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太赫兹科学与电子信息学报 2025年第3期23卷 225-230页

作者：汪域石磊傅晓建蒋卫祥东南大学毫米波全国重点实验室江苏南京211189 上海航天电子技术研究所上海201108

随着6G技术的不断发展,太赫兹雷达、通信感知一体化逐渐成为电子信息领域的重要研究方向。可编程超表面凭借其重量轻、易共形和动态可调等优势,在太赫兹波束操控方面表现出很高的自由度,因而在通信、成像、雷达等方面具有重要的应用潜... 详细信息

随着6G技术的不断发展,太赫兹雷达、通信感知一体化逐渐成为电子信息领域的重要研究方向。可编程超表面凭借其重量轻、易共形和动态可调等优势,在太赫兹波束操控方面表现出很高的自由度,因而在通信、成像、雷达等方面具有重要的应用潜力。本文从加载半导体元件的可编程超表面设计理论出发,选取一款高频适用的GaAs变容二极管,构建了一种1 bit数字编码超表面,并对其亚太赫兹电磁响应和波束操控性能进行了表征。结果表明,该超表面阵列在W波段具有宽角度的动态波束赋形和波束扫描能力,实验结果与仿真结果吻合良好。

关键词：亚太赫兹可编程超表面波束赋形波束扫描

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基于深度神经网络的可编程超表面智能波束形成

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雷达学报（中英文） 2021年第2期10卷 259-266页

作者：李商洋符士磊徐丰复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室上海200433

通过在超表面单元上加载二极管等有源器件,可编程超表面可实现对电磁波的实时灵活调控。通常利用全波仿真软件计算可编程超表面的辐射场,但该方法需要消耗大量的时间,因而降低了设计效率。为了实现准确高效求解给定编码序列计算辐射场,... 详细信息

通过在超表面单元上加载二极管等有源器件,可编程超表面可实现对电磁波的实时灵活调控。通常利用全波仿真软件计算可编程超表面的辐射场,但该方法需要消耗大量的时间,因而降低了设计效率。为了实现准确高效求解给定编码序列计算辐射场,该文首先设计了辐射场自动测试系统,利用该测试系统实测了少量的编码和辐射场数据,其后提出了一个正向深度神经网络,基于实测的数据训练该神经网络,最终实现了给定编码准确高效预测辐射场。对于给定辐射场求解编码的逆问题,该文提出了一个逆向深度神经网络。基于正向网络生成的数据训练所提出的逆向网络,最终实现了给定辐射场实时准确求解编码。该文所提出的方法为雷达波束形成提供了一种新可选方案,在雷达智能波束形成、微波成像等领域有一定的应用价值。

关键词：可编程超表面离散偶极子近似深度学习全连接网络辐射场预测

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可编程超表面电磁实时调控与应用

可编程超表面电磁实时调控与应用

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作者：张信歌东南大学

学位级别：博士

超表面是指将亚波长人工单元按照一定阵列准则排布在二维表面上,形成具有特定调控功能的超薄阵列结构。超表面不仅能够在亚波长尺度精确调控电磁波的多个物理特征,而且具有厚度薄、易共形和制作相对简便等多个利于工程化应用的优点,吸... 详细信息

