[论文解读] Full-Duplex Nonreciprocal-Beam-Steering Metasurfaces Comprising Time-Modulated Twin Meta-Atoms

Sajjad Taravati, George V. Eleftheriades|ePrints Soton (University of Southampton)|Nov 11, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 82被引用 13

一句话总结

本文提出一种全双工、透射式超表面，采用时变调制的双元超原子结构，可在发射与接收波频率相同的情况下实现非互易波束赋形。通过在耦合超原子中利用相位梯度调制，该超表面实现了方向性、可调谐且非对称的辐射波束，具有高转换效率和低插入损耗（低于1 dB），从而在无需频率变换的情况下实现高效的全双工通信。

ABSTRACT

We present the concept, theoretical model and experimental implementation of a full-duplex nonreciprocal-beam-steering transmissive phase-gradient metasurface. Such a metasurface is realized by exploiting the unique properties of the frequency-phase transition in coupled time-modulated twin meta-atoms. The metasurface may be placed on top of a source antenna to transform the radiation pattern of the source antenna, and introduce different radiation patterns for the transmit and receive states. In contrast to the recently proposed applications of time modulation, here the incident and transmitted waves share the same frequency. The metasurface is endowed with directive, diverse and asymmetric transmission and reception radiation beams, and tunable beam shapes. Furthermore, these beams can be steered by simply changing the modulation phase. The proposed coupled meta-atoms inherently suppress undesired time harmonics, leading to a high conversion efficiency which is of paramount importance for practical applications such as point to point full-duplex communications.

研究动机与目标

• 开发一种透射式全双工超表面，实现发射与接收的独立、非互易波束赋形。
• 克服先前时变调制超表面存在的频率上变频和谐波抑制效率低下的局限性。
• 通过耦合双元超原子结构设计，内在抑制不需要的时间谐波，实现高转换效率和低插入损耗。
• 利用相位梯度调制，实现发射与接收状态下的可调谐、方向性及非对称辐射图案。
• 通过全波仿真和不同波束角度的实验验证，证明其实际可行性。

提出的方法

• 该超表面由一组耦合的时变调制双元超原子阵列构成，每个单元兼具四种功能：波束接收、非互易相位调制、谐波滤波和波束辐射。
• 通过在超原子阵列上施加相位梯度调制，实现非互易波束赋形，使发射与接收波束指向不同角度。
• 理论建模基于零频移的周期性时变调制介质中的频率-相位转换，确保入射波与透射波保持相同频率。
• 由于对称激励和相位抵消，耦合超原子结构可内在抑制高阶时间谐波，从而实现高转换效率。
• 全波仿真与实验测量验证了在多种辐射角度下（包括对称与非对称构型）的非互易波束赋形功能。
• 通过调节调制相位控制波束方向，实现无需更改硬件的动态波束整形。

实验结果

研究问题

• RQ1 透射式超表面能否在不改变入射波频率的情况下实现全双工非互易波束赋形？
• RQ2 如何设计时变调制的双元超原子，以内在抑制不需要的时间谐波并实现高转换效率？
• RQ3 在发射与接收具有非对称辐射图案的全双工系统中，可实现的隔离度与波束方向性如何？
• RQ4 耦合超原子中的相位梯度调制能否产生发射与接收状态下的可调谐、方向性及非对称波束？
• RQ5 此类超表面在插入损耗与波束赋形精度方面的实验性能如何？

主要发现

• 该超表面实现了入射波与透射波频率相同的非互易波束赋形，消除了频率转换的需求。
• 耦合双元超原子结构可内在抑制不希望的时间谐波，插入损耗低于1 dB，这对实际全双工系统至关重要。
• 实验结果表明，在非对称波束构型下，45°发射角处隔离度达15.8 dB，−27°接收角处隔离度达10.4 dB。
• 全波仿真证实了在对称（36°与52°）和非对称（45°发射，−27°接收）角度下均成功实现波束赋形，且发射与接收状态具有明显不同的辐射图案。
• 通过调节调制相位，系统可实现可调谐波束整形，支持波束宽度与方向的动态控制。
• 该平台实现了点对点全双工通信，具备方向性、非对称且可独立波束赋形的发射与接收波束。