近日，香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室陈志豪教授团队与东南大学毫米波全国重点实验室崔铁军院士和程强教授团队合作，共同研发了具有边带抑制效应的波导集成时空编码超表面天线。该天线通过对超表面单元的辐射和不辐射两种状态进行编码切换，在空间和频率维度上实现了对电磁波的复杂调控功能。相关成果以“Sideband-Free Space-Time-Coding Metasurface Antennas”为题发表在国际顶尖期刊Nature Electronics上 [1]。香港城市大学吴耿波博士和东南大学戴俊彦副研究员为论文共同第一作者，戴俊彦博士、程强教授、崔铁军院士和陈志豪教授为共同通讯作者。
研究背景
随着全球5G移动信息网络开始商用，6G的研究已经引发了全球各研究机构和通信企业的浓厚兴趣。可重构智能超表面（RIS）作为一种新型的人工电磁超表面，具有灵活调控电磁波的频率、幅度、相位、极化和传播方向等特性 [2]，其低成本、低能耗、轻质量等优点使其成为面向下一代6G无线通信网络的关键使能技术之一。空时编码超表面在传统的基于空间相位调制的超表面基础上，引入了时间这一额外自由度，极大地拓展了超表面的电磁调控能力和应用范围 [3]。但时间调制的引入往往伴随着许多不希望的谐波频率（即边带）产生，这些边带不但会分走一部分电磁能量，还会干扰相邻电磁频道，造成转换效率低和频谱污染等问题。这些问题成为目前阻碍空时编码超表面 [4]和时间调制阵列天线 [5]广泛应用的瓶颈，是业界亟待解决的关键问题。
图1.波导集成时空编码超表面天线原理图
创新研究
目前，空时编码超表面的主要研究集中在反射式或透射式类型，其入射波和出射波都是自由空间中的电磁波。而研究团队提出的波导集成时空编码超表面天线将超表面附着在波导传输线上（如图1所示），每个超表面单元集成了PIN二级管，通过FPGA实时独立地让每个单元在辐射和不辐射两种状态（即1比特）进行切换。通过加载不同的1比特时空编码矩阵，超表面天线即可将波导中的电磁波（即导波）转化为自由空间中的电磁波（即空间波），并能对其在频率和空间维度上进行灵活调控。
研究团队首先从理论上推导了波导集成空时调制超表面的辐射特性。每个超表面单元的辐射状态随时间周期变化，这样的周期变化会产生非线性效应，从而产生各种谐波频率。然而只有满足相位匹配条件的谐波频率可辐射到自由空间，而其他非期望谐波频率（边带）由于和自由空间及波导动量不匹配而被抑制（图2）。因此，波导集成时空编码超表面能实现高效的频率转化并自带滤波特性，有效地解决了空间波入射空时编码超表面的边带污染问题。
图2.时空编码超表面天线实现高效频率转化
研究团队在前期关于空间幅度调制（AM）漏波天线的文章中指出，产生高增益漏波辐射的关键是在波导口径表面形成正弦形式的幅度分布 [6]。无源的AM漏波天线可以通过调节如人工表面等离子激元（SSPP）传输线的宽度实现，但其功能固定，难以实现动态波束扫描或功能可重构 [7]。在本工作中，研究团队从理论上推导出空时编码调制在基频上具有时间平均效应，并利用该效应在基频处形成等效正弦幅度分布，从而在基频可有效地实现高增益辐射和动态波束扫描（图3）。此外，研究团队还利用超表面单元具备深亚波长结构的特性，采用空分复用的形式对超表面单元进行调控，实现了多谐波独立调控的功能（图4），可应用于多目标探测和多用户通信等场景。
图.3时空编码超表面天线实现基频波束扫描
图4.时空编码超表面天线实现多谐波独立调控
相对于传统的自由空间馈电空时调制超表面，研究团队此次提出的基于波导集成的时空编码超表面无须额外馈源激励，直接与馈源集成，具有小型化、低剖面、简单1比特调控和无边带污染等优点，可广泛应用于下一代6G移动通信网络、认知雷达、实时成像等领域。
研究团队
陈志豪，香港城市大学讲席教授，IEEE Fellow，香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室主任，长期致力于计算电磁学、毫米波电路与天线、太赫兹器件的研究。曾获美国国家科学基金会总统青年研究员奖（1991年）及国家自然科学基金委香港和澳门青年学者联合研究基金（2004年）。2011年获国家技术发明二等奖（排名第二）、2019年荣获IEEE天线与传播分会Harrington-Mittra计算电磁学奖（国际CEM领域最高荣誉之一）及美国伊利诺伊大学电气和计算机工程杰出校友奖。
崔铁军，东南大学首席教授，中国科学院院士，IEEE Fellow，东南大学毫米波全国重点实验室主任，东南大学电磁空间研究院院长，长期从事电磁超材料和计算电磁学的研究工作，创建了信息超材料新体系，负责开发了自主可控的电磁专用仿真软件，取得了显著的经济效益与社会效益。研究成果入选2010年中国科学十大进展、2021年全国高等学校十大科技进展等，作为第一完成人获2011年教育部自然科学一等奖、2014年国家自然科学二等奖、2018年国家自然科学二等奖等。
