一种打破多谐波幅相纠缠的新型时空编码超表面
指导老师：罗章杰
提出了一种全解析的时域编码理论，打破了时变超表面长期存在的多谐波纠缠现象。基于该创新技术，研究者研制了新型“时空编码超表面”，展示了对多个谐波幅度和相位的独立调控。进一步，该超表面作为无线通信发射机，利用多个谐波频率实现了BFSK和QPSK调制信号和非调制信号的同时、独立发射，验证了其在空分/频分无线通信系统的应用，展现出在下一代无线通信场景中的巨大潜力。该作品成果发表在《Advanced Science》期刊上。
一、研究背景
近年来，以“时空编码超表面”为代表的时变超材料备受关注，推动着微波谐波应用技术大步前进。研究表明，当超表面的电磁特性（如相位）随时间快速变化时，入射到超表面上的基频信号将被转换成一系列以基频为中心的边带信号（称为广义上的“谐波”）。当前，时空编码超表面技术已在非互易、波形调制、极化操控、频谱欺骗等领域形成了诸多新器件和新应用。
控制超表面的数字编码序列既是控制命令，同时也是信号所携带的信息。因此，通过电磁波和超表面的直接作用，可在谐波频率上直接调制数字信息，并实现谐波调制信号的任意定向发射。该技术启发了无线通信发射机的新架构，极大简化了发射机复杂度，是电磁和通信领域的研究热点。
然而，由时变超表面产生的多谐波天然地相互纠缠，它们的幅度和相位相互影响，难以同时、独立调控，很大程度上限制了“空分/频分复用”应用潜力。近年来已有相关工作针对多谐波的解耦开展研究，一些工作只能对相位解耦，少数工作仅能解耦一个或两个谐波，有些需要使用复杂的优化算法设计谐波幅相。研究者们一直在探寻多谐波解耦新技术、新方法，以推进时变超表面在实际应用场景落地。
二. 时空数字编码设计
本次设计提出了一种新型时域编码理论，成功打破了时变超表面的多谐波幅度/相位纠缠。图1展示了时域编码的基本设计思路。时域编码由多个子序列（SS）交织而成，而每个子序列从基础序列池直接选出。时域基础序列（BS）根据本文解析理论提前设计，并全部列写在基础序列池中备选。每个基础序列可在频域上产生对应的具有特定幅度和初始相位的谐波，因此，可根据谐波生成与操控目标。
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时域编码设计步骤
首先，从池中选择目标谐波所对应的基础序列；然后，根据目标谐波的幅度比来设置所选基础序列的个数；第三，按照相位控制需求设置所有基础序列的排列顺序，至此，这些基础序列称为子序列；最后，完成子序列的交织操作，得到时域编码序列。
图1 多谐波幅相解耦的时域编码示意图和“时空编码超表面”的频分空分无线通信
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设计优势
与前人技术相比，该编码理论的优势体现如下。第一，可同时、独立操控多个谐波的幅度和相位。第二，时域编码基于全解析推导，数学理论清晰，不依赖复杂的优化算法。第三，是全时域编码，充分释放了超表面的空间编码自由度，“空间-时间联合编码”可进一步提升谐波幅度的操控精细度，并实时操控谐波波束指向。
图2 保证各谐波幅度以及0阶、-1阶的波束方向不变，独立、精细操控+1阶谐波波束
图3 保证0阶、+1阶谐波的波束指向不变，独立、精细操控二者的幅度比
三．时空编码超表面
基于上述编码理论，本次设计实现了新型2-bit “时空编码超表面”。该超表面包含5行×10列单元，每个单元有0°、90°、180°、270°四种物理相位状态，通过时域编码，该超表面谐波的等效相位状态最高可达12个。若增加超表面比特数，谐波操控数量及其幅相操控精度可随之提升。
阵列采用列控方式控制，首先验证了超表面对多个谐波波束方向的独立、精准、细致操控。如图2所示，超表面对+1阶谐波波束方向实施操控（波束扫描范围约100°，包含12个方向状态），在此过程中，保证0阶、-1阶的波束方向以及三个谐波的幅度不变。然后，验证了超表面对0阶、+1阶谐波的幅度比操控（包含10个状态），而不改变二者的波束指向，如图3所示。图2和图3的左图给出了每列单元的物理相位随时间的变化，右图给出了各个谐波的等效幅度和相位空间分布。
四．时空编码超表面通信应用
本次设计基于时空超表面构建了无线发射机，在不同谐波频率下开展了调制信号和非调制信号的空分/频分通信系统实验。其中，通信信号分别采用二进制频移键控（BFSK）和正交相移键控（QPSK）进行调制，成功完成了信息调制、传输、接收、解调实验。图4展示了通信实验部分结果，其中a图利用0阶谐波作为非调制信号频率、±1阶谐波作为BFSK的调制频率，b图利用0阶谐波作为非调制信号频率、+1阶谐波作为QPSK调制频率。这些实验充分展示了多谐波幅相独立控制在无线通信、数能同传等领域的应用潜力。
图4 基于多谐波解耦“空时编码超表面”的无线通信系统实验结果
五．总结
本次设计提出一种新型的时空编码超表面技术，它能够打破多谐波之间的幅度和相位纠缠，实现幅度、相位的独立控制，充分释放了超表面的空间编码自由度。基于所设计的2-bit时空编码超表面，分别对BFSK、QPSK两种调制方式下进行了通信实验，验证该时空编码超表面具有在无线通信等领域的应用潜力。
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队长：邰俊玮，东南大学2024级电子信息博士生。
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队员：赵孟尧，东南大学2023级电子信息研究生。
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队员：蔡鑫宇，东南大学2023级电子信息研究生。
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队员：王麒锐，东南大学2024级电磁场与微波技术研究生。
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队员：邓博严，东南大学2024级电子信息研究生。
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队员：万淑珍，东南大学2024级电子信息研究生。
罗章杰，东南大学副研究员，博/硕士生导师，江苏省组织部“双创博士”，东南大学“至善青年学者”、“紫金学者”。研究成果发表于《Nature Communications》、《Advanced Functional Materials》、《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》等国际权威SCI期刊，正面被引千余次，授权发明专利4项。获2018 PIERS首届“青年科学家奖”和2018 ISAP“最佳论文入围奖”。主要从事智能可重构超表面和非线性可重构超表面及其应用研究。
–本文完–