超表面是指将亚波长人工单元按照一定阵列准则排布在二维表面上,形成具有特定调控功能的超薄阵列结构。超表面不仅能够在亚波长尺度精确调控电磁波的多个物理特征,而且具有厚度薄、易共形和制作相对简便等多个利于工程化应用的优点,吸引了众多领域科研工作者的强烈兴趣和广泛关注。2014年东南大学崔铁军教授等人提出的数字编码和现场可编程超表面为超表面的研究注入了新活力,使得研究者可以从数字信息视角去设计超表面。通过改变编码序列即可实现电磁场与波的灵活调控,不仅简化了超表面对电磁调控的设计流程,更重要的是把超表面物理空间和数字空间连接起来,允许在单一超表面平台上同时调控电磁物理特性和处理数字信息。现场可编程超表面可通过数字编程方式实时产生不同功能,为研制多功能电磁器件和新架构电子信息系统提供了有效手段,应用前景广阔。本文以可编程超表面为研究主题,从控制方式、调控特征、功能、性能和应用等角度出发对其展开了深入和系统性研究,结合理论分析、结构设计、数值模拟和实验测试展示了可编程超表面对电磁波的强大实时调控能力及重要应用。主要研究内容和贡献概括如下:1)提出了一种光控电磁超表面的设计方案并基于该方案分别设计和实现了光控反射式数字编码超表面和光控透射式数字编码超表面,同时提出了利用电磁波幅度信息对超表面进行编码的新方法。实验结果证明在外部不同强度可见光控制下,加工的两种光控数字编码超表面能够分别用于动态调控电磁波反射波束和透射幅度。实现的光控方案可有效简化馈电网络设计,丰富了动态超表面的控制方式,对设计多物理场超表面和非接触式遥控超表面具有借鉴意义。2)提出、设计并实验验证了高度集成化的宽带光驱动可编程超表面。通过将多个独立的光传感网络与设计的宽带动态超表面进行一体化集成,可利用不同的光照图案来遥控超表面的微波反射相位分布,进而实时产生不同的电磁功能。作为演示,实验中用不同的光照图案远程控制该超表面实现了外部隐身、电磁幻觉和动态涡旋波束产生,实测结果与仿真结果吻合很好,验证了可在单一超表面平台上实现可见光实时调控电磁物理特征,为连接光信号和微波信号提供了接口。3)提出、设计了无需空馈结构的低剖面无源数字编码阵列天线和低剖面方向图可重构的现场可编程阵列天线并进行了仿真模拟和实验验证,研究结果均证明可以利用数字编码方法来直接调控电磁辐射波。4)提出并研制了正交极化波解耦实时调控的双极化独立可编程超表面。该双极化独立可编程超表面能够同时提供两路独立的电磁调控通道,拓展了可编程超表面的调控能力和功能,作为演示,利用其设计了用于圆极化波自旋控制的异或逻辑运算平台、定频大角度双波束扫描天线和双极化口径共享天线三种不同的功能器件,并在仿真和实验中得到了很好的验证。5)提出和设计了一种宽带全极化的时间调制可编程超表面并分析了其产生高效频率转换的原理。基于该时间调制可编程超表面和设计的自适应控制电路,研制了一套智能多普勒速度隐藏系统,它能根据运动目标的速度自动实现多普勒频移隐藏。实测结果表明该智能多普勒速度隐藏系统在不同极化和不同频率电磁波入射下均具有优异的性能,验证了在时域中实现电磁智能调控的可行性。6)提出和设计了一种可实现可见光信号到微波信号直接转换的光编程时间调制超表面并基于其搭建了一套混合通信系统原型。该光编程时间调制超表面能够将可见光携带的原始信息高效映射至微波载波上,无需复杂中继。实验中通过传输图片来验证混合通信系统的性能,结果证明它能通过可见光链路和微波链路分别发射和接收解调信息,实现数据的实时传输。

关键词：超材料数字编码超表面可编程超表面电磁调控无线光控阵列天线多功能器件时间调制智能隐藏混合通信

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可编程超表面实现双极化独立多波束反射阵天线设计

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空军工程大学学报 2023年第3期24卷 10-16页

作者：张娜陈克王逊凡赵健民赵俊明冯一军南京大学电子科学与工程学院南京210023

多波束反射阵天线因其制备简单、成本低、波束调控灵活等优势而备受关注。基于极化复用的可编程超表面提出了一种双极化通道独立波束动态调控的多波束反射阵天线设计方法,并结合方向图快速计算与优化算法,实现了快速的编码序列优化与方... 详细信息

多波束反射阵天线因其制备简单、成本低、波束调控灵活等优势而备受关注。基于极化复用的可编程超表面提出了一种双极化通道独立波束动态调控的多波束反射阵天线设计方法,并结合方向图快速计算与优化算法,实现了快速的编码序列优化与方向图预测。理论分析与全波仿真分析结果显示,反射阵天线在双极化通道下具有良好的辐射性能,主瓣辐射方向与理论计算结果一致。作为实验验证,加工了实物样件并在标准微波暗室中进行了测试。测试结果与仿真分析结果吻合良好,证明独立波束调控的双极化反射阵天线具有多通道电磁波辐射能力,有望应用于无线通信与多目标雷达系统中。

