近年來,，超材料和超表面（Metasurface）已逐漸展現(xiàn)出對于電磁波的強大調(diào)控能力。2018 年,，電磁學專家,、東南大學毫米波國家重點實驗室崔鐵軍院士和團隊，曾提出時域編碼和時空編碼超表面（STCM,，space-time-coding metasurfaces）概念,。

圖 | 崔鐵軍（來源：資料圖）

即通過時空聯(lián)合編碼的方式,，對電磁波的幅度,、相位、頻率,、極化及其攜帶的基帶信號進行實時的聯(lián)合調(diào)控,，這為無線通信、寬帶隱身,、波束捷變,、頻率合成、極化轉(zhuǎn)換等應用開創(chuàng)了全新途徑,。

然而,，在信號調(diào)控研究方面,，目前時空編碼超表面僅能處理窄帶信號。由于缺乏寬帶信號的處理能力,，導致其在雷達感知等應用場景中依舊略顯不足,。

近日，崔鐵軍以及東南大學信息科學與工程學院教授程強,，在一項新工作中提出了一種基于時空編碼超表面的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW,，frequency-modulated continuous waves）生成以及調(diào)控的理論框架，為超表面在寬帶信號的生成和處理注入全新思路,。

圖 | 程強（來源：程強）

這項工作表明，時空編碼超表面具有一定的連續(xù)時間信號生成和調(diào)控能力,。其未來的潛在應用如下：

一、可用于設(shè)計高靈活度,、低成本的超表面射頻前端,。目前，射頻信號處理大多是在電路層面進行,，存在復雜度高,、集成難度大、造價高昂等缺點,。

而對于時空編碼超表面來說,，它可通過調(diào)控空間電磁場，來實現(xiàn)對于電磁信號的實時處理,。這種天然的優(yōu)勢可用于設(shè)計高靈活度,、低成本的超表面射頻前端，有望代替或部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)通信,、雷達系統(tǒng)的射頻前端部分,。

二、可用于構(gòu)建基于超表面的新體制雷達系統(tǒng),。研究中,，該團隊利用時空編碼超表面產(chǎn)生了 FMCW 信號，該信號可被廣泛用于雷達脈沖壓縮技術(shù)中,。

另一方面,，具備空間波束調(diào)控能力的超表面，還可用于實現(xiàn)低成本的相控陣,。

結(jié)合以上兩點,，在未來雷達系統(tǒng)中，超表面兼具 FMCW 信號的生成,、波束調(diào)控與輻射功能,，有助于構(gòu)建起一種基于超表面的新體制雷達系統(tǒng),。

程強表示：“可以預見的是，超表面與雷達系統(tǒng)的深度融合,，將會大大降低新體制雷達系統(tǒng)的制造成本和設(shè)計復雜度,。”

（來源：Light: Science & Applications）

面向未來的新體制雷達系統(tǒng)架構(gòu)

據(jù)介紹，在現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中,，面對復雜多目標的高精度測速以及測距需求,，脈沖壓縮技術(shù)已經(jīng)獲得廣泛應用。FMCW 信號是一類典型的脈沖壓縮信號,，具有很高的實用價值,。

然而，F(xiàn)MCW 信號主要依靠壓控振蕩器或直接數(shù)字合成技術(shù)產(chǎn)生,。而且,，F(xiàn)MCW 信號模塊難以與天線模塊集成，導致整個雷達系統(tǒng)的成本居高不下,，以及存在高復雜度的缺陷,。

在此次工作中，該團隊通過一塊時空編碼超表面,，即可實現(xiàn)多種 FMCW 信號的生成,、及其波束的實時調(diào)控，借此提出了一種基于時空編碼超表面的低成本,、高效率的雷達 FMCW 信號生成和調(diào)控方法,，從而探索面向未來的新體制雷達系統(tǒng)架構(gòu)。

圖 | 時空編碼超表面生成 FMCW 和調(diào)控 FMCW 波束的示意圖（來源：Light: Science & Applications）

在研究的第一階段,，課題組主要探索基于時空編碼超表面的 FMCW 信號生成理論。由于 FMCW 信號具有時變頻率和相位連續(xù)特性,，因此時空編碼超表面的時變相位響應,，應設(shè)計為非線性時變相位響應，并且相位的變化范圍需要達到 2π 的整數(shù)倍,。

基于這一思想,，經(jīng)過詳細的理論推導，研究團隊確定了生成 FMCW 信號的條件,，并在該條件下得出了 FMCW 信號的時-頻關(guān)系表達式,，也總結(jié)出了基于時空編碼超表面的 FMCW 信號生成理論。

隨后,，通過應用上述理論,，其又分別分析了幾類典型的線性和非線性 FMCW 信號,，讓該理論的可靠性得到了示例性的證明。

在第二階段,，基于時空編碼超表面的 FMCW 波束調(diào)控理論,，成為該團隊的又一探索對象。受廣義斯涅耳定律的啟發(fā),，他們在超表面每一列的時變相位響應中,，都引入了一個初始相位，從而在超表面上形成一個初始相位梯度,。

