方向达到其峰值，所对应的最优玻璃厚度h opt通过以下公式确定：

h o p t = a r g m a x h m a x θ ∈ 0 ,   π ,   φ ∈ 0 ,   2 π G ( θ , φ ; h )        = a r g m a x h G ( θ = 90 ° , φ = 90 ° ; h )

图3（b）展示了理论计算的天线峰值增益与数值仿真结果，结果以归一化玻璃层厚度的函数呈现。理论和仿真结果均表明，天线增益最大值出现在最优厚度h opt = 0.052λ 0条件下，且最大增益值超过15 dBi。该最优解位于低衰减窗口内，即图2（d）中的阴影区域，并接近图中标记的最小总衰减点。

为阐明最优增益辐射的形成机制，图3（c）～（e）分别展示了玻璃层厚度为0.7 mm（0.020λ 0）、1.8 mm（0.052λ 0）和2.6 mm（0.075λ 0）时的电场分布和三维增益方向图。如图3（c）所示，过薄的TCF-GSW（对应h = 0.020λ 0）具有过大的功率泄漏率α rad，其漏波功率在较短传播距离内迅速衰减，导致辐射束较宽且峰值增益较低。另一方面，过厚TCF-GSW（对应h = 0.075λ₀）的波场强束缚增加了TCF衰减，从而限制了有效孔径大小和辐射效率。如图3（d）所示，通过将玻璃层厚度调节至最优值0.052λ₀，可获得超过15 dBi的高增益定向辐射，背后机理是在保证足够功率泄漏率的同时抑制了材料损耗效应。如附录A中的图S3所示，对于8.0~9.0 GHz频率范围，所提出的天线相比金属馈电喇叭天线有9.5 dB的增益提升，也进一步表明了所提出设计的有效性。附录A中的图S4展示了最优玻璃厚度0.052λ 0条件下天线性能的参数研究结果。当馈电波导宽度为16 mm时，玻璃层和TCF宽度应设定为w = 66 mm（1.89λ 0）和w 1 = 42 mm（1.20λ 0），以确保实现最优增益。

图4（a）展示了根据最优增益设计所加工的光学透明漏波天线。玻璃层采用1.8 mm厚的钠钙玻璃（ε r = 7.3，tanδ = 0.008），并以通过磁控溅射技术沉积的厚度为400 nm、方阻为3 Ω·sq-1的ITO薄膜作为地。玻璃层结构和阶梯型过渡结构通过透明丙烯酸螺丝固定。天线加工的详细信息见附录A中的第S6节。所加工的漏波天线的光学透过率通过分光光度计进行测量。如图4（b）所示，在390~900 nm的波长范围内，ITO沉积区域和裸玻璃区域的平均光学透过率超过80%，表明天线在可见光谱和部分近红外光谱中具有高透光性。

天线辐射性能通过标准的SATIMO SG-24多探针系统进行测量；测量系统如附录A中的图S5所示，其典型动态范围大于50 dB，天线增益测量上限超过30 dBi。图4（c）展示了在8.6 GHz频率下，天线在y-z和x-y切面上的测量增益角分布，数值仿真结果见附录Az中的图S6。仿真得到的天线增益三维方向图如图3（d）所示。测量和仿真结果均表明所提出的透明漏波天线的在端射方向（即+y方向）实现15.2 dBi的高增益。图4（d）展示了所提出透明天线的仿真和测量反射系数。从8.4 GHz到9.4 GHz，测得的反射系数低于-15 dB，表明天线工作频段内阻抗匹配良好。附录A中的图S7展示了所加工天线辐射效率的测量和仿真结果。在8.6 GHz时，测得和仿真的辐射效率分别为66%和69%。附录A中的图S8展示了基板厚度为1.8 mm的双端口TCF-GSW [图2（a）]和相应单端口结构[图3（a）]的反射功率、辐射功率和欧姆损耗比例。由于天线端口匹配良好，天线效率主要受限于TCF高方阻所诱导的欧姆损耗。

图4（e）展示了天线增益的测量和仿真结果。天线增益在8.6 GHz频率达到其最大值15.2 dBi。在8.15~9.25 GHz的频段内，增益变化不到1 dB，因而验证了天线在较宽带宽内的稳定辐射性能。实验结果表明，电磁场型操控所提供的自由度可以克服材料的缺陷[61]，从而实现高性能的光学透明射频天线设计。附录A中的图S9展示了不同ITO方阻下的天线仿真增益和辐射效率。尽管基于更高方阻ITO薄膜的天线可具有进一步增强的光学透过性，但其射频辐射性能会受到较大影响。在此设计中，选用方阻为3 Ω·sq-1的ITO薄膜，可实现超过80%的光学透过率，并且天线最大增益超过15 dBi。

