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,...     

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。     

超表面调制天线的国内外最新进展

超表面调制天线是近年来从超材料技术中所衍生出来的前沿研究方向,对于新型电扫天线的设计具有重要意义,其具有低成本、低功耗、灵活可控等优势特性,在电磁场辐射、隐身等领域具有重要的应用前景.文章对电磁超表面进行了简要概述,总结了超表面调制天线的设计思路和工作机理,综述了国内外在超表面调制天线领域的研究进展和应用成果.最后阐述...     

电磁超表面与信息超表面

电磁超材料和超表面是物理、信息与材料领域的热点与前沿,带来了许多新奇的物理现象和突破性的应用. 信息超表面作为近些年来新兴的研究方向,通过数字编码的方式来调控电磁波,构建了由物理世界通往数字世界的桥梁. 本文首先全面总结了电磁超材料与超表面的起源与发展历程;其次重点介绍了可调超表面与可重构超表面、时空调制超表面与器件的发展现状;接着系统介绍了数字编码与可编程信息超表面的基本概念和主要应用,讨论了信息超表面存在的挑战与未来展望;最后简要对电磁超表面和信息超表面的发展趋势进行了总结.     

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。     

电控时变电磁材料的SAR成像特性研究

微动目标因具有在不同方向的运动分量,能够对电磁波进行微多普勒调制,导致目标成像特征出现方位向散焦效应,这种现象在目标识别与反识别领域被广泛关注与研究。相较而言,电控时变电磁材料通过外加激励实现对电磁波特征的灵活调控,具有更快的调制速度,而其成像特性没有被过多关注。该文以此为切入点,对电控时变电磁材料的合成孔径雷达(SAR)图像距离向调制特性进行了研究,分析了时变电磁材料谱变换模型和SAR目标特征控制原理。以相位调制表面(PSS)为代表,建立了非周期PSS相位调制模型,其频谱具有连续频移特性。在此基础上,探讨了PSS连续频移调制对SAR的影响,揭露了距离向目标散焦现象。通过SAR实测数据仿真,验证了所提理论方法的有效性。      

基于2 bit超表面的单阶谐波波束扫描

波束扫描是一种广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信和其他相关领域的技术,它允许无线信号或射线束在空间中定向、聚焦。近年提出的智能超表面时空编码方式拓展了超表面在物理维度上的自由度,使得其可以在单音波激励下完成多个频点的波束扫描,但仍然面临着增益低、波束副瓣大等一系列问题。针对这些问题,提出了一种基于超表面的谐波波束扫描方法。设计并加工了一种在E面可以达到斜入射60°的角度不敏感2 bit超表面单元并组建32×32阵列。针对单元谐波状态做出精确的3 bit相位量化。通过针对不同的初始参考相位,使用多目标遗传算法进行优化,将正一阶谐波的波束副瓣压低在了-15 dB水平,完成了时空编码超表面在E面60°波束扫描,为未来在超表面时空编码谐波波束赋形提供了充分有力的方案。     

基于开口谐振环的反射超表面设计及实验研究

相位梯度超表面可在其表面形成额外的平行波矢分量,从而可对反射波的反射方向进行调控,导致反常反射现象。主要研究在垂直入射情况下通过反射超表面实现对电磁波的反常反射,首先阐明了反射超表面的设计原理,得到了反射超表面的设计理论,并设计了基于开口谐振环的反常反射超表面。仿真和测试结果表明,通过优化设计不同结构参数的开口谐振环阵列单元,可以在设计频点处通过超表面平行波矢控制电磁波的反射方向,将反射波偏折到设计方向。由于其对电磁波反射方向的自由调控,反射超表面在天线、隐身等领域具有重要的应用前景,可望应用于高方向性天线、雷达散射截面缩减、反射聚焦平板等。     

基于氧化铟锡的空间光相位调控超表面设计

空间光的相位调控对于光学相控阵以及焦距可调透镜等的应用具有重要意义。氧化铟锡(ITO)是一种透明金属材料,其介电常数可以通过外部电压进行高速调制,因此被广泛应用于电光调控设备。本课题组基于ITO薄膜和金属谐振器设计了一种谐振增强结构,通过静电调控ITO的载流子浓度,使入射光与超表面发生临界耦合,显著提升了结构对电磁特性的调控能力,实现了高于330°的相位调制范围。利用相位调控单元构建光学相控阵,实现了波束的动态偏转;同时设计了焦距可调透镜,通过仿真实现了焦距为10,15,20μm的可调聚焦效果。所设计的相位调控超表面在光学探测、传感、成像等领域具有重要的应用价值。     