关键词：可编程超表面双极化通道反射阵天线多波束天线

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基于可编程超表面设计的复杂电磁波束产生与调控研究

基于可编程超表面设计的复杂电磁波束产生与调控研究

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作者：冯瑞西安电子科技大学

学位级别：博士

在电磁学领域,如何灵活调控电磁波(Electromagnetic waves,EM)的特性为通信和电子行业服务一直是一项极具挑战性的研究课题。人工电磁超表面概念的引入为灵活调控电磁波提供了新思路。人工电磁超表面是一种由亚波长单元结构组成的新型... 详细信息

在电磁学领域,如何灵活调控电磁波(Electromagnetic waves,EM)的特性为通信和电子行业服务一直是一项极具挑战性的研究课题。人工电磁超表面概念的引入为灵活调控电磁波提供了新思路。人工电磁超表面是一种由亚波长单元结构组成的新型二维人工电磁结构,可以实现对入射电磁波的相位、幅度和极化的灵活调控。然而,无源超表面因其一旦加工制造成型,构成超标面的单元结构的谐振特性也就随之固定,所以一般的无源超表面可实现的功能和工作带宽都十分有限。通过给人工电磁表面引入有源可控器件,单元结构的谐振特性就可以被动态调控,就可实现多功能与宽频带的可编程人工电磁超表面,为超表面在无线通信和无线传能等工程上的应用奠定了基础。本文介绍了两种基于压控变容二极管的反射式可编程超表面,其中一种是一维(one-dimensional,1D)可编程超表面,另一种是二维(two-dimensional,2D)可编程超表面。两个可编程超表面均可以实现对反射相位的调制。其中一维可编程超表面只能被一列一列的控制,只能实现沿着一个方向的相位调制。而二维可编程超表面的单元结构可以被独立调控,可以实现沿着两个方向的相位调制。基于这两个超表面研究了五种不同的应用,其中包括亚波长孔径处衍射电磁波的定向辐射、艾里波束、零阶贝塞尔波束、涡旋电磁波和电磁全息成像等应用的产生与调控。五个应用的具体研究内容总结如下:1.基于一维可编程超表面创新性提出了对通过亚波长缝隙所形成的衍射电磁波的动态定向辐射。这是首次使用可编程超表面实现对亚波长孔径处的衍射电磁波的动态定向辐射,尤其是在微波领域。首先,通过将对称的相位梯度应用到亚波长孔径两侧的一维可编程超表面来实现沿着超表面法线方向的定向波束的辐射,并通过改变应用到超表面上的偏置电压,实现了法线方向的定向波束在不同的工作频率下的辐射。此外,通过将不对称的相位梯度应用到亚波长孔径两侧的一维可编程超表面实现了不同偏转角度的定向波束的辐射。2.利用可编程反射超表面实现了无衍射艾里波束的动态产生与调控。利用1-bit相位编码的方法首次实现了在微波频段内的基于可编程超表面的艾里波束的动态产生和调控。通过特定方式调整加载到超表面的偏置直流电压,可编程超表面可以等效为具有1-bit相位编码能力的可调超表面。利用两个等效的1-bit可编程超表面,分别实现了对一维和二维艾里波束动态产生和调控。首先,对一维艾里波束做了参数化分析与研究,并实现了艾里波束在宽频带内的动态产生。然后,探讨并验证了艾里波束的无衍射、自弯曲和自恢复特性。为了并一步论证一维可编程超表面的调控能力,研究了艾里波束的波束偏转。其次,利用二维可编程超表面实现了二维艾里波束在宽频带内的动态产生。3.利用可编程反射超表面实现了零阶贝塞尔波束的动态产生与调控。基于两个可编程超表面研究了一维贝塞尔波束和二维贝塞尔波束的产生与调控。首先,通过在一维可编程超表面上应用不同的相位分布,实现了对零阶贝塞尔波束无衍射区域的动态调控。首次在微波领域揭示了零阶贝塞尔波束的两种远场模式,并对此现象给出了合理的解释。然后,分析了一维贝塞尔波束的无衍射和自恢复特性。此外,实现了对一维贝塞尔波束的波束偏转。其次,本文还研究了二维零阶贝塞尔波束的产生与调控。实现了对二维贝塞尔波束的无衍射区域的动态调控,并在宽频带内动态产生了二维贝塞尔波束。4.携带轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)的涡旋电磁波的动态产生与调控研究。首先研究在二维可编程超表面法线方向的单波束涡旋电磁波的产生,探讨了三种不同类型的涡旋波束的产生,包括拉盖尔-高斯波束、聚焦型涡旋电磁波和非衍射涡旋电磁波。通过比较三种类型的涡旋电磁波,得出同模态情况下无衍射涡旋波束具有最小发散角的结论。然后,利用二维可编程超表面实现了非衍射涡旋电磁波在宽频带内的产生。还提出了将超表面等分为四个区域,同时在四个不同方向的四模态涡旋电磁波的产生方法。5.基于二维可编程反射超表面的数字全息电磁成像和多比特空间能量编码研究。实现了利用改进的GSW(weighted Gerchberg-Saxton,GSW)算法的动态电磁全息成像的产生。在不同的电场检测平面和工作频率下研究了三种不同类型的电磁全息图像,包括多个聚焦点、阿拉伯数字和字母的全息图像。此外,基于二维可编程超表面首次提出了自由空间中多通道多比特能量的量化编码方法。