程强，东南大学教授，东南大学毫米波全国重点实验室副主任，国家自然科学基金杰出青年基金获得者，长江学者奖励计划青年学者，东南大学青年首席教授，江苏省首批杰出青年基金获得者，并获教育部新世纪优秀人才支持计划、江苏省333人才工程以及江苏省六大人才高峰计划资助，IEEE高级会员，长期从事电磁超材料研究工作，是科睿唯安中国高被引学者。研究工作入选2014年和2018年国家自然科学奖二等奖（均排名第4），2010年度中国科学十大进展、2011年度教育部自然科学一等奖（排名第3）和2021年度中国高等学校十大科技进展。
戴俊彦，东南大学副研究员，博士毕业于东南大学，曾任香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室博士后研究员。主要研究方向为智能超表面及其在下一代无线通信技术中的研究与应用。
吴耿波，博士毕业于香港城市大学电机工程系，现为香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室博士后研究员。主要研究方向为毫米波/太赫兹天线、超构表面及其在通信和成像中的应用。
参考文献
G. B. Wu, J. Y. Dai, Q. Cheng, T. J. Cui, and C. H. Chan, “Sideband-free space-time-coding metasurface antennas,” Nature Electronics, 2022. doi: 10.1038/s41928-022-00857-0
Q. Cheng, L. Zhang, J. Y. Dai, W. Tang, J. C. Ke, S. Liu, J. C. Liang, S. Jin, and T. J. Cui, “Reconfigurable intelligent surfaces: Simplified-architecture transmitters—from theory to implementations, ” Proceedings of the IEEE, vol. 110, no. 9, pp. 1266-1289, 2022.
J. Y. Dai, et al., “High‐efficiency synthesizer for spatial waves based on space‐time‐coding digital metasurface, ” Laser Photonics Rev., vol. 14, no. 6, pp. 1900133, 2020.
J. Y. Dai, J. Zhao, Q. Cheng, and T. J. Cui, “Independent control of harmonic amplitudes and phases via a time-domain digital coding metasurface, ” Light Sci. Appl., vol. 7, no. 1, pp. 1-10, 2018.
S. Yang, Y. B. Gan, A. Qing, and P. K. Tan, “Design of a uniform amplitude time modulated linear array with optimized time sequences, ” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 53, no. 7, pp. 2337-2339, 2005.
G. B. Wu, Q.-L. Zhang, K. F. Chan, B.-J. Chen, and C. H. Chan, “Amplitude-modulated leaky-wave antennas, ” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 69, no. 7, pp. 3664-3676, 2020.
G. B. Wu, S.-Y. Zhu, S. W. Pang, and C. H. Chan, “Superheterodyne-inspired waveguide-integrated metasurfaces for flexible free-space light manipulation,” Nanophotonics, vol. 11, no. 20, pp. 4499-4514, 2022.
