基于信息超表面的无线通信（特邀）

信息超表面由于其强大的处理空间电磁波的能力,成为国内外物理和信息领域的研究热点之一。文中主要介绍信息超表面在无线通信领域的一系列研究进展。信息超表面能实时操控电磁波及直接处理数字编码信息,并进一步对信息进行感知、理解,甚至记忆、学习和认知,这使其在无线通信领域展现出巨大潜能。文中首先介绍信息超表面在承担无线中继职能时所涉及的信道建模研究进展、以及其对信道的改善作用;其次介绍信息超表面在新体制发射机中的应用,通过对入射到信息超表面上的载波进行幅度或相位调制,实现了多种简化的发射机架构。此外,文中还介绍了利用信息超表面近场、远场以及散射场等信息,实现了多种新型无线通信系统。最后,文章对基于信息超表面的无线通信进行了总结和展望。     

Code Division Multiplexing Inspired Dynamic Metasurface Holography

Metasurface holography is attracting increasing attention owing to its numerous advantages over conventional holography techniques, such as precise control of phase profiles, compact sizes, and multiple information channels via a single optical element. Metasurfaces provide a flexible platform for incorporating various multiplexing techniques. Inspired by code division multiplexing (CDM), which is widely employed in networking and wireless digital communications, metasurface holography for generating dynamic holographic images controlled by both the patterned beam profiles and polarization states is designed and realized in this study. Specifically, two orthogonal polarization states and 16 code bases of light illumination are combined to generate 32 independent channels. Only the correct code reference can decode the target image for a specific channel, providing encryption for information transportation. Meanwhile, the demonstrated metasurface holography with CDM can realize active modulation via a digital micromirror device. The proposed metasurface can be utilized to achieve dynamic information display, data storage, optical encryption, and other applications in optics.     

2比特激励编码超构表面的辐射与散射调控

超构表面(metasurface, MS)是当前电磁领域研究的热点和前沿,它能够有效调控电磁波. 2比特数字编码MS由于不同形态单元个数的增加,增强了散射和辐射控制的灵活性,为更好的隐身效果、更宽的带宽以及多功能的实现提供了可能. 文中将分形磁电偶极子天线结构和极化控制MS单元有机融合,先构建出激励MS单元,再通过结构变换和数字编码,提出了2比特可激励编码MS,并设计了拓扑结构. 仿真和实验验证了辐射与散射调控的多功能特征. 设计的2比特激励编码MS在天线雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩和未来无线通信系统领域具有潜在的应用价值.     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。     

时变极化编码表面及其在无线通信中的应用

该文提出了一种时变极化编码超构表面的设计方法,实现了对电磁波基波与谐波分布的非线性调控。通过加载开关二极管的方式,超构表面可在2.4 GHz频率处实现转极化与同极化反射之间的动态切换,进而通过调节时域方波调制信号的占空比和频率,可在频域内调控电磁波基波与谐波的能量分配及频率偏移。在此基础上,利用超构表面的动态电磁响应,...     

应用于毫米波段的宽带波束调控超表面设计

毫米波段因其较高的数据传输速率和较大的容量而备受关注。为满足现代通信系统对宽带、波束偏转和高辐射效率等天线需求，本文提出了一种工作在88.5～94.6 GHz频带范围内的石墨烯-金属复合结构超表面。该超表面通过调节石墨烯的费米能级，对超表面单元的反射相位进行实时调控编码。调整金属层结构尺寸，可以调制不同编码状态下超表面单元的相位、幅度响应以及编码频段范围。经优化设计，在石墨烯费米能级分别为0 eV和1 eV时，编码超表面单元在88.5～94.6 GHz的宽频带内具有180°±20°的反射相位差，并且反射幅度均大于0.7。利用该单元设计了7×7的超表面，通过合理排布编码单元，可对毫米波段波束进行偏转和多波束切换等动态调控。实验结果显示，单波束最大偏转角度可达105°(-55°～50°),且可实现1～5个波束的切换。该超表面为多功能天线设计提供了新的解决方案，在高速无线局域网、车载雷达、卫星通信等领域具有潜在的应用价值，对毫米波段通信技术的发展具有重要意义。     

THz wireless communication system based on wavelet transform

With a very wide frequency band not allocated at present, THz waves have many optimal characteristics such as high transmission rate, large capacity, and high security. The research of THz communication technology has become a hotspot in wireless communication. For THz wireless communications, it is crucial to study advanced electrical signal processing techniques. In this paper, in view of the shortcomings of traditional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology, we propose wavelet transform orthogonal multicarrier modulation method in THz system. In addition, we study THz channel coding technology to ensure that the THz wireless communication baseband system has better bit error rate (BER) performance and low computational complexity. Based on above, a THz wireless communication baseband system is conceived.     

