摘要: 材料形式的丰富增添了人们对物理世界操纵的自由度。超材料的出现不仅使科学界对电磁参数的认识加深了一个层次,并且由于超材料单元本身具有强大的电谐振和磁谐振，非常便于电磁现象的调控以及装置设备的研发，从而有效地促进了电磁相关领域的发展。超... 展开 材料形式的丰富增添了人们对物理世界操纵的自由度。超材料的出现不仅使科学界对电磁参数的认识加深了一个层次,并且由于超材料单元本身具有强大的电谐振和磁谐振，非常便于电磁现象的调控以及装置设备的研发，从而有效地促进了电磁相关领域的发展。超表面是由亚波长尺寸的超材料结构在二维方向上延拓而形成的平面阵列，它在媒质交界面上引入突变的电磁响应，进而对空间波或者表面波灵活调控，由此激发了一系列轻便超薄的电磁波控制装置。因为这种在交界面上提供突变量的思想适用于诸多涉及边界条件的问题，超表面技术很快吸引了全世界科研人员的关注。数字编码超表面是将超表面所控制的物理现象与信息科学相结合的新兴研究领域，旨在探索以下两方面的内容：一、如何利用简明的超表面数字编码序列来控制电磁波，实现新奇的物理装置；二、如何将这种超薄且功能强大的电磁波控制系统与信息处理系统有机结合，丰富或简化现有的信息处理系统。 本文以数字编码超表面为研究对象，围绕以上两个主题，从理论和实际应用角度出发，详尽地讨论了数字编码超表面对物理现象的表征以及信息系统的扩展。主要研究内容和贡献概括如下： 1)多任务共享型数字编码超表面。编码超表面信息容量的增加可使其控制的物理功能更强大和多样化。本文通过对超表面单元几何尺寸的优化设计，实现了能同时工作在C、X和Ku波段的2比特编码超材料。其中，每个频段的控制参量均为不同的几何参数，所以不同频点之间的编码功能互不影响。基于此，只需要在各工作频点上设计独特的编码图样，即可得到多任务的电磁波控制装置。本文在C波段设计了幻觉装置，当雷达探测波打到铺设超表面的平板上时，反射的回波会显示成一个阶梯状物体的散射图样；在X波段设计了隐身装置，得到了-10dB的雷达散射截面（RCS）缩减功能；在Ku频段设计了涡旋波产生装置。本工作利用单层PCB板进行加工，具有很强的可兼容性。 2)声电共用型编码超表面。声电共用型编码超表面可同时对声波和电磁波执行多波束生成、波束操纵和赋形、异常反射等操作，也可用来缩减目标物体的RCS以及声呐散射截面。声电共用型编码单元的基本结构为铝制的Helmholtz谐振器，通过调整谐振单元的几何参数，可同时对声场与电磁场的反射相位进行调控，形成高比特的多物理场编码态。本工作基于单一材料设计，结构简单、易于加工，并且能够实现高比特编码状态。基于此类编码超材料的设备可用作声纳阵列与电磁天线阵列的联合，在一些特定场景的安全检测和目标搜索具有一定的应用前景。 3)编码超表面对Aharonov-Bohm（AB）效应的模拟。AB效应是量子力学里面非常重要的效应之一，其描述的是电子在运动空间中，不管电磁场存在与否，其波函数相位（也叫AB相位）都将受到电磁势的作用。AB效应的提出使人们对量子力学中的相位分量开始重视。AB相位是一种特殊的几何相位，该相位正比于电子路径所包围的等效磁通。本文阐述了如何用超材料单元来模拟AB效应，并得到了类似的几何相位。此外，本工作将这种几何相位与Pancharatnam-Berry(PB)相位相结合，打破了几何相位的共轭限制，由此可产生任意线性极化及椭圆极化的相位，打破光学模拟的自旋霍尔效应的对称限制、以及自旋转轨道角动量装置中拓扑电荷的共轭限制。本文给量子效应的超材料模拟提供了新的思路和可行性平台。 4)基于经典编码超表面对于量子信息的模拟。数字编码超表面属于物理与信息科学相融合的新兴方向。区别于传统电路的逻辑信息，超材料比特基于波与单元的相互作用，可利用电磁波的多个自由度。然而，数字编码超材料能在多大程度上扩展信息的表征能力目前还没有定论。本文论证了经典的超表面具有表征类似量子比特和量子信息的能力，揭示了超材料原子可以模拟二能级自旋系统，并且构建任意自旋的叠加态。本文还提出利用不可分离的几何相位可诱导出经典纠缠，并得到了实现最大纠缠的条件。本研究扩展了编码超表面的信息表示范围，为量子信息的经典模拟提供了新方法。 5)基于编码超表面的新型通信体制的原型搭建。本研究展示了一款基于可编程数字超材料的直接辐射无线通信系统的原型机。本通信系统通过区别复杂的远场辐射图样，利用可分辨的远场方向图及其编码序列之间的映射关系来表征信息，并进行数字通信。当所有可用远场辐射图的编码状态建立之后，所传递的信息即可用其来表征，并被加载到可编程超材料上面。在馈源天线的激励下，数字编码超表面的远场辐射图样实时切换，并被位于远场区多个位置的接收天线接收并汇总，最后通过接收到的辐射图样与编码序列之间的映射重构出所发送的信息。本通信系统省去了传统通信系统中的数模转换以及混频模块，大大简化了通信系统的复杂度，降低了成本。除此之外，本系统具备物理层面的保密属性，具有自适应、自我感知等能力。 收起