智能电磁感知超表面理论与设计研究

Intellectualization has become an inevitable trend in wireless information systems. In this project, the concept of intelligent material is integrated into electromagnetic metamaterials, and the scientific concept and idea of intelligent electromagnetic sensing metasurface are put forward. Intelligent electromagnetic sensing metasurface crosses many directions such as beam estimation, adaptive technology, metamaterial reconfigurable technology, and electromagnetic wave control theory. It provides a new dimension for metamaterial function design. This novel type of metasurface can realize the sensing and estimation of electromagnetic characteristics such as frequency, polarization, direction and so on. It can adaptively reconfigure its own electromagnetic characteristics and control the electromagnetic waves in real time. This project will study the electromagnetic sensing mechanism by the characteristic mode theory and beamforming theory, use of "field" - "circuits" conversion method to design intelligent electromagnetic metasurface unit cell structure and use the sequential control method to effectively reduce the complexity of two-dimensional reconfigurable metaurface bias network. This project focuses on the sensing the unknown electromagnetic wave characteristics, controlling the frequency of electromagnetic wave or the Doppler shift of moving target. In addition, this project will reduce the complexity of two-dimensional metasurface and make it more suitable for practical applications.

智能化已成为目前电磁信息领域的必然发展趋势。本项目将智能材料概念融入到电磁超材料技术中，提出智能电磁感知超表面的科学概念和思想。智能电磁感知超表面能够对未知电磁波的频率、极化入射角度等电磁特征进行精确估计，并自适应可重构，对电磁波进行动态调控。它将波束估计技术、自适应技术、可重构超材料技术、电磁波调控理论等多学科方向交叉起来，为超材料功能设计提供新的维度。本项目将基于特征模和波束估计等理论对智能电磁感知超表面的电磁感知机理进行研究，利用“场”-“路”信息转换的方法设计智能电磁超表面的基本单元结构，并采用时序控制方法有效降低目前二维可重构超表面控制网络复杂度。本项目将着重解决当前超材料无法对未知电磁波特征进行感知的问题，并弥补超材料无法控制电磁波频率或移动目标多普勒频移的不足，同时降低二维可重构超表面复杂度，使其更加适用于实际应用场景。

项目针对电磁感知超表面理论与设计展开研究，采用人工电磁结构的新理论、新方法和新技术，提出“耦合-传输-解耦”的新思想和新方法，提出基于贝叶斯学习的来波估计算法，对新型高性能电磁信息收发及调控器件进行基础科学研究和应用研究，满足目前新一代信息网络对低成本、高性能、轻量化电磁器件及天线的工程应用需求。.项目提出的“耦合-传输-解耦”模型的核心思想为在自由空间中二维人工电磁结构（超表面）的设计过程引入导波的概念与技术，突破传统人工电磁结构设计机制在灵活、独立调控电磁波幅度、相位和极化方面的限制与瓶颈，为按需设计具有颠覆性性能或新功能的新型人工电磁结构设计提供新的物理机制和更大的设计自由度。该设计思想认为自由空间电磁波调控的物理机制为：入射电磁波在耦合结构中高效激励出与传输线阻抗匹配的电流或电磁场，转换为导波后利用电路技术对其进行调控，最后通过解耦结构将导波电磁能量转换为其他形式能量，实现人工电磁结构对电磁波幅度、相位和极化的灵活、独立调控，并应用于高性能、低成本、多功能的电磁器件及天线设计，满足下一代信息技术的需求。.项目创新性地基于该思想方法提出了利用三个设计参数分别独立调控电磁波幅度、相位、极化三个基本参数的新型人工电磁结构模型，并将其应用于高性能、多功能的新型电磁器件和天线：1）实现了具有更高的频域和空域滤波特性的空间滤波极化调控结构，为新一代信息网络中无线接收机抗干扰提供新的机制；2）基于谷霍尔效应发现了拓扑绝缘体波导与微带线等片上器件通用接口的高效兼容方法，在微波和太赫兹波段实现了新型拓扑功分器和定向耦合器，为深空信息网络中高性能片上器件提供了新的解决方案；3）提出了新型高性能、低复杂度、多功能集成的可重构智能表面（RIS）设计方法，为新一代无线通信信号高效绿色覆盖提供了新的构想和高性能硬件方案。