近年来，超材料和超表面（Metasurface）已逐渐展现出对于电磁波的强大调控能力。2018 年，电磁学专家、东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军院士和团队，曾提出时域编码和时空编码超表面（STCM，space-time-coding metasurfaces）概念。
图 | 崔铁军（来源：资料图）
即通过时空联合编码的方式，对电磁波的幅度、相位、频率、极化及其携带的基带信号进行实时的联合调控，这为无线通信、宽带隐身、波束捷变、频率合成、极化转换等应用开创了全新途径。
然而，在信号调控研究方面，目前时空编码超表面仅能处理窄带信号。由于缺乏宽带信号的处理能力，导致其在雷达感知等应用场景中依旧略显不足。
近日，崔铁军以及东南大学信息科学与工程学院教授程强，在一项新工作中提出了一种基于时空编码超表面的调频连续波（FMCW，frequency-modulated continuous waves）生成以及调控的理论框架，为超表面在宽带信号的生成和处理注入全新思路。
图 | 程强（来源：程强）
这项工作表明，时空编码超表面具有一定的连续时间信号生成和调控能力。其未来的潜在应用如下：
一、可用于设计高灵活度、低成本的超表面射频前端。目前，射频信号处理大多是在电路层面进行，存在复杂度高、集成难度大、造价高昂等缺点。
而对于时空编码超表面来说，它可通过调控空间电磁场，来实现对于电磁信号的实时处理。这种天然的优势可用于设计高灵活度、低成本的超表面射频前端，有望代替或部分代替传统通信、雷达系统的射频前端部分。
二、可用于构建基于超表面的新体制雷达系统。研究中，该团队利用时空编码超表面产生了 FMCW 信号，该信号可被广泛用于雷达脉冲压缩技术中。
另一方面，具备空间波束调控能力的超表面，还可用于实现低成本的相控阵。
结合以上两点，在未来雷达系统中，超表面兼具 FMCW 信号的生成、波束调控与辐射功能，有助于构建起一种基于超表面的新体制雷达系统。
程强表示：“可以预见的是，超表面与雷达系统的深度融合，将会大大降低新体制雷达系统的制造成本和设计复杂度。”
（来源：Light: Science & Applications）
面向未来的新体制雷达系统架构
据介绍，在现代雷达系统中，面对复杂多目标的高精度测速以及测距需求，脉冲压缩技术已经获得广泛应用。FMCW 信号是一类典型的脉冲压缩信号，具有很高的实用价值。
然而，FMCW 信号主要依靠压控振荡器或直接数字合成技术产生。而且，FMCW 信号模块难以与天线模块集成，导致整个雷达系统的成本居高不下，以及存在高复杂度的缺陷。
在此次工作中，该团队通过一块时空编码超表面，即可实现多种 FMCW 信号的生成、及其波束的实时调控，借此提出了一种基于时空编码超表面的低成本、高效率的雷达 FMCW 信号生成和调控方法，从而探索面向未来的新体制雷达系统架构。
（来源：Light: Science & Applications）
在研究的第一阶段，课题组主要探索基于时空编码超表面的 FMCW 信号生成理论。由于 FMCW 信号具有时变频率和相位连续特性，因此时空编码超表面的时变相位响应，应设计为非线性时变相位响应，并且相位的变化范围需要达到 2π 的整数倍。
基于这一思想，经过详细的理论推导，研究团队确定了生成 FMCW 信号的条件，并在该条件下得出了 FMCW 信号的时-频关系表达式，也总结出了基于时空编码超表面的 FMCW 信号生成理论。
随后，通过应用上述理论，其又分别分析了几类典型的线性和非线性 FMCW 信号，让该理论的可靠性得到了示例性的证明。
在第二阶段，基于时空编码超表面的 FMCW 波束调控理论，成为该团队的又一探索对象。受广义斯涅耳定律的启发，他们在超表面每一列的时变相位响应中，都引入了一个初始相位，从而在超表面上形成一个初始相位梯度。
运用广义斯涅耳定律的结论，此时的 FMCW 波束将会发生波束偏转。再通过实时改变初始相位梯度，就能让超表面具备对于 FMCW 波束动态的调控能力。
在第三阶段，则需对时空编码超表面进行设计。根据 FMCW 信号的生成理论，时空编码超表面应具备 360°全相位的覆盖能力。
“我们经过合理的单元设计、严格的电磁仿真、以及标准化的样品制造等过程，成功研制出了一款 360°全相位覆盖的时空编码超表面。样品的实测相位调控特性、与电磁仿真结果一致，这为后续实验计划提供了硬件支持。”程强表示。
第四阶段，则聚焦在实验验证上，尤其是验证时空编码超表面的 FMCW 信号生成、以及 FMCW 的波束实时调控能力。
这里涉及到两款精密工具：时空编码超表面驱动平台和软件无线电接收设备。在它们的辅助下，由时空编码超表面生成的 FMCW 信号得以顺利获取。
通过分析接收到的信号，该团队发现实验测得的信号时-频特性与预测结果一致。此外，他们还在不同初始相位梯度下，测量了时空编码超表面的 FMCW 散射方向图。
其中，FMCW 主波束的偏折角均与预测结果一致，这证实了如下规律：时空编码超表面对于不同类型 FMCW 波束，的确具备实时调控的能力。同时，也让研究的可靠性和实用性得以证实。
近日，相关论文以《由具有非线性周期相位的时空编码超表面控制的调频连续波》（Frequency-modulated continuous waves controlled by space-time-coding metasurface with nonlinearly periodic phases）为题，发表在 Light: Science & Applications 上（IF 20.257）。
图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）
程强和崔铁军担任共同通讯作者，第一作者为该团队的柯俊臣博士，共同第一作者为该团队的戴俊彦副研究员、以及张俊伟博士[1]。
论文收获了如下评审意见：“作者们提出了一种利用时空编码超表面产生各种 FMCW 信号并操控其传播方向的方法。通过案例分析，总结出了产生 FMCW 信号和实现其波束调控的理论。
随后，作者们在一款全相位覆盖的时空编码超表面上，进行了 FMCW 信号产生及其波束调控的实验，实验结果与理论预测一致。总的来说，这项工作很有趣，所提出的方法可在微波检测和测量领域中找到重要应用。”
（来源：Light: Science & Applications）
将继续研究基于超表面的新体制雷达系统架构
而基于此次成果，课题组将对基于超表面的新体制雷达系统架构，展开进一步的研究。重点可分为三个方面：
其一，进一步拓宽 FMCW 信号的带宽。众所周知，雷达的空间分辨率主要取决于雷达信号的带宽。然而，目前受到实验室硬件条件的限制，时空编码超表面所生成的 FMCW 信号带宽还不能完全满足实际雷达系统的需求。后期，研究团队将进一步改善控制信号波形质量，提高超表面的幅度和相位刷新速度。
二、进一步挖掘超表面处理雷达信号的能力。此次工作旨在研究基于时空编码超表面的连续时间信号生成和调控技术，目前尚未开展基于时空编码超表面的复杂信号处理研究。在后续的研究计划里，也可以围绕超表面的时变特性，以探索其对于电磁信号的实时采集和处理的能力。
三、探究新体制雷达系统的具体实现架构。在超表面处理雷达信号的能力得到充分挖掘之后，课题组后期考虑利用超表面构建一个新体制的雷达系统，并建立起一套完整的基于超表面的雷达系统性能评估体系。
参考资料：
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://doi.org/10.1038/s41377-022-00973-8
