综述|东南大学电磁空间研究院：时空编码数字超表面的原理与应用

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近日，东南大学崔铁军课题组以时空编码数字超表面的工作原理与应用为主线，系统地介绍了该领域的重要研究成果，并对未来的发展方向和面临的挑战做出了展望。该综述论文以“Space-Time-Coding Digital Metasurfaces: Principles and Applications”为题发表在Research上（DOI: 10.34133/2021/ 9802673）。

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近年来，具有时空变化特性的时空调制超表面成为国际超材料领域的前沿方向，引起了国内外学者们的广泛研究。时空调制超表面突破了传统空间调制超表面的局限，产生了一些重要的应用，例如光学隔离器、非互易、频率转换、多普勒隐身、谐波生成等。然而，目前大多数时空超表面的连续参数表征方法都可以归类为“模拟调制”，以理论分析和数值仿真研究为主，实验验证仍受限，因此一定程度上限制了时空超表面的发展和应用。

与此同时，基于数字编码的信息超表面具备现场可编程和实时调控电磁波的能力（DOI: 10.1016/j.isci.2020.101403），可作为一个强大的通用平台来实施时空参数调制。时空编码数字超表面通过设计时间编码序列来控制谐波分布，结合空间编码排布，能同时在空间域和频率域调控电磁波，即控制电磁波的空间传播方向、波束、波形和谐波频谱能量分布。时空编码数字超表面的提出极大地推动了时空超表面的发展（DOI: 10.1038/s41467-018-06802-0），凭借数字编码的方式和简单的硬件架构来执行时空调制，可以在时、空、频域内对电磁波进行多维度调控，呈现出蓬勃的发展趋势。

图1 时空编码数字超表面的原理示意图及代表性应用

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在该综述论文中，作者首先阐述了空间编码数字超表面和时空联合编码数字超表面的基本概念及工作原理，接着系统地介绍了时空编码数字超表面的最新研究进展和重要应用，主要包括谐波波束扫描、波束赋形、散射能量缩减、可编程非互易效应、多比特可编程相位生成、非线性谐波调控、频率/极化综合、多谐波独立调控、新架构无线通信系统、以及多维复用无线通信等。最后，文章总结了时空编码数字超表面调控电磁波和处理数字信息的主要应用场景，分析了在未来智能超表面通信中的应用潜力，并展望了时空编码数字超表面未来发展的新方向和面临的新挑战。总之，这种基于时空编码策略的数字超表面为实现新体制电磁信息系统提供了途径，在下一代无线通信、雷达、成像等系统中具有广阔的应用前景。

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崔铁军，中国科学院院士，东南大学首席教授，IEEE Fellow，长期从事电磁超材料和计算电磁学研究。创造性地提出从信息科学角度研究超材料的思想，提出数字编码和可编程超材料及其控制电磁波的新方法，创建了信息超材料新体系；提出了电磁波与复杂目标及环境相互作用的一系列高效算法，开发了具有自主知识产权的系列专用电磁仿真软件；在中国航天、航空、电子和船舶等工业部门进行了大量应用，取得了显著的经济效益与社会效益。发表学术论文500余篇，被引用36800余次（H因子95）。研究成果入选2010年中国科学十大进展、2016年中国光学重要成果；获2011年教育部自然科学一等奖、2014年国家自然科学二等奖、2016年军队科学技术进步一等奖、2018年国家自然科学二等奖。

张磊，博士，现为东南大学毫米波国家重点实验室博士后，入选2021年度博士后创新人才支持计划。主要从事电磁超材料、时空编码数字超表面以及新型天线设计等方向的研究。目前在国际著名刊物Nature Electronics、Nature Communications、Advanced Materials、IEEE Transactions等发表学术期刊论文40余篇，曾获得2019年度宝钢优秀学生特等奖、第六届亚太天线与传播会议最佳学生论文奖、中国光学优秀论文奖等。

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