運用廣義斯涅耳定律的結(jié)論,，此時的 FMCW 波束將會發(fā)生波束偏轉(zhuǎn)。再通過實時改變初始相位梯度,，就能讓超表面具備對于 FMCW 波束動態(tài)的調(diào)控能力,。

在第三階段，則需對時空編碼超表面進行設(shè)計,。根據(jù) FMCW 信號的生成理論,，時空編碼超表面應具備 360°全相位的覆蓋能力。

“我們經(jīng)過合理的單元設(shè)計,、嚴格的電磁仿真、以及標準化的樣品制造等過程,，成功研制出了一款 360°全相位覆蓋的時空編碼超表面,。樣品的實測相位調(diào)控特性、與電磁仿真結(jié)果一致,，這為后續(xù)實驗計劃提供了硬件支持,。”程強表示,。

第四階段,，則聚焦在實驗驗證上，尤其是驗證時空編碼超表面的 FMCW 信號生成,、以及 FMCW 的波束實時調(diào)控能力,。

這里涉及到兩款精密工具：時空編碼超表面驅(qū)動平臺和軟件無線電接收設(shè)備。在它們的輔助下,，由時空編碼超表面生成的 FMCW 信號得以順利獲取,。

通過分析接收到的信號，該團隊發(fā)現(xiàn)實驗測得的信號時-頻特性與預測結(jié)果一致,。此外,，他們還在不同初始相位梯度下，測量了時空編碼超表面的 FMCW 散射方向圖,。

其中,，F(xiàn)MCW 主波束的偏折角均與預測結(jié)果一致,，這證實了如下規(guī)律：時空編碼超表面對于不同類型 FMCW 波束，的確具備實時調(diào)控的能力,。同時,，也讓研究的可靠性和實用性得以證實。

近日,，相關(guān)論文以《由具有非線性周期相位的時空編碼超表面控制的調(diào)頻連續(xù)波》（Frequency-modulated continuous waves controlled by space-time-coding metasurface with nonlinearly periodic phases）為題,，發(fā)表在 Light: Science & Applications 上（IF 20.257）。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Light: Science & Applications）

程強和崔鐵軍擔任共同通訊作者,，第一作者為該團隊的柯俊臣博士，共同第一作者為該團隊的戴俊彥副研究員,、以及張俊偉博士[1],。

論文收獲了如下評審意見：“作者們提出了一種利用時空編碼超表面產(chǎn)生各種 FMCW 信號并操控其傳播方向的方法。通過案例分析,，總結(jié)出了產(chǎn)生 FMCW 信號和實現(xiàn)其波束調(diào)控的理論,。

隨后，作者們在一款全相位覆蓋的時空編碼超表面上,，進行了 FMCW 信號產(chǎn)生及其波束調(diào)控的實驗,，實驗結(jié)果與理論預測一致?？偟膩碚f,，這項工作很有趣，所提出的方法可在微波檢測和測量領(lǐng)域中找到重要應用,?！?/span>

（來源：Light: Science & Applications）

將繼續(xù)研究基于超表面的新體制雷達系統(tǒng)架構(gòu)

而基于此次成果,，課題組將對基于超表面的新體制雷達系統(tǒng)架構(gòu)，展開進一步的研究,。重點可分為三個方面：

其一,，進一步拓寬 FMCW 信號的帶寬。眾所周知,，雷達的空間分辨率主要取決于雷達信號的帶寬,。然而，目前受到實驗室硬件條件的限制,，時空編碼超表面所生成的 FMCW 信號帶寬還不能完全滿足實際雷達系統(tǒng)的需求,。后期，研究團隊將進一步改善控制信號波形質(zhì)量,，提高超表面的幅度和相位刷新速度,。

二,、進一步挖掘超表面處理雷達信號的能力。此次工作旨在研究基于時空編碼超表面的連續(xù)時間信號生成和調(diào)控技術(shù),，目前尚未開展基于時空編碼超表面的復雜信號處理研究,。在后續(xù)的研究計劃里，也可以圍繞超表面的時變特性,，以探索其對于電磁信號的實時采集和處理的能力,。

三、探究新體制雷達系統(tǒng)的具體實現(xiàn)架構(gòu),。在超表面處理雷達信號的能力得到充分挖掘之后,，課題組后期考慮利用超表面構(gòu)建一個新體制的雷達系統(tǒng)，并建立起一套完整的基于超表面的雷達系統(tǒng)性能評估體系,。

參考資料：

1.Ke, J.C., Dai, J.Y., Zhang, J.W. et al. Frequency-modulated continuous waves controlled by space-time-coding metasurface with nonlinearly periodic phases. Light Sci Appl 11, 273 (2022). https:///10.1038/s41377-022-00973-8