三五阶非线性下光纤中脉冲对的啁啾和频谱

为探究光纤的三五阶非线性对脉冲对频谱展宽的影响,从包含三五阶非线性的耦合非线性薛定谔方程出发,在忽略光纤色散和脉冲间走离效应的情况下,解析并计算模拟了高斯光脉冲对由于交叉相位调制所产生的非线性相移、频率啁啾,数值模拟了光脉冲对传榆中的功率频谱.结果表明:与只有三阶非线性相比,正五阶非线性使非线性相移和频率啁啾增大,而负五阶非线性则使非线性相移和频率啁啾减小甚至反号;正五阶非线性使脉冲频谱变宽,谱峰数目增多;绝对值较小的负五阶非线性使频谱变窄,谱峰数目减小,谱形变化,绝对值较大的负五阶非线性则展宽频谱,并使脉冲中心附近的谱峰变强.五阶非线性对功率相对较小的脉冲的影响更大些.此研究对超连续谱的产生、光开关器件、光脉冲压缩等研究都有一定的意义.     

基于π型结构双折射超表面的设计与应用

为了实现结构简单、透射率高的双折射超表面, 采用广义薄板跃迁条件分析了该超表面结构与其周围入射场、反射场和透射场的关系, 并利用介质空间域的表面极化率、磁化率等描述了相应超表面的等效特性, 设计出一种基于π型金属结构单元的双折射超表面。通过将具有梯度透射相位的7个单元按照顺序排列, 形成具有对垂直入射x, y极化电磁波双折射性能的超表面。结果表明, 在波束折射和偏振分束超表面中, 损失均低于-8dB; λ/4波片中达到全透射; 所设计的双折射超表面对垂直入射的电磁波具有高透射特性, 并且能够分离x极化电磁波和y极化电磁波的波束, 实现双折射。该研究结果对高性能超表面的设计与实现具有一定的指导意义。     

瞬变等离子体中电磁波频率漂移特性研究

推导一维瞬变磁化等离子体的时域有限差分(FDTD)递推式,并以一维金属谐振腔作为计算模型,分析了瞬变等离子体中电磁波频率漂移特性。从理论分析出发,得到了一维瞬变等离子体对电磁波作用的解析解。通过选取相同的模型和参数,将FDTD数值解与解析解进行对比,验证了所用FDTD方法的准确性,在此基础上研究了瞬变等离子体中电磁波的频率漂移规律。     

基于异常反射型超表面的天线反射面设计

在实际应用中有许多场合需要对电磁波的传播进行人工调控, 传统的光学器件或者人工电磁介质都是采用三维结构, 但传统的三维结构介质很难与其他器件或设备进行集成.利用相位非连续人工电磁表面则可以在传播路径的介质分界面上引入相位突变, 进而实现人工调控电磁波.文章在此基础上在微波波段利用构造分界面相位梯度提出了一种异常反射型超表面的设计, 用作天线反射面可将圆极化波高效地转化为交叉极化波, 为微波段的电磁波人工调控提供了新的手段.根据广义反射定律及斜入射时相位突变修正设计的天线反射面, 在X波段可以实现对入射电磁波的人工调控, 并通过仿真分析验证了该设计方法的准确性, 为人工电磁表面作为天线反射面提供了一种设计思路.     

动态可调的太赫兹超构表面

近年来,采用人工设计金属阵列的超构表面以实现对太赫兹波的调制受到越来越广泛的关注。设计了2种互补的亚波长金结构阵列超构表面,正、反结构2个超构表面对太赫兹波均有共振响应。利用光泵浦太赫兹时域透射光谱系统,通过控制泵浦光实现对太赫兹波的谱调制。仅需28 mW的外加泵浦光,反结构超构表面在0.91 THz处的振幅调制深度可达到95%。利用该反结构超构表面对太赫兹波的开关作用,进一步设计了太赫兹振幅全息图,希望利用该结构实现太赫兹波前的动态调控。初步的理论模拟验证了这一方法的可行性,可较好地实现对太赫兹波的动态调控。     