关键词：可编程超表面定向波束非衍射波涡旋电磁波电磁全息成像

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基于可编程超表面技术的电磁探测与感知

基于可编程超表面技术的电磁探测与感知

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作者：李赫东南大学

学位级别：博士

电磁波的空间穿透性使得电磁探测与感知系统在空间勘探、安保以及医学等领域中受到非常广泛的关注与应用,而对于传统的基于有源相控阵体制的电磁探测与感知系统,阵列中每个天线单元都需要连接一个独立的射频链路,从而带来了高成本、不... 详细信息

电磁波的空间穿透性使得电磁探测与感知系统在空间勘探、安保以及医学等领域中受到非常广泛的关注与应用,而对于传统的基于有源相控阵体制的电磁探测与感知系统,阵列中每个天线单元都需要连接一个独立的射频链路,从而带来了高成本、不易集成等缺点。作为一种新型技术,电磁超表面通过将亚波长尺寸的单元结构按照周期或者准周期的方式进行排列,通常只需要单个射频通道就可以实现对空间电磁波的精准调控,具有低成本、低损耗、易共形以及易集成等优点;近些年来,通过将有源器件加载到电磁超表面单元的设计中构造而成的可编程电磁超表面,实现了对入射电磁波的实时动态调控,为新型电磁系统以及新型电子器件的研制提供了更加灵活的设计方案,基于可编程电磁超表面的新体制电磁探测与感知系统的搭建也逐渐受到研究人员的关注。本论文在此背景下,从两个方面展开研究,分别为可编程电磁超表面的设计以及其在电磁探测与感知系统中的应用;首先从有源可编程实现的原理出发,探究并设计了一系列的单元结构分别完成对空间电磁波的相位、幅度、幅度相位联合以及非互易等电磁特性调控的功能,进一步基于构造的可编程超表面阵列完成了新型的波达角估计,成像与探测,智能波束以及非互易感知与通信一体化等系统的搭建与测试验证。本文的主要内容与创新点概括如下: 1)提出了一种新型的宽带幅度可切换透射式电磁超表面单元的设计方法,实现了单接收通道下对空间来波的频率和方位信息的联合估计。其中频率信息的感知基于旋转子空间不变算法来完成;角度信息的感知利用压缩感知算法来实现,通过给可编程超表面阵列加载不同的随机电压分布,从而产生多组对应的随机接收方向图,根据其差异性实现对角度信息的估计。通过系统搭建,在实验中分别对单个源、两个非相干源以及两个相干源这三种典型情况进行了测试验证。 2)提出了一种低剖面空间透射相位可编程电磁超表面单元的设计方法,通过改变加载到单元有源器件的电压,实现了透射相位的全覆盖变化。在此基础上,根据空间点扩散函数合成的原理,建立了一种新型的算法分别实现了近场的高分辨率成像以及远场的高分辨率探测。通过系统搭建,在实验中对近场摆放的金属目标和远场放置的角反射器目标进行了高分辨率成像与探测的验证。 3)提出了一种新型的空间传输幅度相位独立可编程电磁超表面单元的设计方法。该单元由接收天线、可编程衰减器、可编程移相器以及发射天线四个部分级联而成,通过单元仿真,单元波导测试以及阵列的加工定标测试验证了设计的超表面对于幅相调控的能力。在此基础上,对电磁探测中常用的智能波束形成以及带有能量配比的多波束形成算法进行研究,并在实验中进行了对应的波束测试验证,结果表明加载了幅度调制信息的可编程超表面相较于纯相位调制的可编程超表面具有更好的波束调控效果。 4)提出了一种基于功率放大器芯片的收发通道独立调控的非互易可编程电磁超表面单元设计方法。该单元结构通过在收发通路上放置功率放大器芯片以实现收发通路的隔离,同时每个通路上连接一个可编程移相器以实现独立的相位调制。基于设计的非互易可编程超表面阵列,在实验中测试了收发通道波束的独立调控功能,并进一步验证了其在感知与通信一体化系统应用中的可行性。

