崔铁军院士、程强教授课题组在信息超材料方面取得重要进展

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近日，东南大学电磁空间科学与技术研究院、毫米波国家重点实验室崔铁军院士、程强教授课题组与移动通信国家重点实验室金石教授课题组在信息超材料领域取得新进展，利用时空编码数字超表面将信息直接加载到电磁波的空间谱和频率谱特征上，实现了空分和频分复用的无线通信新体制。研究成果以“A wireless communication scheme based on space- and frequency-division multiplexing using digital metasurfaces”为题，于3月18日发表在国际知名期刊《自然·电子学》（Nature Electronics）上。东南大学为第一署名单位，论文通讯作者为崔铁军院士、程强教授和金石教授，第一作者为东南大学张磊博士；合作者还包括东南大学博士生陈明正、唐万恺、戴俊彦、苗龙和周小阳老师。
        自2014年崔铁军院士课题组提出“数字编码与可编程超材料/超表面”的概念以来（Light: Science & Applications 3, e218, 2014），相关研究一直是国际超材料领域的热点。数字超表面通过改变编码序列来操控电磁波的辐射或散射特性，可以简化设计流程，便于仿真优化和加工测试；也使得在物理空间上进行信息编码与处理成为可能。数字编码的表征方式也在物理世界与数字世界之间建立了纽带，可以从信息科学的角度来研究超表面，形成了“信息超材料/超表面”的新体系（Journal of Materials Chemistry C 5, 3644-3668, 2017; iScience 23, 101403, 2020）。信息超表面能够实时操控电磁波、直接处理数字信息，并能进一步对信息进行感知、学习和认识。2018年，“时空编码数字超表面”概念的提出统一了空间域和时间域的编码，可以同时在空间域和频率域进行电磁调控和信息处理（Nature Communications 9, 4334, 2018），拓展了信息超表面的应用范围。
目前正处于第五代移动通信技术（5G）快速发展的时代，6G的研究也开始萌芽，未来无线通信对射频链路和大规模天线阵列提出了较高的性能要求，在成本、性能、功耗、集成度等方面面临诸多挑战。在移动通信领域，复用技术被广泛地用于信息传输，通过在收发机之间建立多个独立通道，大幅提升通信网络的容量。时分复用、频分复用、码分复用、空分复用等技术在过去几十年间被广泛研究用于移动通信。传统频分复用技术通常需要高性能滤波器和混频器来划分频带；传统空分复用技术需要多天线和相应射频部件构成多通道阵列体制收发机，导致了系统的高成本和高复杂度。

图1 基于时空编码数字超表面实现空分和频分复用的直接信息传输无线通信系统

       为了进一步提升时空编码数字超表面对电磁信息的强大调控能力，研究人员在该工作中利用时空编码数字超表面来精准地调控电磁波传播方向和谐波频谱分布，集能量辐射和信息调制功能于一体，同时在时间域和空间域编码并处理数字信息。通过优化时空编码矩阵，将信息直接加载到电磁波的空间谱和频率谱特征上，形成了空分复用和频分复用的新体制无线通信方法。根据目标用户数量和空间位置，采用预先设计的直接信息编码方案可以同时、独立地与多个用户进行实时信息传输，无需数模转换和混频过程（如图1所示）；同时还具备了方向调制的安全通信特性，在非目标位置的用户无法正确解调信息。

图2 基于时空编码数字超表面的双通道无线通信系统样机，同时、独立地朝两个用户传输不同的图片  

        作为原理验证，研究人员利用一款2比特数字可编程超表面搭建了一套无线通信系统原理样机，可以同时、独立地朝空间任意位置的两个用户传输不同的信息。不同用户具备独立的频率通道，实验中用户之间信号串扰很小，传输的结果证实了时空信息编码方案的可行性（如图2所示）。总之，这种基于时空编码数字超表面的新体制复用无线通信系统，具有成本低廉和结构简单的优势，省去了传统空分和频分复用技术中所需的天线阵列、混频器、滤波器等射频部件。时空编码数字超表面提供了一种低成本和低复杂度的方案来实施空分和频分复用技术，在未来新体制无线通信和雷达系统中具有广阔的应用前景。美国佐治亚理工学院的Shuai Nie和Ian F. Akyildiz教授以Nature Electronics上以“Metasurfaces for multiplexed communication”为题对该工作进行了专题介绍（Nature Electronics, doi.org/10.1038/s41928-021-00555-3, 2021）。
本工作得到了国家科技部重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项“微波毫米波数字编码和现场可编程超构材料的理论体系与关键技术”、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助。  


       文章链接:https://www.nature.com/articles/s41928-021-00554-4
       拓展阅读：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00555-3
       https://devicematerialscommunity ... ommunication-scheme  
      
      文章来源：东南大学
      崔铁军，东南大学信息科学与工程学院教授、博导，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2003年获得国家杰出青年科学基金。2019年当选为中国科学院院士。在Science、Nature 子刊、美国科学院院刊和PRL 等发表相关论文400余篇，出版专著3 部，论文被SCI 正面他引1万余次，授权国家发明专利63 项；作为第一完成人获2014 年国家自然科学二等奖、2018年国家自然科学二等奖、2016年军队科学技术进步一等奖及2011年教育部自然科学一等奖。崔铁军对超材料进行了系统性研究，创造性地提出用数字编码表征超材料的新思想及控制电磁波的新方法，实现了数字编码和可编程超材料，能实时操控电磁波和编码信息，开创了信息超材料新方向。首次从微波传输线的角度研究表面等离激元（SPP）超材料，发明了一种超薄、柔性、条带式SPP传输线。与传统微带线相比，其传输特性可定制，并可显著降低传输线间的互耦和干扰。研制出一系列SPP无源器件和有源器件，开辟了基于SPP传输线的微波技术新方向。在传统超材料领域，实现了宽带、低损耗超材料的快速准确设计，在国际上率先实验验证了“电磁黑洞”和三维宽带“隐身斗篷”等物理现象，解决了超材料在某些国防应用中的瓶颈问题，并应用于中国航天、航空、船舶等部门武器装备的研制。


       程强，东南大学教授，男，2001年和2004年于南京航空航天大学电子工程系获学士及硕士学位，2008年获东南大学无线电系电磁场与微波技术专业博士学位并留校工作，2009年破格为研究员，2010年入选东南大学特聘青年教授，并获教育部新世纪优秀人才支持计划和江苏省六大人才高峰计划资助，江苏省首批杰出青年基金获得者。主持国家自然科学基金、教育部博士点基金、863等项目，拥有多项国内专利, 获教育部自然科学一等奖、国家自然科学奖二等奖、科技部2010年度中国科学十大进展。现为国家部委专家组专家，国家自然科学基金评审专家，IEEE会员，美国光学学会OSA会员，中国电子学会高级会员，中国电子学会青年科学家俱乐部成员。曾任2008年和2010年度国际超材料研讨会技术委员会联合主席， 2013和2014年度PIERs会议分会场主席，并受邀在多个国际会议上做学术报告。在国际高水平刊物上发表论文七十余篇，他引1500余次。目前担任Physical Review Letters、Nanoscale等国内外学术刊物审稿人。