多功能射频综合系统中的电磁协同北大核心CSCD

限定时空条件下,射频综合系统有效发挥多功能效应的实质是实现系统多功能协同高效运行,而制约其协同高效运行的瓶颈是特定时空条件下可用的电磁资源。电磁资源的高效利用依赖电磁协同,是按照任务要求及限定条件,在时间、频率、空间、能量多个维度寻求构建电磁协同自组织结构的最优解,并确定具体任务时空下有序运行自组织结构的驱动方式,按照求解出的电磁资源动态分配结果,执行任务,使系统电磁效应在任务牵引下受控。电磁协同服务于多功能射频综合系统融合,可以有效利用、管理战场电磁环境,高效提升多功能射频综合系统的运行效率。本文从多功能射频综合系统融合运行之瓶颈、电磁协同概念和电磁协同方法三个方面论述电磁协同的核心要点,期望为实现多功能射频综合系统融合运行提供可行的技术途径。     

对空时二维自适应处理雷达的投散射宽时限扫频式干扰技术研究

针对传统干扰方法因干扰信号维度单一而难以在空时二维联合域对空时自适应处理器（Space-Time Adaptive Processing,STAP）产生有效干扰这一问题,提出了一种能覆盖整个空时二维平面的投散射宽时限扫频式干扰方法.该方法是向特定区域投射具有多普勒带宽的扫频信号,利用散射回波干扰STAP雷达.地形散射使干扰信号具有空时耦合特性,干扰信号空域连续,STAP处理器无法从空域识别抑制;宽时限扫频方式导致脉冲间多普勒频率存在差异,使雷达无法提取干扰信号多普勒频率,能占用处理器大量自由度.仿真结果表明,该方法产生的干扰功率谱能覆盖整个空时平面,使处理器自由度严重损失,导致STAP处理器性能下降,验证了该方法的有效性.     

临近空间高超声速目标RCS模拟技术研究

针对雷达探测临近空间高超声速目标模拟试验中的雷达散射截面（radar cross section，RCS）逼真模拟问题，提出了一种适用于临近空间高超声速飞行器等离子体鞘套下目标RCS衰减模拟方法.首先利用不同高度、不同速度对应的等离子体频率和电子碰撞频率的相关数据，拟合得出不同速度、不同高度对应的等离子体频率和电子碰撞频率关系表；其次，实时查表得到给定雷达频率情况下不同目标高度与速度对应的等离子体频率和电子碰撞频率，建立目标等离子体包覆模型和电磁波传输模型，计算雷达电磁波的衰减系数和反射系数；最后，通过雷达电磁波的衰减系数和反射系数模拟出目标RCS衰减.通过与有关实测数据比对，证明了方法的合理性.仿真分析可知，利用高频率雷达探测临近空间高超声速飞行器将更容易得到连续的航迹，产生雷达"黑障"的时间更短.     

宽频多模态涡旋电磁波超表面设计

针对超表面产生OAM(轨道角动量)涡旋电磁波模态单一的问题,提出了一种宽频带多波束多模态OAM波束超表面的设计方法。采用方形开口环结构,优化几何参数,通过开口尺寸的变化构建8个3-bit 数字编码单元。利用矢量叠加原理,由产生单一模态OAM波束所需的相移得到多模态涡旋波束的超表面相位分布。采用天线阵列理论可直接求得超表面的远场方向图,并与全波仿真结果进行对比。研究结果表明,利用该方法设计的超表面,能够同时生成多个OAM波束,并且每个波束的辐射方向和OAM 模态可根据实际需求进行设定。设计的超表面还具有电尺寸小、剖面低和工作频带宽等优点,在无线通信领域具有广泛的应用前景。     

基于超表面的天线多波束偏转技术研究北大核心CSCD

5G移动通信对天线提出了多极化、多频段、多波束等更高的技术需求。超表面具有很强的电磁调控能力,利用这一特性可以实现天线多波束偏转。本文首先提出新型的基于行波激励网络的双波束偏转方法,利用超表面实现定向波束可控,设计了单频低副瓣高增益的双波束超表面天线。其次,提出基于多相位自由度理论的双频行波激励网络,结合双频超表面,设计了双频双波束偏转角可独立控制的超表面天线。在此基础上,提出基于正相位响应理论的稳定波束偏转角的方法,设计了具有稳定波束的±45°双极化超表面天线。与传统多波束方法相比,本方法省略了复杂的波束形成网络,设计简单、结构紧凑,而且能够实现双频、双极化等特性,可为新一代移动通信天线的研制提供技术思路。     

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。