关键词：可编程超表面电磁探测电磁感知波达角估计高分辨率探测幅度相位独立调控非互易电磁超表面

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基于深度学习可编程超表面编码的研究与设计

基于深度学习可编程超表面编码的研究与设计

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作者：杨欣雨东南大学

学位级别：硕士

超表面(Metasurface)是一种二维人工电磁材料,通常由亚波长尺寸的电磁结构单元组成。随着无线通信和信息技术的快速发展,对于更高效、灵活且可控的电磁波调控技术的需求日益迫切,可编程超表面引起了广泛关注。与传统超表面相比,可编程... 详细信息

超表面(Metasurface)是一种二维人工电磁材料,通常由亚波长尺寸的电磁结构单元组成。随着无线通信和信息技术的快速发展,对于更高效、灵活且可控的电磁波调控技术的需求日益迫切,可编程超表面引起了广泛关注。与传统超表面相比,可编程超表面能够实现对电磁波的多种不同的动态调控功能,且其中多数功能都可以集成在一块超表面,为电磁波调控带来非常广阔的可能性。本论文在时间和空间维度上对可编程超表面进行研究,从原理、仿真、加工制造、实验验证等角度全面深入地研究了可编程超表面灵活调控电磁波的机理。此外,本论文还结合了深度学习等相关技术,实现了可编程超表面编码的实时精确设计。主要研究内容和贡献概括如下: 1.研制了一款1-bit反射式可编程超表面。通过控制超表面单元上加载的PIN二极管的工作状态(导通或截止)实现1-bit相位调控;基于此单元,进一步设计了Ka波段1-bit可编程16×16低剖面超表面阵列,该超表面阵列可实现单波束±60°宽角扫描功能;最后制作了该可编程超表面及其控制电路,并进行实验测试,测试结果较好地验证了仿真预测。 2.训练了一个卷积神经网络模型,验证了其针对1-bit可编程超表面进行自主编码设计的可行性。对19654个包含需求信息的训练数据进行了预处理;网络结构包含6个卷积层、4个池化层和1个全连接层;通过实验验证了该卷积神经网络的性能。具体训练结果显示,网络在接收波束信息后,能在4毫秒内输出预测编码矩阵,准确度达到96%以上,预测波束方向图与仿真结果基本一致。 3.基于时空编码超表面调控电磁波的原理,通过理论分析和实验验证,证实了时空编码对于空间电磁波调控的灵活性和优越性;通过在时空编码中引入不同的时延,产生额外相移,将1-bit编码等效为3-bit编码,实现了更精确的谐波调控,简化了单元设计和馈电网络,仿真和实验结果表明,不同时延的控制信号加载至超表面时的各阶谐波方向图与预期一致;基于调制解调原理,提出了基于时空编码超表面的BFSK、QPSK调制方案,搭建了基于时空编码超表面的BFSK无线通信原理验证系统,实验表明,该时空调制方案有效地实现了信息传输功能。

