时空数字编码超表面- 大数跨境

两江科技评论

2018-10-25

导读：东南大学崔铁军教授课题组和意大利萨内奥大学Vincenzo Galdi副教授合作，提出了时空调制数字编码超表面的一般理论，在空间域和频域同时操作EM波，即可以同时控制传播方向和谐波功率分配。数值和实验

导读

近日，东南大学崔铁军教授课题组和意大利萨内奥大学Vincenzo Galdi副教授合作，提出了时空调制数字编码超表面的通用理论，实现了在空间域和频域同时操作电磁波，即可以同时控制传播方向和谐波功率分配。他们通过验证性应用示例——谐波波束控制、波束整形和散射特征控制，实现了由FPGA控制的编码超表面原型器件。数值和实验结果一致，证明了所提出方法的优异性能。相关成果以“Space-time-coding digital metasurfaces”为题发表在《Nature Communication》上。

背景

作为一种全新的电磁超材料，数字编码超材料利用二进制的数字状态“0”和“1”来表示反射波或透射波的幅度或相位，实现了对超材料的电磁特性数字化表征，极大地简化了超材料的设计和优化过程，并且可以根据应用需求实现对电磁波的实时调控。通过将编码单元按照不同的数字序列排列在阵面上，便可以实现具有相应不同功能的数字编码超表面。由于其单元状态为有限的二进制数字状态，因此利用现场可编程门阵列（FPGA）控制加载在单元结构中有源器件，实现对编码状态及整体功能的实时调控。编码超表面的应用场景不限于微波频率，目前的研究已经扩展到太赫兹频带以及声学场。

然而，现有的数字编码仅利用了相位的辐角部分，并没有体现出相位编码的全部特性，而对相位编码序列的运算研究也仅限于数字序列的标量叠加，限制了数字编码超材料的多功能应用前景。并且，在上述数字可编程架构中，人们往往迄今仅考虑空间编码，尚未利用时间这一维度，即编码序列通常在时间上是固定的，并且仅由控制系统改变，以便根据需要随时切换功能。以往的研究提出了超表面的时间调制，但这些理论方法主要是基于模拟调制，很难用于实际应用中。作为另一种可行的途径，本研究中引入了“时空编码”的概念来扩展基于超表面的电磁波操纵。

创新研究

该研究提出了一种基于时间调制反射系数的方法，设计了时空编码数字超表面，其中每个编码元件具有一组在调制周期中循环切换的时间编码序列，这样就在频域中得到了理想的谐波散射功率分布。在某种程度上，这种方法将数字编码超表面的概念与“相位切换屏幕”和“时间调制阵列”的概念相结合，所提出的数字编码时间调制法可以同时控制电磁波的传播方向和谐波功率分配。

在具体研究中，研究人员首先通过利用二进制粒子群优化（BPSO）算法设计了时空编码序列，实现了谐波的波束控制。接着，通过对中心频率处的波束控制和整形，通过适当地重新分配频谱上的功率分布来减少散射作用。最后，制作了一个负载PIN二极管的8×8时空编码和可编程超表面，并进行了实验测试，与理论预测结果吻合较好。与“相位切换屏幕”相比，此处提出的方法更加通用、灵活，这主要是因为超表面波动操纵与时间调制之间的组合。对于偶数/奇次谐波和中心频率，能够更精确有效地控制散射和辐射。该方法有望显著拓宽数字编码超表面的应用范围，并在无线通信、雷达系统MIMO系统、OAM波束生成、自适应波束形成和全息成像等领域具有重要应用。