本文由論文作者團(tuán)隊(duì)供稿

脈沖壓縮技術(shù)是現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，可有效解決雷達(dá)既要看得清、又要看得遠(yuǎn)的矛盾。

脈內(nèi)調(diào)頻連續(xù)波信號（FMCW）是一種典型的脈沖壓縮信號，兼具大時(shí)寬、大帶寬的優(yōu)勢。然而，F(xiàn)MCW信號目前主要由壓控振蕩器(VCO)或直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生，復(fù)雜度較高，且難以與天線部分集成，因此能否提出一種低成本、高效率的雷達(dá)FMCW信號生成方式，是科研人員關(guān)注的重要方向之一。

近年來，數(shù)字編碼和可編程超表面引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。2014年東南大學(xué)崔鐵軍院士首次提出數(shù)字編碼超表面的概念，進(jìn)而通過一系列工作證明了電磁波的幅度、相位、頻率、極化等特性可通過數(shù)字編碼的方式得到實(shí)時(shí)、動態(tài)調(diào)控。2018年，崔鐵軍院士及其合作者進(jìn)一步地提出了時(shí)空編碼超表面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電磁波的多域（空間域、頻率域、極化域等）聯(lián)合調(diào)控，為時(shí)空編碼超表面在無線通信和雷達(dá)探測等領(lǐng)域中的應(yīng)用開拓了新的機(jī)遇。

近日，東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室程強(qiáng)教授、崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安電子科技大學(xué)李龍教授、丁金閃教授團(tuán)隊(duì)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于時(shí)空編碼超表面非線性周期相位調(diào)制技術(shù)的FMCW信號生成及調(diào)控方法，為其在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了新的解決思路。

該成果以“Frequency-modulated continuous waves controlled by space-time-coding metasurface with nonlinearly periodic phases”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

論文通訊作者為東南大學(xué)程強(qiáng)教授和崔鐵軍院士，第一作者為東南大學(xué)柯俊臣博士，東南大學(xué)戴俊彥副研究員和張俊偉博士為共同第一作者，其他貢獻(xiàn)者包括東南大學(xué)陳展野博士、張磊博士以及西安電子科技大學(xué)大學(xué)李龍教授和丁金閃教授等。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”重點(diǎn)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

非線性周期相位調(diào)制時(shí)空編碼超表面

圖1：非線性周期相位調(diào)制時(shí)空編碼超表面合成FMCW信號生成和調(diào)控示意圖

圖2：時(shí)空編碼超表面實(shí)物樣品圖和超表面單元示意圖

FMCW信號合成及其動態(tài)波束調(diào)控

基于上述時(shí)空編碼超表面的FMCW信號時(shí)-頻特性與非線性周期電壓控制信號密切相關(guān)。根據(jù)預(yù)期的FMCW時(shí)-頻特性反演得到所需的控制信號，通過對控制信號進(jìn)行編程可以在同一時(shí)空超表面上按需合成不同類型的FMCW信號。除此之外，通過優(yōu)化超表面不同區(qū)域控制信號的初始電壓分布可以在超表面上引入額外的相位梯度，進(jìn)而可以調(diào)控FMCW波束的傳播方向。相較于傳統(tǒng)FMCW信號生成方法，所提出的方法無需頻率合成模塊和相控陣天線模塊，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。

功能驗(yàn)證

作為驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了全相位覆蓋的時(shí)空編碼超表面，并且搭建了相應(yīng)的測試系統(tǒng)，如圖3(a)所示。該系統(tǒng)包括非線性周期電壓控制信號生成部分、時(shí)空編碼超表面和FMCW信號接收、處理部分。在實(shí)驗(yàn)中，控制信號生成部分提供非線性周期電壓控制信號，以驅(qū)動超表面產(chǎn)生所需的非線性周期相位。此時(shí)，超表面將非線性周期相位調(diào)制到入射波實(shí)現(xiàn)FMCW信號合成，并使其按預(yù)定方向輻射到自由空間。FMCW信號接收、處理部分通過測量方向圖確定FMCW波束的傳播方向，同時(shí)將接收到的FMCW信號解調(diào)至基帶，通過分析基帶信號的時(shí)-頻特性來確定FMCW信號的類型。其方向圖測試結(jié)果與相應(yīng)的FMCW信號的基帶時(shí)-頻特性曲線分別如圖3(b)和(c)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明非線性周期相位調(diào)制時(shí)空編碼超表面具有FMCW信號合成及其波束動態(tài)賦形的能力。

圖3：(a) 用于發(fā)射、接收和分析FMCW信號的測試系統(tǒng)；(b) 方向圖測試結(jié)果；(c) FMCW信號的基帶時(shí)-頻特性曲線。

| 論文信息 |

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). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00973-8

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