【最新成果】时变极化编码表面及其在无线通信中的应用

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南京大学冯一军教授团队提出了一种时变极化编码超构表面的设计方法，在实现对电磁波基波与谐波分布的非线性调控基础上，构建了基于二进制幅度调制方式的超构表面新型无线通信系统，该系统可实现对传输信息的直接调制和实时传输，从而在下一代通信、高分辨率成像等实际应用中具有良好的发展前景。

图1 南京大学冯一军教授科研团队

背景介绍

作为电磁超构材料的二维形式，电磁超构表面由亚波长尺寸的单元在平面内以周期性或非周期性的方式排布而成。与传统超构材料相比，超构表面的体积和重量均大幅缩减，且同时具备低剖面、低损耗和低成本等优点。利用超构表面可实现对电磁波幅度、相位和极化等基本特性的灵活调控，因此许多奇异的物理现象和多功能器件应运而生，例如异常折射/反射,波束赋形和超透镜等。在超构表面结构中集成如开关二极管、变容管和石墨烯等有源器件，并通过外部电路控制有源器件的工作状态，可实时调控超构表面的电磁响应，进而实现对电磁波的可重构聚焦、波束调控和极化转化。这类超构表面通常被称为有源编码超构表面。与无源超构表面相比，有源超构表面可利用其动态电磁响应特性和时分复用技术实现更灵活的电磁波调控，因此在实际应用中具有更好的应用前景。

电磁波的非线性调制广泛应用于光存储、通信等领域。目前，微波波段和光波段均可实现对电磁波的非线性调制。最近，研究学者在空间编码超构表面的基础上提出的时间-空间编码超构表面，可根据预先设计的编码序列周期性地切换有源器件的工作状态引入新的谐波频率分量。因此，通过这一新增的时间维度，可同时非线性地调控电磁波基波和谐波的电磁响应。此外，利用这类超构表面还可以形成新型超构表面无线通信系统，能有效简化传统通信系统架构、高效实时传输信号。但是，目前这类超构表面研究绝大多数围绕相位调制实现非线性电磁波调控，如何利用电磁波极化特征仍有待探索。

图2 有源超构表面的动态与可编程调控

团队工作

南京大学冯一军教授团队提出了一种时变极化编码表面的分析和设计方法，并通过时域调制信号的变化产生新的谐波分量，进而实现对入射电磁波的非线性调控。具体而言，通过现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）输出电压控制超构表面的工作状态，并利用时域变化的方波信号作为调制信号，通过调节方波信号的占空比与频率，进而按需实现反射电磁波在频谱上的能量、频率分布与偏移。在此基础上，进一步探讨了时变极化编码超构表面的实际应用，提出了一种基于二进制幅移键控（Binary amplitude-shift keying, BASK）调制方式的无线通信系统，该系统在实现高效传输信息的同时可大幅度简化通信系统。此外，所提出的极化编码设计方法也有望在量子通信、高分辨率成像等领域发挥重要作用。

图3 课题组编码超构表面相关工作

该工作已发表在《雷达学报》2021年第2期“信息超材料及其雷达应用”专刊论文“时变极化编码表面及其在无线通信中的应用”（胡琪，陈克，郑依琳，徐之源，王健，赵俊明，冯一军）。

论文介绍

该文首先设计了基于幅度调制的转极化超构表面单元，如图4所示。该单元内集成了一个开关二极管，通过改变开关二极管的工作状态可切换该单元的电磁响应。在2.4 GHz处，开关二极管切换至导通状态时，大部分电磁波能量以交叉极化形式反射，此时同极化反射能量较小。

图4 转极化超构表面单元

相反地，当开关二极管切换至截止状态时，大部分电磁波能量以同极化形式反射，此时同极化反射能量较大。两种不同的电磁响应如图5所示。由于单元在两种状态之间切换时，同极化的反射系数具备较大的反射幅度差且可保持反射相位一致，因此将这两种反射系数用于幅度调制并分别定义为编码“0”和“1”。

图5 转极化超构表面单元在开关二极管导通（ON）与截止（OFF）时同极化与交叉极化反射系数的全波仿真结果

继而在实验测试中，首先以方波信号为调制信号，验证时变编码电磁表面对基波与谐波的非线性调控，具体为通过改变方波信号的频率，可使各阶谐波产生与方波信号频率线性相关的频移；通过改变方波信号的占空比，可令能量由基波重新分配至基波和各谐波上，且基波的能量与方波占空比呈线性正相关，如图6所示。

图6 超构表面在占空比分别为 (a) 25%、（b）50%、(c)75%的500 kHz的方波信号调制下的各阶谐波反射幅度的计算值与测试值

在此基础上，该文构建了基于幅度调制的超构表面无线通信实验系统，如图7所示。为验证该无线通信系统的可行性，该文将一张黑白图片转化为由 “0”和“1”编码组成的数据流，再将数据流以调制信号的方式，利用FPGA直接控制超构表面工作状态，经反射后调制于反射波上，并在接收端实时接收与解调信号。与发送的原图相比，接收端较好地解调出了发送信息，验证了该无线通信系统的可行性。

（a）基于时变极化编码超构表面的无线通信系统的结构框图 

（b）通信系统传输的目标图片 

（c）接收终端所解调出的图片 （传输码率：500 kbps；距离：2.5 m） 

（d）基带信号解调时对应的星座图 （传输码率：500 kbps；距离：2.5 m）

图7 无线通信系统

该文提出的非线性调制理论扩展了编码超构表面的研究范围，有望进一步应用于在MIMO通信、智能反射超构表面、全息成像等领域。此外，该文提出的超构表面设计方法可扩展至其他波段如毫米波、太赫兹等，也可延伸至透射型时变编码超构表面。

作者简介

胡琪，女，南京大学电子科学与工程学院在读博士生，主要研究方向为时变调制超构表面和全空间超构表面及其在波束调控中的应用。

陈克，男，博士，南京大学电子科学与工程学院副教授。主要研究方向为人工电磁材料及其在电磁吸波、波束形成、成像、天线设计等应用中的研究。

冯一军，男，博士，南京大学电子科学与工程学院教授，博士生导师。主要研究方向为人工电磁材料设计及其在光电子器件中的应用，微波射频器件及其在无线通信技术中的应用以及天线与电磁波传播。

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编辑：蒋文

审核：贾守新

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