编码超表面远场散射波束调控设计

针对编码超表面远场散射波束的调控，在对相互正交方向的序列进行设计的基础上，利用加法规则，可快速得到超表面的编码序列.加法规则的利用，可减少编码个数，降低设计难度，方便实现对超表面远场散射波束的设计.论文采用金属小棒结构作为超表面单元，进行了实例分析.结果表明，提出的编码序列设计方法，可以有效融合两个正交方向编码序列的散射特性，灵活调控超表面上半空间的散射场.研究方案在通信和雷达等领域具有广泛的应用前景.     

基于编码超表面的双向太赫兹多波束调控器件

基于相变材料二氧化钒(VO2)和编码超表面技术设计了一种双向太赫兹多波束调控器件.在0.7 THz下,通过给予器件热激励控制VO2的相变状态,可使器件在反射和透射两种工作模式间切换.器件温度高于68℃(VO2相变温度)时,VO2相变为金属态,器件工作在反射模式下,对太赫兹波进行高效反射并将入射波分为多束能量近似、方向不...     

基于编码电磁超表面的Bessel波束设计

编码电磁超表面构成信息超材料研究领域的一个分支. 文中提出了基于编码电磁超表面的Bessel波束产生设计方法,为Bessel波束的产生与调控提供了新的解决方案;同时对基于电磁超表面的Bessel波束产生与设计的基本方法进行了梳理总结. 首先通过反射型编码电磁超表面分别设计了不同类型的Bessel波束,包括单波束零阶Bessel波束、双波束零阶Bessel波束、单波束高阶Bessel波束以及双波束高阶Bessel波束;然后对于每一种类型的Bessel波束分别对应给出了有关的设计理论和方法,并通过全波电磁仿真的方法进行了相应的仿真验证;最后,鉴于信息超材料技术的发展,基于编码电磁超表面的Bessel波束设计可以进一步地应用于信息超材料有关的系统设计,如近场无线信息/能量传输、近场雷达探测与成像,这也为信息超材料提供了一种可供选择的应用场景.     

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。     

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。     

多功能动态波束调控的太赫兹编码超表面

太赫兹编码超表面对于在复杂信道环境中实现大容量高速通信具有巨大潜力,对发展6G无线通信技术具有重要研究价值.针对目前太赫兹频段的动态超表面调控器件普遍存在的问题,基于高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)电控调节编码单元与太赫兹波互作用引起的非对称谐振,在低开...     

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。     

基于数字超表面的低剖面波束控制天线

针对现有透射型超表面剖面高、难以可重构以及波束控制天线体积大的问题,提出一种基于单层数字超表面的波束偏转和宽窄波束切换天线实现方案. 数字超表面由5×7个双方环单元构成,通过在双方环单元中放置一个PIN二极管实现1比特的数字编码. 馈源天线采用具有寄生条带的微带背馈结构,数字超表面置于天线上方0.096λ₀的高度,通过控制每一列PIN二极管的偏置电压实现对天线波束的操控. 天线实测结果表明:在中心工作频率3.6 GHz处,波束偏转范围为0°~ ±45°;窄波束时增益8.5 dBi,宽波束时增益6.7 dBi,同时宽波束天线的3 dB波束宽度约为窄波束天线的两倍, 测试结果与仿真结果吻合较好. 该天线具有低剖面多功能特点,可应用在车载通信和机载通信等多个领域.     

基于导波型频率选择表面的多波束透射阵北大核心CSCD

本文提出了一种由两类导波型频率选择表面组成的多波束透射阵。首先基于导波型频率选择表面,设计了两个具有180°移相稳定的透射单元。在2.89-6.98GHz的频率范围内,透射幅度大于1dB,相位误差在±30°以内。然后,基于1比特数字编码理论,确定了在5GHz中心频率下30°波束偏转的相位分布。所设计的阵列大小为8λ0×8λ0×0.93λ0(其中λ0为5GHz下的自由空间波长),仿真结果表明,可在4.5GHz至6.5GHz范围内实现波束扫描,涵盖范围为20°至35°。     

Polarization Modulation for Wireless Communications Based on Metasurfaces

As an alternative to conventional wireless communication techniques that use amplitude, frequency, and phase modulations, polarization modulation (PoM) provides an additional degree of freedom for the modulation of carrier waves and allows the realization of simple transceiver designs. PoM also enhances physical-layer security in wireless communication systems owing to its vector-attribute and direction-dependence features. In this study, a prototype of PoM wireless communications based on a digital coding metasurface that can dynamically control the polarization of electromagnetic waves in a certain frequency band is demonstrated. The binary digital signals can be encoded on the optical rotation states of the circularly polarized beams through the real-time control of the bias voltages applied on the metasurface and successfully decoded at the receiving end. Because the metasurface is separated from the emitting antenna, the design can simplify the setup for multichannel communications and provide more flexibility by setting the emitting antennas at different operating frequencies at any time.     