关键词：可编程超表面时空编码超表面深度学习新架构无线通信系统

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基于可编程超表面的覆盖增强无线传输关键技术研究

基于可编程超表面的覆盖增强无线传输关键技术研究

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作者：曹凡东南大学

学位级别：硕士

2019年是5G商用元年,随着5G的商业部署,对下一代移动通信系统的研究业已展开。6G的研究亟需突破性的创新技术来应对硬件成本、系统能耗、频谱效率等多方面提出的新挑战。可编程超表面作为一种新型的人造电磁表面,因其可以实现独特的电... 详细信息

2019年是5G商用元年,随着5G的商业部署,对下一代移动通信系统的研究业已展开。6G的研究亟需突破性的创新技术来应对硬件成本、系统能耗、频谱效率等多方面提出的新挑战。可编程超表面作为一种新型的人造电磁表面,因其可以实现独特的电磁物理特性,引起了科学家们的广泛关注。随着超材料和微电机系统的发展,可编程超表面通过外部信号控制,能够对电磁波的幅度、相位等电磁参数进行实时操控;同时,通过编码调控的方式可以使可编程超表面携带信息,给6G移动通信系统架构提供了新的思路和可能。基于以上背景,本文利用可编程超表面对电磁波的定向控制能力,对基于可编程超表面的覆盖增强无线传输关键技术展开研究。首先,回顾了五代移动通信系统的发展历史,简要介绍了每代移动通信系统的关键技术及标准制式。重点讲述了5G三类典型应用场景和三大核心关键技术。随着5G关键技术向6G的进一步演进,本文详细阐述了6G愿景和三项候选关键技术,同时指出了6G研究中存在的挑战及利用可编程超表面解决相关问题的可能性。随后详细介绍了可编程超表面的结构、分类和发展历程,同时总结了可编程超表面的两大热点研究方向。其中,就本文关心的覆盖增强问题,总结了基于可编程超表面的中继设备的优势和传统中继设备的不足。接着,对基于集中式可编程超表面无线中继系统覆盖增强技术展开研究。先介绍了基于集中式可编程超表面无线中继系统架构的主要组成,完成对系统信道和接收信号的建模。在基站端已知完美CSI的条件下,推导出基于Jensen不等式的系统上行遍历可达速率的上界,Monte-carlo仿真结果显示了该上界具有很好的紧性;同时通过理论推导得出可编程超表面最优相位的闭式表达式。在基站端已知非完美CSI的条件下,提出一种基于分段导频的级联信道估计方法,通过理论推导和迭代算法最终实现对可编程超表面的相位设置。数据仿真得到的MSE曲线显示在信噪比为14d B时,MSE约为-10 d B,可以实现很好的信号传输,同时给出了基于迭代算法的可编程超表面渐进最优相位的设置值。然后,对基于分布式可编程超表面无线中继系统覆盖增强技术展开研究。对系统信道和接收信号建模后,基于Jensen不等式,推导出系统下行遍历可达速率的上界,Monte-carlo仿真结果显示在高信噪比和不同莱斯因子下,此上界可以作为系统下行遍历可达速率的近似解。为了简化分布式系统中相位设计的难度,考虑在基站端配备大规模天线的场景下,推导出第二章中的理论最优相位表达式可作为分布式系统下的渐进最优解。随后在考虑最大化用户可达速率和调度公平性两个准则下,提出一种基于贪心算法的可编程超表面调度算法,以穷举法、贪心算法、随机选择为参考算法,在分布式系统中对可编程超表面进行了调度。仿真结果显示随着可编程超表面调度数目的增加,本算法能够达到与贪心算法相同的性能,同时能够兼顾调度的公平性和效率。最后,对基于可编程超表面的无线中继性能展开实际测量与验证。搭建了基于可编程超表面作中继的简易原型系统,详细介绍了系统架构和硬件设备。随后对可编程超表面的控制电磁波的方向的作用原理和控制电压与相位的关系进行说明。之后,在微波远场暗室中对可编程超表面的中继能力进行测试。接收得到的同频电磁波的方向图显示,可编程超表面能够定向地控制电磁波的传播方向且与理论仿真结果匹配较好,同时分析了不同列的相位设置梯度与电磁波反射角度大小的关系,从而为在无线通信系统中引入可编程超表面作中继提供实测支撑。

