Light | 超表面频率调制：新型雷达波发生器
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本文由论文作者团队供稿
脉冲压缩技术是现代雷达系统中的一项重要技术，可有效解决雷达既要看得清、又要看得远的矛盾。
脉内调频连续波信号（FMCW）是一种典型的脉冲压缩信号，兼具大时宽、大带宽的优势。然而，FMCW信号目前主要由压控振荡器(VCO)或直接数字合成(DDS)技术产生，复杂度较高，且难以与天线部分集成，因此能否提出一种低成本、高效率的雷达FMCW信号生成方式，是科研人员关注的重要方向之一。
近年来，数字编码和可编程超表面引起了学术界的广泛关注。2014年东南大学崔铁军院士首次提出数字编码超表面的概念，进而通过一系列工作证明了电磁波的幅度、相位、频率、极化等特性可通过数字编码的方式得到实时、动态调控。2018年，崔铁军院士及其合作者进一步地提出了时空编码超表面技术，实现了电磁波的多域（空间域、频率域、极化域等）联合调控，为时空编码超表面在无线通信和雷达探测等领域中的应用开拓了新的机遇。
近日，东南大学毫米波国家重点实验室程强教授、崔铁军院士团队联合西安电子科技大学李龙教授、丁金闪教授团队，提出并实现了一种基于时空编码超表面非线性周期相位调制技术的FMCW信号生成及调控方法，为其在雷达系统中的应用提供了新的解决思路。
该成果以“Frequency-modulated continuous waves controlled by space-time-coding metasurface with nonlinearly periodic phases”为题发表在Light: Science & Applications。
论文通讯作者为东南大学程强教授和崔铁军院士，第一作者为东南大学柯俊臣博士，东南大学戴俊彦副研究员和张俊伟博士为共同第一作者，其他贡献者包括东南大学陈展野博士、张磊博士以及西安电子科技大学大学李龙教授和丁金闪教授等。该工作得到了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、博士后科学基金等项目的资助。
非线性周期相位调制时空编码超表面
基于时空编码超表面非线性周期相位调制技术的FMCW信号生成及调控机理如图1所示。在非线性周期电压控制信号的驱动下，超表面将产生非线性周期相位响应，并将此相位信息调制到入射电磁波上，使其具备时变的瞬时频率，为实现信号的脉冲压缩奠定了基础。为实现这一目标，研究团队设计了一种360度全相位覆盖的反射型时空编码超表面（图2）。当加载在变容二极管上的偏置电压连续变化时，超表面的反射相位将在360度范围内连续变化，从而实现了对入射波相位的非线性周期调控能力。
图1：非线性周期相位调制时空编码超表面合成FMCW信号生成和调控示意图
图2：时空编码超表面实物样品图和超表面单元示意图
FMCW信号合成及其动态波束调控
基于上述时空编码超表面的FMCW信号时-频特性与非线性周期电压控制信号密切相关。根据预期的FMCW时-频特性反演得到所需的控制信号，通过对控制信号进行编程可以在同一时空超表面上按需合成不同类型的FMCW信号。除此之外，通过优化超表面不同区域控制信号的初始电压分布可以在超表面上引入额外的相位梯度，进而可以调控FMCW波束的传播方向。相较于传统FMCW信号生成方法，所提出的方法无需频率合成模块和相控阵天线模块，可以大幅度降低系统的成本和复杂度。
功能验证
作为验证，研究团队设计并制造了全相位覆盖的时空编码超表面，并且搭建了相应的测试系统，如图3(a)所示。该系统包括非线性周期电压控制信号生成部分、时空编码超表面和FMCW信号接收、处理部分。在实验中，控制信号生成部分提供非线性周期电压控制信号，以驱动超表面产生所需的非线性周期相位。此时，超表面将非线性周期相位调制到入射波实现FMCW信号合成，并使其按预定方向辐射到自由空间。FMCW信号接收、处理部分通过测量方向图确定FMCW波束的传播方向，同时将接收到的FMCW信号解调至基带，通过分析基带信号的时-频特性来确定FMCW信号的类型。其方向图测试结果与相应的FMCW信号的基带时-频特性曲线分别如图3(b)和(c)所示。实验结果证明非线性周期相位调制时空编码超表面具有FMCW信号合成及其波束动态赋形的能力。
图3：(a) 用于发射、接收和分析FMCW信号的测试系统；(b) 方向图测试结果；(c) FMCW信号的基带时-频特性曲线。
Ke, J.C., Dai, J.Y., Zhang, J.W. et al. Frequency-modulated continuous waves controlled by space-time-coding metasurface with nonlinearly periodic phases. Light Sci Appl 11, 273 (2022).
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