突破性超表面技术：时空编码实现辐射与散射一体化控制
突破性超表面技术：时空编码实现辐射与散射一体化控制
近年来，随着无线通信和雷达技术的快速发展，如何在保证良好通信性能的同时降低系统的可探测性，成为科研人员面临的重要挑战。近期发表在《Journal of Physics D: Applied Physics》上的一项研究，提出了一种创新的时空编码超表面设计，巧妙地实现了辐射特性和散射特性的独立控制。
超表面单元设计：实现双极化辐射能力
研究的核心在于一种独特的超表面单元设计。这个单元由三个关键部分组成：
- 一个方形贴片
- 两个正交放置的I形条带
- 集成的PIN二极管
这种巧妙的结构设计使得单元能够在7.6-7.95 GHz的频带内，为两个正交偏振的入射波提供180°的相位差。
更重要的是，通过在方形贴片的对角线上引入同轴探针，研究人员成功实现了双极化辐射能力。
这意味着，单个超表面单元就能同时满足辐射和散射控制的需求，为后续的系统设计奠定了坚实的基础。
空间编码：优化散射特性
空间编码是实现散射控制的第一步。研究团队利用遗传算法优化了超表面阵列的空间布局，以实现有效的雷达散射截面（RCS）降低。空间编码的核心原理可以用以下公式来描述：
$$
f(\theta, \phi) = \sum\sum f_{emn} \Gamma_{mn} \cdot \exp{-jkD \sin \theta [(m - 0.5) \cos \phi + (n - 0.5) \sin \phi]}
$$
这个公式描述了超表面阵列的散射远场，其中：
- $\theta, \phi$ 是观察方向的角度
- $f_{emn}$ 是单元的方向图函数
- $\Gamma_{mn}$ 是单元的反射系数
- $k$ 是波数
- $D$ 是单元周期
通过优化每个单元的反射相位（即 $\Gamma_{mn}$ 的相位），研究团队实现了散射波的重新分布，从而降低了主要观察方向的RCS。实验结果显示，仅使用空间编码，就在7.7-8 GHz的频带内实现了超过10 dB的RCS降低。
时空编码：突破性的控制策略
为了进一步提高系统性能，研究团队创新性地引入了时间维度的编码策略。通过场可编程门阵列（FPGA）实时控制PIN二极管的开关状态，实现了对超表面单元反射特性的动态调控。时间编码的核心可以用以下公式来描述：
$$
\Gamma_{mn}(t) = \sum \Gamma_k x(t - k\tau)
$$
这个公式表示单元的反射系数随时间周期性变化，其中：
- $\Gamma_k$ 是第k个时间间隔的反射系数
- $x(t)$ 是脉冲函数
- $\tau$ 是脉冲持续时间
时间编码的引入带来了一个关键效果：散射能量被重新分配到不同的频率分量上。这可以用频域散射场公式来解释：
$$
E^r_{mn}(f) = \sum a_k E^i(f - kf_0)
$$
其中：
- $a_k$ 是傅里叶系数
- $E^i$ 是入射场
- $f_0$ 是调制基频
这个公式揭示了时间调制如何产生高次谐波分量，从而进一步降低主频上的RCS。
利用FPGA进行时空编码后：
- RCS降低：在7.3-8 GHz的宽频带内实现了超过10 dB的RCS降低，最大降低幅度达到35.6 dB。
- 性能提升：相比纯空间编码方案，在7.7 GHz处额外实现了约6 dB的RCS降低。
- 辐射性能保持：同时保持了良好的双极化辐射特性，满足通信需求。
应用前景
这项研究提出了一种具有辐射散射综合控制能力的新型超表面设计。在提出的设计中，辐射特性和散射特性之间不存在相互影响。通过在ON状态和OFF状态之间切换PIN二极管，所提出的超表面单元电池可以实现两个正交极化入射波的180°相位差。采用时空编码方案，设计的超表面单元在7.3-8GHz频段内可实现10dB的RCS降低，同时可获得良好的辐射性能。
所提出的方法可应用于：
- 低可探测通信系统
- 隐身技术
- 智能电磁环境构建
本文原文来自CSDN