关键词：可编程超表面覆盖增强遍历可达速率无源波束赋形相位设计分布式调度

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毫米波和太赫兹数字可编程超表面设计

毫米波和太赫兹数字可编程超表面设计

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作者：石磊东南大学

学位级别：硕士

超表面作为一种由亚波长单元结构组成的二维平面人工电磁材料,在全频段内具有对电磁波的强大操控能力。数字可编程超表面通过集成可调控元件或材料,实现了超表面的数字化表征和实时可编程,进而获得电磁波束的灵活调控,并在信息系统中得... 详细信息

超表面作为一种由亚波长单元结构组成的二维平面人工电磁材料,在全频段内具有对电磁波的强大操控能力。数字可编程超表面通过集成可调控元件或材料,实现了超表面的数字化表征和实时可编程,进而获得电磁波束的灵活调控,并在信息系统中得以应用。本文主要围绕毫米波太赫兹频段内可编程超表面的调控机理与设计方法展开研究,通过理论分析、模型仿真以及实验测试验证了所设计的可编程超表面对于毫米波与太赫兹波的调控性能。主要内容与创新点如下:1.研制了一种基于变容二极管的W波段可编程超表面。通过引入电控变容二极管获得1-bit相位编码单元,结合数值仿真与实验验证了不同编码序列超表面的波束异常偏折效果。该工作将可编程超表面的工作频率拓展到W波段。2.研究了一种基于液晶的太赫兹可编程超表面。通过集成介电可调液晶材料设计了1-bit相位编码单元,进而开发了一维电控可编程超表面,远场波束反射测试结果表明,超表面阵列在25°-55°内具有宽角度的波束扫描功能。3.设计了一种2-bit独立可控的可编程超表面。通过在超表面单元上加载两个PIN二极管获得了2-bit相位编码,结合远场散射幅度公式与复数加法定理设计了毫米波二维可编程超表面,实现了自由空间内单波束和多波束的形成及波束操控。

关键词：可编程超表面液晶波束形成波束扫描多波束

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基于可编程超表面的微波计算成像技术研究

基于可编程超表面的微波计算成像技术研究

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作者：黄梓艾东南大学

学位级别：硕士

可编程超表面因其灵活的电磁调控能力和成本低、结构简单等优势而被广泛应用于雷达系统和通信系统的研究。计算成像技术则由于借助简化的物理架构获得高保真成像的能力而成为研究热点。本文将可编程超表面用于微波计算成像技术研究中,... 详细信息

可编程超表面因其灵活的电磁调控能力和成本低、结构简单等优势而被广泛应用于雷达系统和通信系统的研究。计算成像技术则由于借助简化的物理架构获得高保真成像的能力而成为研究热点。本文将可编程超表面用于微波计算成像技术研究中,提出了基于同一个可编程超表面平台实现远场雷达探测成像和近场散射成像的机制。本文主要工作如下: 1.设计可编程超表面的结构和功能。设计工作在28GHz的1-bit反射式超表面和透射式超表面;对应用可编程超表面实现波束赋形功能以及信号调制功能进行分析,并进行仿真和实验验证,为搭建微波计算成像系统奠定结构和功能基础。 2.介绍基于可编程超表面的雷达探测成像机制,即远场计算成像。基于可编程超表面生成的二相编码信号构建回波信号模型,实现距离-速度探测成像;同时基于可编程超表面生成的和差波束的差和比实现水平位移估计。在此基础上进行雷达探测成像和通信一体化的研究拓展,并进行仿真和实验验证,最后对遗传算法提高一维距离像性能进行仿真探究。 3.介绍基于可编程超表面的散射成像机制,即近场计算成像。基于可编程超表面生成的随机辐射模式构建散射成像模型,实现目标散射成像,同时通过仿真和实验研究基于不同算法得出的散射成像质量,在此基础上进行散射成像和通信一体化的研究拓展,并进行仿真和实验验证,最后结合二相编码测距,通过仿真实现自适应散射成像。

关键词：可编程超表面二相编码信号和差波束雷达探测成像散射成像

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