5 基于光学透明天线的无线传输实验

光学透明高增益天线为实现同时光资源利用和高质量无线通信提供了条件。本文展示了所提出天线在高质量图像无线传输中的应用。图5（a）展示了无线图像传输系统的示意图，其中收发端天线是相同的。当系统运行时，发端控制平台将图像数据发送至通用软件无线电外设（USRP）设备，通过该设备将20 MHz带宽的基带信号调制到f 0 = 8.6 GHz的载波上并送入发射天线。而后，信号通过无线方式传输，接收天线采集到信号并将其送入收端USRP解调。最终，接收到的图像信息可以在右侧的控制平台上呈现。图5（b）展示了无线图像传输系统的实物照片，系统由两台National Instruments (NI) USRP-2954R设备和两台NI-PXle-8374控制平台组成。在实验中，收发天线水平间距为1.5 m（即在8.5 GHz频率下为43λ 0），发射功率为0.01 mW。关于无线图像传输实验的详细设置见附录A中的第S7节。根据Friis传输方程[62]，接收信号强度与收发天线的增益直接相关，增强天线增益有助于提高无线传输质量。

本研究进行了三幅图像无线传输的测试，图像尺寸分别为1020像素× 1376像素、900像素× 1376像素和918像素× 1376像素。原图为图5（c）～（e）中最左侧的子图。对于每组测试，本文比较了编号antennas 0~3四种收发天线的传输性能。Antenna 0是非透明的金属漏波天线，由以铜膜（表面电阻为0.025 Ω·sq-1）为地的玻璃波导构成，结构见附录A中的图S10。Antennas 1~3是以ITO薄膜（方阻R s = 3 Ω·sq-1）为地的玻璃波导光学透明天线，玻璃层厚度分别为h = 0.052λ 0、0.020λ 0和0.075λ 0。Antennas 0~3的端射增益分别为16.5 dBi、15.2 dBi、7.1 dBi和3.5 dBi。在采用不同天线的条件下，接收到的图像分别展示在图5（c）～（e）的右侧四个子图中，接收信号的星座图见附录A中的图S11。图5中红色实线框内展示的是使用最优增益为15.2 dBi的光学透明antenna 1获得的结果。在这种情况下，接收到的图像与原始图像相比没有失真。相比之下，当无线收发基于光学透明天线antennas 2、3，即由过薄或过厚的TCF-GSW构成时，图像质量显著恶化。图5（c）中的第二和第三列分别展示了采用光学透明高增益天线（antenna 1）和非透明金属天线（antenna 0）进行实验所得的图像。尽管antenna 1的ITO薄膜方阻比antenna 0的铜膜表面电阻高两个数量级，所提出的设计方法能够将光学透明ITO天线的性能提高到接近非透明金属天线的水平。

6 讨论与结论

表1对比了所提出的光学透明天线与近期研究中提出的其他典型设计[37‒38,51‒56]。所对比的定向辐射光学透明天线基于谐振辐射结构构建，包括贴片[38,51,53,56]、单极天线[55]、复合右/左手（CRLH）超材料[37]、腔体背板槽[52]和接地背板槽[54]。如表1所示[37‒38,51‒56]，本文基于低损耗漏波结构的光学透明天线实现了较高的光学透过率、增强的辐射效率以及较高的天线增益，其增益线性值比其他设计高3.5倍以上。此外，所提出的天线具有显著提高的口面效率（即较高的天线增益线性值峰值与口径面积之比），充分反映了所提出设计的综合优势。

近年来，人工电磁结构中的波场束缚度调控取得了显著进展，如人工表面等离激元（SSPP）结构[63‒65]。本研究通过波场束缚度操控，有效抑制TCF的衰减效应，达到有耗TCF光学透明漏波结构的最佳辐射状态。作为一种新兴概念和技术，多功能超表面[66‒68]因其能够灵活操控波的幅度、相位和极化而引起了广泛关注。将超表面技术融入光学透明漏波天线设计，以增强光学透明天线功能，将是未来研究的一个重要方向。

本文提出了最大化有耗TCF端射辐射增益的理论和方法，解决了由有损耗TCF制成的射频天线通常存在的低效率和低增益问题。该方法利用了TCF-GSW中的漏波模式调控，有效减轻了TCF的衰减效应，而无需从材料方面提高TCF的导电性。通过控制TCF-GSW结构中的横向波场束缚度，避免了波在损耗性TCF附近过强的场局域，从而显著抑制了由TCF损耗引起的衰减。进而，本文推导出极小化衰减对应的TCF-GSW最佳厚度，以抑制由材料损耗和功率泄漏引起的总衰减，为有耗TCF上的高增益辐射创造重要条件。利用该低衰减漏波态，本文提出了一种光学透明的天线，具有扩展的孔径尺寸（7.9λ 0 × 1.9λ 0）和高光学透过率（> 80%）。实验结果验证了该天线可提供15.2 dBi的峰值增益和66%的较高辐射效率。综上所述，本文提供了一种高效的漏波模式调控方法来实现有耗TCF射频衰减抑制，为实现高性能的光学透明天线并赋能泛在无线通信和感知应用提供了新途径。

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