涡旋电磁波天线技术研究进展

涡旋电磁波,因携带有轨道角动量(OAM),从而体现出除了传统的强度、相位、频率、极化等自由度之外的一种新型自由度,理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态,并且近年来其在雷达成像、无线通信等研究领域展现出重要的应用潜力,所以引起国内外学者的广泛关注,具有很高的研究价值和应用前景。在这里,该文主要介绍近年来涡旋电磁波天线技术的研究进展,包括单一微带贴片天线、阵列天线、行波天线、以及超表面天线结构等。单一微带贴片天线由于其结构简单、制作成本低而被广泛运用;行波天线可以在宽带范围内产生多OAM模式的涡旋电磁波;阵列天线的设计原理简单,可以灵活地控制产生不同模态的高增益OAM电磁波;而超表面天线不需要复杂的馈电网络,从而具有天线整体剖面较低的优势。该文对这4种常见的涡旋电磁波天线进行了总结,并展望了未来的发展趋势。      

A new modulation scheme of visible light communication

In order to use white light emitting diode （LED） as a lighting source and communication part, a new modulation scheme called reverse dual header pulse interval modulation （RDH-PIM） is proposed for indoor visible light communications based on the analyses of the structures of on-off keying （00K）, pulse position modulation （PPM）, digital pulse interval modulation （DPIM） and dual header pulse interval modulation （DH-PIM）. After analyzing and comparing the symbol structure, bandwidth requirement and average transmission power of different modulation methods, the slot error rate is derived. Simulation results show that OOK has the minimum bandwidth, while RDH-PIM has the highest average transmission power and its bandwidth efficiency is obviously better than those of PPM and DPIM. Hence, RDH-PIM is superior in optical wireless communication systems.     

可变基频激光通信数据传输系统研究与实现

针对无线光通信特点,提出一种基于基带跳频的激光数字通信方法,分析单基频调制与可变基频调制原理,研究激光跳频通信信号帧结构与ASK编解码方法,探讨利用FPGA进行跳频通信及控制的技术实现,并进行 FPGA系统仿真和可变基频激光调制与传输实验。结果表明,采用可变基频的ASK调制编码通信能保证信息传输的安全性,在视距范围内实现了通信控制与字符数据传输,为大气激光通信应用提供一种新的技术途径。     

一种双分裂环结构的线-圆和线-交叉极化转换器

文中提出了一种高效、多功能的超表面极化转换器,该转换器由双分裂环谐振器周期阵列构成并置于F4B-2介电基板上。通过双分裂环谐振器的耦合效应可以有效拓展工作带宽。采用有限积分法对其极化特性进行分析。仿真结果表明：在5.5～8.55 GHz的频带(相对带宽为43.4%),实现了线极化到圆极化的转换,其能量转换效率优于99.5%;在10.31～15.31 GHz的频带(相对带宽为39%),实现了线极化到其交叉极化的转换,其极化转换比大于0.99。实验上,制备了样品并测试了其极化转换特性,实验结果与仿真结果基本吻合,验证了该转换器设计的合理性和有效性。所提出的超表面具有高效率、大工作带宽、多功能的特点,可应用于无线通信和极化操控设备。     

基于几何相位的三层透射型等离子编码超表面

本文提出一种由多纳米棒与圆形金属缺口组合而 成的三层几何相位编码超表面,本结 构在0.737 THz处对透射波具有完美的几何相位调制效果且很大程度 提高了散射光的效率和 带宽,进而扩展纳米棒的应用领域。此外,针对几何相位超表面,我们引入数字信号处理中 的傅里叶卷积计算理论,实现对编码超表面的加法或减法运算,从而达到透射散射角度的自 由操控。通过对不同的编码序列进行多次傅里叶卷积运算即可扩展到控制光波的所有方向, 为可见光的自由、灵活的操作提供了更大的自由度。本文提出的几何相位编码超表面也可以 应用于微波与太赫兹频段,为电磁波的实时控制及波束扫描打开新的途径。     

基于可编程超表面的Wi-Fi信号调控

可编程超表面是由可调谐的单元在二维平面上组成的平面阵列,具有任意、动态操控电磁波波前的能力,是微波领域前沿研究方向之一.尽管目前基于可编程超表面的电磁调控研究已取得丰硕进展,但是现有技术都需要采用专用发射源主动馈电超表面,这不仅增加了实际系统的复杂性和成本,而且在一定程度上限制了这些技术在现实环境中的应用.因此,该文提...     