Tunable Metasurfaces Based on Active Materials

Metasurfaces, planer artificial materials composed of subwavelength unit cells, have shown superior abilities to manipulate the wavefronts of electromagnetic waves. In the last few years, metasurfaces have been a burgeoning field of research, with a large variety of functional devices, including planar lenses, beam deflectors, polarization converters, and metaholograms, being demonstrated. Up to date, the majority of metasurfaces cannot be tuned postfabrication. Yet, the dynamic control of optical properties of metasurfaces is highly desirable for a plethora of applications including free space optical communications, holographic displays, and depth sensing. Recently, much effort has been made to exploit active materials, whose optical properties can be controlled under external stimuli, for the dynamic control of metasurfaces. The tunability enabled by active materials can be attributed to various mechanisms, including but not limited to thermo‐optic effects, free‐carrier effects, and phase transitions. This short review summarizes the recent progress on tunable metasurfaces based on various approaches and analyzes their respective advantages and challenges to be confronted with. A number of potential future directions are also discussed at the end.     

多波束天线的应用及发展

对国外几种星载多波束天线进行了描述，并给出了详细的应用实例，同时还侧重介绍了地球站多站束天线中所采用的几种天线型式及未来多波束天线的技术发展。     

基于线阵的多波束比幅法圆锥误差分析

在一维线阵条件下,利用多波束比幅法测量方位角时,随着入射信号仰角变大,方位角测量误差会变大。分析了不同仰角下的波束偏离,提出了利用“修正角度”减小圆锥误差的方法,并比较修正前后测量误差统计值,说明达到了提高方位角测量精度的效果。     

基于变换光学的微波加热用超表面数值研究

由于单个微波源的功率值有限,工业上往往采用多源微波加热以满足大功率需求.然而,额外的微波馈口将增加端口间耦合,可能引起微波源损坏.因此,提出一种基于变换光学的新型超表面,使微波在进入加热腔体的方向上正常传播而在相反方向被阻挡,从而减少功率反射和耦合.在二维数值模型中,采用反向传播神经网络优化了超表面的介电性能,使得单源...     

Nonlinear THz-Nano Metasurfaces

Extreme terahertz (THz) science and technologies, the next disruptive frontier in nonlinear optics, provide multifaceted capabilities for exploring strong light-matter interactions in a variety of physical systems. However, current techniques involve the need for an extremely high-field free space THz source that is difficult to generate and has limited investigations to a rather weak and linear regime of light-matter interactions. Therefore, new approaches are being sought for the tight confinement of THz waves that can induce nonlinear effects. Here, a nonlinear “tera-nano” metasurface is demonstrated exhibiting extremely large THz nonlinearity and sensitive self-modulation of resonances at moderate incident THz field strengths. A record deep-subwavelength (≈λ/33 000) confinement of strongly enhanced (^≈3200) THz field in a nano-gap (15 nm) exhibits remarkable THz field-tailored nonlinearity. Further, ultrafast injection of photocarriers reveals a competition between nonlinear THz field-induced intervalley scattering and optically driven interband excitations. The results on “tera-nano” metasurfaces enable a novel platform to realize enhanced nonlinear nano/micro composites for field-sensitive extreme THz nonlinear applications without the need for intense THz light sources.     

All‐Dielectric Programmable Huygens' Metasurfaces

Low‐loss nanostructured dielectric metasurfaces have emerged as a breakthrough platform for ultrathin optics and cutting‐edge photonic applications, including beam shaping, focusing, and holography. However, the static nature of their constituent materials has traditionally limited them to fixed functionalities. Tunable all‐dielectric infrared Huygens' metasurfaces consisting of multi‐layer Ge disk meta‐units with strategically incorporated non‐volatile phase change material Ge₃Sb₂Te₆ are introduced. Switching the phase‐change material between its amorphous and crystalline structural state enables nearly full dynamic light phase control with high transmittance in the mid‐IR spectrum. The metasurface is realized experimentally, showing post‐fabrication tuning of the light phase within a range of 81% of the full 2π phase shift. Additionally, the versatility of the tunable Huygen's metasurfaces is demonstrated by optically programming the spatial light phase distribution of the metasurface with single meta‐unit precision and retrieving high‐resolution phase‐encoded images using hyperspectral measurements. The programmable metasurface concept overcomes the static limitations of previous dielectric metasurfaces, paving the way for “universal” metasurfaces and highly efficient, ultracompact active optical elements like tunable lenses, dynamic holograms, and spatial light modulators.     

基于实数编码遗传算法的多波束天线优化设计

为了在服务区内获得良好的多波束性能,提出了一种新的单口径单馈源多波束天线设计方法。通过采用对反射面进行赋形的方法来解决传统单口径单馈源多波束中交叠增益与旁瓣电平之间的矛盾。在对反射面优化的过程中将反射面的形变量作为优化变量,然后利用实数编码遗传算法对其进行优化从而实现更高的增益和载干比(C/ I)性能。最终利用该算法对一个服务区为某区域的多波束天线进行了优化设计和分析,仿真结果说明了该优化方法的有效性。     

基于子阵的数字多波束形成技术研究

数字多波束技术具有在不影响天线增益的情况下增加系统空域覆盖范围的优点，因此在电子战领域受到很大关注。通过对基于子阵的数字多波束形成方法的分析、计算机仿真和性能分析，提出电子战系统采用此项技术的制约因素和需要解决的技术问题，工程实现时可以以此为参考，合理的使用基于子阵的数字多波束形成技术。     

罗特曼透镜馈电的多波束阵列系统设计

多波束系统广泛地应用于电子战设备中。讨论了基于罗特曼透镜馈电的多波束阵列系统的设计理论和原则,给出了一个16元罗特曼透镜和凹口天线组成的多波束阵列系统,阐述了馈电透镜和阵列天线的设计过程以及设计中的难题及解决办法。