基于分区式异步时空编码超表面实现多频电磁波和信号的联合调控

     如今，多载频电磁波的联合调控技术被广泛地应用于雷达探测、无线通信以及微波成像等众多领域。在传统的射频架构中，对多频电磁波的调控常常是在射频电路中完成，具有高复杂度、高功耗、高成本以及难以与天线集成等问题。

图1. 基于分区式异步时空编码超表面实现多频电磁波和信号联合调控概念图

    随着对时空编码超表面[2]研究的深入，人们发现其可直接对电磁波的频谱和空间谱进行灵活调控。因此，研究人员曾提出利用时空编码超表面实现多谐波的联合调控[3][4]。然而，进一步的研究表明，该方法受到谐波间纠缠的限制，能够同时控制的谐波数量有限[5]。为此，本文提出了一种基于分区式异步时空编码超表面[6]的多频电磁波联合调控方法（见图1）。在单频激励下，异步时空编码超表面能够将自身分成若干个相互独立的工作分区并进行不同的频率调制。不同分区所产生的非线性频率不再保持谐波关系，因此自然地打破了谐波纠缠的限制。进一步地，通过精心设计每一个分区内的编码序列，可实现该分区中频率分量及其携带信号的独立精准调控。因此，整个异步时空编码超表面可完成多频电磁波和信号的联合控制。

图2. 基于异步时空编码超表面的无线通信发射机，用于构建频分复用无线通信系统。（a-h）八个工作频点下的星座图及恢复的图片

    为证明利用异步时空编码超表面在多频电磁波联合调控方面的有效性，论文设计了基于异步时空编码超表面的无线通信发射机，并构建了新体制频分复用无线通信系统。在实验中，作者通过一块异步时空编码超表面即可将八流数字信息同时调制到八个不同的频率上，并最终完成八张图片的传输。实验结果表明，在无需传统射频电路的条件下，分区式异步时空编码超表面具有灵活调控多频电磁波和信号的能力。该多频联合调控方法为简化无线系统架构提供了一条低复杂度、低功耗、低成本的技术路径。 

崔铁军，东南大学首席教授，中国科学院院士，IEEE Fellow，东南大学毫米波全国重点实验室主任，东南大学电磁空间研究院院长，长期从事电磁超材料和计算电磁学的研究工作，创建了信息超材料新体系，负责开发了自主可控的电磁专用仿真软件，取得了显著的经济效益与社会效益。研究成果入选2010年中国科学十大进展、2021年全国高等学校十大科技进展、2023年国际基础科学大会前沿科学奖等，作为第一完成人获2011年教育部自然科学一等奖、2014年国家自然科学二等奖、2018年国家自然科学二等奖等。 

程强，东南大学首席教授，毫米波全国重点实验室副主任，国家自然科学基金杰出青年基金获得者，长江学者奖励计划青年学者，江苏省首批杰出青年基金获得者，并获教育部新世纪优秀人才支持计划、江苏省333人才工程以及江苏省六大人才高峰计划资助，IEEE 高级会员，长期从事电磁超材料研究工作，入选科睿唯安全球高被引学者。研究工作入选2014年和2018年国家自然科学奖二等奖，2010年度中国科学十大进展、2011年度教育部自然科学一等奖和2021年度中国高等学校十大科技进展。 

戴俊彦，东南大学副研究员，博士毕业于东南大学，曾任香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室博士后研究员。入选中国科协青年人才托举工程，东南大学紫金学者。主要研究方向为信息超材料、智能超表面及其在通信、成像、雷达、电子对抗中的研究与应用。研究工作获得第48届日内瓦国际发明展金奖。 

柯俊臣，博士毕业于东南大学。主要研究方向为时空编码超表面设计及其在无线通信、雷达中的应用。 

周群焰，东南大学毫米波全国重点实验室博士研究生。主要研究方向为时空编码超表面设计及其在无线通信、雷达中的应用。 

王思然，东南大学毫米波全国重点实验室博士研究生，硕士毕业于北京航空航天大学电子信息工程系。目前主要研究方向包括信息超材料、智能超表面及其在无线通信、成像、雷达、电子对抗中的研究与应用。