基于超表面的高效宽带双极化转换器设计

超材料和超表面因表现出天然材料所不具备的特 殊性能而广泛应用于电磁波调控。针对宽频带、高效率和小型化极化 转换器应用需求,本文设计一款宽带高效反射型超表面双极化转换器。基于电磁波极化调控 原理,在两角切方形贴片的基础上, 设计一款圆角切方形贴片周期性阵列超表面,实现单一宽频带内高效率线极化和圆极化转换 。研究表明,该极化转换器在6.850—11.050 GHz频段内极化转换效率(po larization conversion ratio,PCR)达90%,且性能可维持在入射 角 ≤45°范围内,覆盖整 个X 波段,实现高效率宽入射 角线极化转换;在6.225—6.402 GHz和12.562—13.472 GHz频率范围内轴比(axial ratio, AR)低于3 dB,实现高效率圆极化转换。此外,该超表面具有结构简单、宽入射角、加工方 便等优点,可满足微波通信、显微成像等领域的应用需求。     

智能超表面在波束及信息调控中的应用

现代移动通信中无线信道的随机性、不确定性和不可控性是影响通信质量的关键因素,往往会导致接收端信号质量降低,从而限制了信息传输的速率与范围。目前正兴起的6G技术研究中,智能超表面是被积极讨论的研究方向之一,其是由亚波长结构组成的超薄人工表面,具有现场可编程能力和时空信息调制能力,可精准、高效地操控电磁波,可被用于重塑无线传播环境。通过对智能超表面的概念、基于时空调制的波束调控方法、基于智能超表面的无线中继以及通信系统 4 个方面的综述和分析,展示了智能超表面在辅助移动通信中具有的应用潜力,为6G的发展提供了新的思路。     

All‐Dielectric Metasurfaces for Simultaneous Giant Circular Asymmetric Transmission and Wavefront Shaping Based on Asymmetric Photonic Spin–Orbit Interactions

The control of polarization and wavefront plays an important role in many optical systems. In this work, a monolayer metasurface is proposed to simultaneously realize circular asymmetric transmission (AT) and wavefront shaping based on asymmetric spin–orbit interactions. Circularly polarized incidence, accompanied with arbitrary wavefront modulation, experiences spin‐selected destructive or constructive interference. An extinction ratio of ≈10:1 and an AT parameter of ≈0.69 at 9.6 µm, as well as a full width half‐maximum of ≈2.9 µm (≈30% of the peak wavelength), are measured with the designed metasurface. These measured results are more than four times of those achieved with previous monolayer chiral structures. As far as it is known, this is the first report on the realization of simultaneous giant AT and arbitrary wavefront modulation with only one metasurface. Due to its fabrication simplicity and the multifunctionality of the designed metasurface, this work may provide a promising route to replace bulky cascading optical components with only one ultrathin metasurface for chiroptical spectroscopy, chiral imaging, optical communication, and so forth.     

Transmission‐Reflection‐Integrated Multifunctional Coding Metasurface for Full‐Space Controls of Electromagnetic Waves

Digital coding metasurfaces are aimed at simplifying the design and optimization procedures, and manipulating electromagnetic waves in digital manner. In this paper, a multilayered anisotropic coding metasurface is designed to realize multiple independent functionalities by changing the polarization and direction of incident waves. As a proof of concept, the beam deflection, diffuse scattering, and vortex beam generation are realized by using only a single transmission‐reflection‐integrated (TRI) coding metasurface. This design can achieve three different functionalities and simultaneous controls of transmitted and reflected wavefronts on a shared aperture with the TRI coding scheme. Both numerical and measured results verify the excellent performance of the multifunctional digital coding metasurface, which provides a simple way to extend the functionality of high‐efficiency metadevices.     

A Reconfigurable Multifunctional Metasurface for Full-Space Control of Electromagnetic Waves

Metasurfaces have attracted much attention in recent years due to their powerful abilities in manipulating electromagnetic (EM) waves. However, most of the previously reported metasurfaces are incapable of real-time control of full-space EM waves, including transmission, reflection, and absorption at the same time. In this paper, a reconfigurable multifunctional metasurface is proposed that demonstrates real-time control of transmission, absorption, and reflection of EM waves, which can be continuously controlled from total transmission to total reflection, and to perfect absorption. In the case of total reflection, the reflected waves can be further manipulated in a programmable way by changing the digital coding sequences via bias voltages. Meanwhile, the metasurface can independently control vertical and horizontal polarized waves in broadband. The reconfigurable functionalities of the metasurface are validated by experiments, which agree very well with numerical simulations. In addition, a potential application of the reconfigurable multifunctional metasurface in a stealth radome is proposed and demonstrated.     

一种基于机械旋转的可重构超表面电磁开关设计

为了提高微波无线能量传输的效率以及灵活性,提出并设计实现了一款基于机械控制的可重构超表面电磁开关。该设计基于Pancharatnam-Berry(P-B)相位原理,是一种可机械旋转、具有波束控制能力的反射型超表面,可以直接应用于无线传输系统中。仿真与优化设计表明,对于垂直入射的右旋圆极化平面波,超表面能够实现同极化聚焦或散射两种可重构功能。将该超表面放在无线传输系统中的发射端可以形成反射面天线,从而对微波无线功率传输系统实现电磁开关的功能。实验结果表明,在设计的5.8 GHz 附近,发射天线位于超表面焦点处时,通过调节超表面实现聚焦功能,可以使天线增益提高2.7 dBi;在无线传输系统中,可以通过超表面的引入实现电磁开关的功能。