用于高效安全通信的时空编码超表面天线

可以耦合自由空间中不同来源发射的导波并操纵这些波的天线对于无线通信、光通信和测距系统等众多技术的发展至关重要。超表面，由多种元素组成的薄膜，已显示出开发此类天线的希望。

香港城市大学和东南大学的研究人员最近创造了一种新的超表面天线，可以提取和操纵导波以在空间和频率域中产生所需的自由空间波。这种天线在NatureElectronics上发表的一篇论文中介绍，它结合了两种不同的研究进展，即调幅(AM)漏波天线和时空编码技术。

“我们的论文基于香港城市大学(CityU)吴庚波博士博士论文中报道的调幅漏波天线的发明以及空时编码的开创性研究由东南大学崔铁军院士领导的超表面，”进行这项研究的研究人员之一陈志厚教授告诉TechXplore。“AM漏波天线的灵感来自经典通信理论中的幅度调制。”

AM漏波天线的一个关键优势是它们的辐射模式可以通过改变天线的形状和结构轻松合成或定制以用于特定用途。然而，一旦制造出天线，其辐射特性通常将保持不变。

陈教授说：“大约在2020年推出AM漏波天线的同时，戴俊燕博士加入了东南大学的城大研究小组，担任博士后研究员。”“他来自崔铁军院士和程强教授领导的课题组，为我们带来了使用时空编码或软件控制来动态重构天线性能的方法。”

时空编码或时空块编码是一种技术，它允许工程师通过多个天线传输数据流的多个副本，使用原始数据的不同版本来更可靠地传输数据。陈教授和他的同事将时空编码技术与AM漏波天线设计相结合，以实现发射辐射模式的调制。

“通过结合这两种方法，我们通过可以通过分析方法生成的时空矩阵控制漏波天线上开关的开关顺序和持续时间，从而实现指定的辐射特性，”陈教授解释说.“由于漏波天线的导波特性，开关产生的不需要的谐波可以被波导滤除，从而导致边带抑制。报告的研究结果是通过两项研究的协同努力和互补的专业知识产生的香港城市大学和东南大学的团队。”

研究人员推出的新型无边带和时空编码超表面天线最终允许用户通过软件控制获得不同的辐射特性，而无需对天线结构进行物理改动。这意味着可以消除阻碍基于可重构超表面的传统天线性能的不需要的边带或谐波。

“例如，我们的天线可以实现相同频率的波束控制，”陈教授说。“由于时空矩阵是线性的，不同时空矩阵的叠加可以同时产生不同频率辐射的不同波束。由于时空矩阵是线性的，不同频率辐射的不同波束可以同时产生不同时空矩阵的叠加。”

陈教授和他的同事们在一系列测试中评估了他们天线设计的有效性，发现它能够实现高效频率转换、基频连续波束扫描和多次谐波的独立控制。未来，他们的天线可以与不同的基带调制方案相结合，以实现高效、安全的通信。

“在我们接下来的研究中，我们计划修改天线的结构，以更好地控制辐射特性，包括辐射光束的极化，”陈教授补充道。“天线的一个独特之处在于我们可以控制天线孔径上的幅度和相位分布。因此，我们可以创建各种辐射特性，包括聚焦点沿长度或垂直于天线表面的线性扫描。

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