微波工程--数字编码超表面_理论

微波工程--数字编码超表面

数字编码超表面的提出将局部几何、本构参数和电磁（EM）响应（例如，相位、振幅和极化）离散化，以便它们可以通过数字序列（例如，“0”和“1”）表示。这一概念打破了传统模拟和数字设备之间的界限，在物理世界和信息世界之间架起了桥梁，并为超表面设计开辟了新的前景。

数字编码超表面

As shown below👇

工作原理

数字编码和可编程超表面的一般概念最早是在2014年由 Cui 等人在下面文章提出的。

T. J. Cui, M. Q. Qi, X. Wan, J. Zhao and Q. Cheng, "Coding metamaterials digital metamaterials and programmable metamaterials", Light Sci. Appl., vol. 3, no. 10, pp. e218, Oct. 2014.

对于最简单的二进制（1-b）场景，提出结构包括两种元件的 2D 排列，其特征是反射相位为 0 和 180°，分别与二进制数字“0”和“1”相关联。

基于亚波长金属片状晶胞的可能超表面实现如图所示。

通过优化贴片边长 w，可以在特定工作频率下合成两个相位差为 180° 的响应。图 1（b）显示了编码元件“0”（w = 4.8 mm）和“1”（w = 3.75 mm）在 7 至 14 GHz 范围内的相位响应，相位差由红色虚线表示。

理论应用方面介绍

半分析建模

Wan 等人提出了一种适用于半解析处理的编码超表面的近似建模。在二进制情况下，编码模式中的位通常与两个不同的反射相位相关联，尽管也可以考虑幅度和极化。

信息论方面

信息论中一个典型的场景是多个发射器通过多个通道将信息传输到多个接收器。受到香农信息熵概念的启发，该概念量化了每条信息中携带的信息，崔铁军等人提出了一个类似的度量来量化与编码超表面相关的信息。

基于卷积的操作

为了将散射模式引导到任意预先设计的方向，可以利用卷积类型的操作。在信号处理中，卷积意味着频谱的变化，即

定义散射模式偏移的原理如下：

因此，通过将编码模式E（xλ）乘以与e^jxλsinθ0相关的梯度编码序列，可以获得量sinθ0（在角坐标系中）的转向。

End

在未来一个重要的方向是朝着智能超表面发展，现阶段主要包括两个分支：1） AI 驱动的设计和 2）传感器集成的可编程平台。下一代智能超表面将展示更先进的传感和识别能力，以主动学习真实场景中的电磁特性并做出适当的响应，并将能够直接在电磁波空间中执行复杂的计算任务。

来源：灵境地平线

模式理论--特征模理论的新课题

Characteristic mode analysis (CMA) 的研究在过去几十年中取得了长足的发展，特别是在涉及导电体天线设计的应用中。目录介电和磁性结构的公式扩展在散射控制中的应用纳米粒子散射分析与优化CMA新兴课题As shown below👇新兴应用简介1、介电和磁性结构的公式扩展材料体（介电和磁性材料）的CMA的体积积分方程（VIE）和表面积分方程（SIE）的原始形式在导电体之后不久被提出。然而，直到最近几年，介电介质这个话题才受到了更多的兴趣。这种转变是由于人们对 CMA 的兴趣重新抬头，以及许多天线（例如，介电谐振器天线、带天线罩的天线和衬底集成天线）中存在/集成材料体。2、在散射控制中的应用出于对隐形技术日益增长的需求，已经开发出使用CMA控制散射特性来处理更复杂的对象，如飞机。此外，多项研究使用CMA来减小天线的带内雷达截面。3、纳米粒子散射分析与优化CMA最近被用于分析和优化各种金属纳米粒子（NP）的吸收和散射特性，其尺寸比之前的应用小得多，约为纳米级。使用CMA可以降低NP分析的复杂性。在感兴趣的频率范围内，具有高MS的模式代表了与NP的潜在耦合途径。通过识别有效模式的电流或分布，可以识别激发每种模式的入射场分布。也可以识别出任何入射场分布都不能激发的模式，称为非辐射模式或暗模式。CMA也被用于解释复杂形状NP的电磁响应，如蠕虫状碳纳米管和皱巴巴的石墨烯薄片，其中几何对称性的破坏会导致新的共振、模式分离或带宽加宽。CMA对现代应用天线设计的贡献特征模态理论最早由Garbacz提出，后来在70年代由Harrington和Mautz改进。它最初应用于天线形状合成，以及通过反应载荷控制障碍物散射。它还应用于导电圆柱体或完美导电平面中的槽分析。然而，这个理论后来实际上被废弃了，尽管它甚至导致了任意形状的模态解。这在涉及天线和散射体的分析、合成和优化的问题中特别有用。特征模式是实电流模式，可以通过数值计算来导电任意形状的体。由于特征模式形成一组正交函数，因此它们可用于扩大体表面的总电流。然而，本文表明，特征模式对天线设计真正有吸引力的是它们对天线中发生的辐射现象的物理洞察力。模式的谐振频率及其辐射行为可以根据与特征模式相关的特征值提供的信息来确定。此外，通过研究模式的电流分布，可以找到最佳的馈电布置，以获得所需的辐射行为。参考文献 [1] B. K. Lau, M. Capek, and A. M. Hassan, “Characteristic Modes: Progress, overview, and emerging topics,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 64, no. 2, pp. 14–22, Apr. 2022, doi: 10.1109/MAP.2022.3145719.[2] M. Cabedo-Fabres, E. Antonino-Daviu, A. Valero-Nogueira, and M. F. Bataller, “The Theory of Characteristic Modes Revisited: A Contribution to the Design of Antennas for Modern Applications,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 49, no. 5, pp. 52–68, Oct. 2007, doi: 10.1109/MAP.2007.4395295. 来源：灵境地平线