研究背景
成果简介
近日，东南大学电磁空间科学与技术研究院、毫米波国家重点实验室崔铁军院士、程强教授课题组与移动通信国家重点实验室金石教授课题组在信息超材料领域取得新进展，利用时空编码数字超表面将信息直接加载到电磁波的空间谱和频率谱特征上，实现了空分和频分复用的无线通信新体制。研究成果以“A wireless communication scheme based on space- and frequency-division multiplexing using digital metasurfaces”为题，于2021年3月18日发表在国际知名期刊《自然·电子学》（Nature Electronics）上。东南大学为第一署名单位，论文通讯作者为崔铁军院士、程强教授和金石教授，第一作者为东南大学张磊博士；合作者还包括东南大学博士生陈明正、唐万恺、戴俊彦、苗龙和周小阳老师。
自2014年崔铁军院士课题组提出“数字编码与可编程超材料/超表面”的概念以来（Light: Science & Applications 3, e218, 2014），相关研究一直是国际超材料领域的热点。数字超表面通过改变编码序列来操控电磁波的辐射或散射特性，可以简化设计流程，便于仿真优化和加工测试；也使得在物理空间上进行信息编码与处理成为可能。数字编码的表征方式也在物理世界与数字世界之间建立了纽带，可以从信息科学的角度来研究超表面，形成了“信息超材料/超表面”的新体系（Journal of Materials Chemistry C 5, 3644-3668, 2017; iScience 23, 101403, 2020）。信息超表面能够实时操控电磁波、直接处理数字信息，并能进一步对信息进行感知、学习和认识。2018年，“时空编码数字超表面”概念的提出统一了空间域和时间域的编码，可以同时在空间域和频率域进行电磁调控和信息处理（Nature Communications 9, 4334, 2018），拓展了信息超表面的应用范围。
为了进一步提升时空编码数字超表面对电磁信息的强大调控能力，研究人员在该工作中利用时空编码数字超表面来精准地调控电磁波传播方向和谐波频谱分布，集能量辐射和信息调制功能于一体，同时在时间域和空间域编码并处理数字信息。通过优化时空编码矩阵，将信息直接加载到电磁波的空间谱和频率谱特征上，形成了空分复用和频分复用的新体制无线通信方法。根据目标用户数量和空间位置，采用预先设计的直接信息编码方案可以同时、独立地与多个用户进行实时信息传输，无需数模转换和混频过程（如图1所示）；同时还具备了方向调制的安全通信特性，在非目标位置的用户无法正确解调信息。
小结
总之，这种基于时空编码数字超表面的新体制复用无线通信系统，具有成本低廉和结构简单的优势，省去了传统空分和频分复用技术中所需的天线阵列、混频器、滤波器等射频部件。时空编码数字超表面提供了一种低成本和低复杂度的方案来实施空分和频分复用技术，在未来新体制无线通信和雷达系统中具有广阔的应用前景。美国佐治亚理工学院的Shuai Nie和Ian F. Akyildiz教授在Nature Electronics上以“Metasurfaces for multiplexed communication”为题对该工作进行了专题介绍（Nature Electronics, doi.org/10.1038/s41928-021-00555-3, 2021）。
文章链接:（点击“阅读原文”查看英文文献）
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00554-4
拓展阅读：
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00555-3
https://devicematerialscommunity.nature.com/posts/metasurface-physics-helps-establish-a-new-wireless-communication-scheme
稿件来源：张 磊
编 辑：邵睿文
审 核：崔铁军
本文来源：电磁空间科学与技术研究院
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