编码超表面的卷积运算可实现对太赫兹波束的灵活连续调控

advs193-gra-0001-m电磁编码超材料是一种新型的基于数字编码序列来调控电磁波的人工电磁材料,由于其每个单元的反射和透射响应采用二进制数值来表征,因此也被称为数字超材料。通过将两种单元按照预定设计的编码序列排列在二维平面上,便形成了对电磁波具有某种调控功能的数字超表面,利用现场可编程门阵列(FPGA)硬件系统对单元结构中的开关二极管进行导通(状态“1”)和关闭(状态“0”),就可实现对入射电磁波的实时调控。这一概念自2014年被提出以来,受到了广泛关注和深入研究。然而,在之前采用的编码方案中,波束辐射/散射方向的调整是根据不同长度的梯度序列实现的,由于这些梯度序列的长度为离散值,因此扫描范围受限于某几个特定的角度,极大地限制了编码超材料在实际中的应用。通常认为,只有利用连续的相位分布才可实现连续的扫描角度,但由于超材料单元尺寸不可能无限地缩小,因此采用传统编码方案无法实现连续的波束扫描。

近日,东南大学崔铁军教授团队(第一作者为博士研究生刘硕)提出了一种全新的编码方案,使得仅采用有限个状态的编码单元就能够实现连续的角度扫描。得益于编码超材料的编码图案与其远场方向图之间的傅里叶变换关系,他们创新性地将信号处理中的卷积定理应用于远场方向图的调控,即通过在已有的编码图案上叠加另一个梯度编码序列,即可将其远场辐射方向图朝着某个设计方向偏转。这种将远场方向图旋转到更大角度的操作类似于傅里叶变换中将基带信号搬移到高频载波的过程。通过叠加不同的周期编码图案,远场方向图可被近乎无损的偏转到多个方向上,展现出所设计编码方案对电磁波强大和灵活的控制能力。基于此编码方案,仅需采用拥有四个编码状态的两比特编码超材料便可实现在上半空间任意角度的扫描。他们将这一概念在太赫兹波段进行了实验验证,实验结果与仿真结果和理论计算相吻合。

相关工作得到了国家自然科学基金、国家重大仪器专项以及高等学校学科创新引智计划的资助。实验测试工作在天津大学精仪学院太赫兹研究中心完成。