自适应可重编程的“智能超表面”，具有完整的传感和反馈机制
2019-11-14 07:41:04 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，近日在《光：科学与应用》上发表的一项新研究中，东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授课题组设计了一种具有自适应可重编程能力的智能超表面。
具有自适应可重编程功能的“智能超表面”示意图
材料科学家一直在努力将智能化引入材料或超材料的结构中，以实现可编程功能。工程设计可以从被动形式转变为主动形式，以利用动态和任意电磁（EM）波场来开发可编程的超表面。不过，此类超表面需要人工控制才能在功能之间切换。据麦姆斯咨询报道，近日在《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一项新研究中，东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授课题组设计了一种具有自适应可重编程能力的智能超表面。
通过利用一种自控反馈传感系统，这种智能超表面结合其它传感器可以细化周围环境，并能自适应调整其EM运行功能。作为概念验证，该研究团队通过实验开发了一款集成三轴陀螺仪（用于测量或保持旋转运动）的运动敏感型智能超表面，能够通过旋转超表面来自动调整EM辐射波束。
该研究团队在控制软件中开发了一种在线反馈算法，以控制智能超表面并执行自适应动态反应。他们将提出的超表面扩展到了物理传感器，以编程湿度检测、温度或光照传感。这种材料工程设计策略将为可编程器件打开新大门，无需人工干预便可感知并探测周围环境中的运动。
超材料由于其亚波长结构和功能性排列而具有卓著的电磁性能。超表面可以克服通常在块体超材料中遇到的挑战，以操纵EM波进行波前整形、辐射控制和偏振转换。凭借超表面的多功能性，研究团队提出了多种应用，包括成像、隐形和幻象以及超常的反射/透射等；并主要集中于超表面上的连续调制。
为了探索超表面研究的新视角，该研究小组提出将超表面物理学与数字信息科学联系起来。为了探索超表面的新功能，研究人员提出了对超表面进行包括物理学、信息科学和数字信号处理的数字编码。不过，这样的系统仍需要人工（手动）控制。
智能超表面示意图及提出的研究方法。这种智能超表面的闭环系统，包括数字编码超表面、现场可编程门阵列（FPGA）、传感器和搭载快速反馈算法的微控制器单元（MCU）。
在本研究中，研究人员提出并开发了一种具有自适应可重编程能力的智能数字编码超表面，其功能由材料表面自身实现。该超表面独立地将特定的反馈调制用于空间位置等其他变化。该团队在实验装置中采用了一个陀螺仪、一套智能控制系统以及快速反馈算法，以实现自适应可重编程功能，无需人工干预。其开放式超表面平台适用于各种传感器，以实现简明的传感反馈机制。研究人员展望这项初步研究可为未来智能化认知超表面的开发铺平道路。
在其实验设置中，研究人员使用了超表面上的传感器来检测环境中结构周围的特定特征，并将其传递给MCU。MCU独立确定对这些环境变化的反应，然后通过编码模式指示FPGA实时改变超表面的配置。智能超表面基于上述传感反馈系统和计算软件，自动实现了自适应可重编程功能。MCU极好的表面兼容性使研究人员可将各种传感器集成到智能超表面，以实现更多自由度的感知。
该研究团队设计的2比特可重编程超表面的结构和性能
空间自适应原理的两种方案示意图
为了演示智能波束操纵的工作原理，该团队研究了飞行中的飞机与卫星通信时的特定情况。他们用一套包含陀螺仪和MCU的智能超表面替代了传统设备。在设计中，他们将陀螺仪传感器和用快速逆向设计算法编写的微控制器设置在可编程超表面的背面。
研究人员提出使用包含两个PIN二极管的2比特数字元件来构建可编程超表面。研究人员在现场电路联合仿真中使用了处于“开”和“关”状态PIN二极管的等效电路。为了了解自适应控制的性能，该团队提出了两种（A和B）代表性方案。
针对模拟和实验演示，研究人员设计并开发了包含30 x 30个元件的智能数字编码超表面。他们观察到方案A中由于印刷电路板的制造工艺不完善、测量设置中的手动操作误差以及非理想平面波照明引起的模拟和测量偏差。对于方案B多波束调制，科学家们观察到了模拟和测量之间的一致性，而它们之间的微小误差率则是由非理想的制造和人工操作引起的。
方案A的设计数字编码模式以及模拟和实验结果，在编码模式旁边列出了6种情况下上半空间的模拟远场结果；下方列出了6种情况下的模拟和实验远场结果的比较。其中，模拟和实验的远场结果分别用红色和蓝色标记。
多波束智能操纵
这种智能超表面展示了扩展传感功能以及整合多个传感器的能力。例如，智能超表面上的各种传感器可以检测各种刺激并对其做出反应。研究团队展示了嵌入光传感器检测可见光强度，以生成强度百分比的能力。研究人员利用传感器将可见光刺激与微波辐射结合在一起。
为了通过实验验证其设计，研究团队在一个组装的超表面上开发了五种传感器，包括陀螺仪、光传感器、湿度传感器、高度传感器和热传感器。然后，他们通过模拟和测量两个用红色和蓝色线条标记的辐射模式来演示光传感的反应过程，并在模拟和实验之间获得了很好的一致性。
由此，研究团队研究了基于智能超表面的自动单光束和多光束调制。他们预先计算了编码模式，并将其存储在MCU中，以实现所需要的独立于实施操作的可编程功能。从结构上来说，其超表面结构包括三个主要部分，可编程单元、FPGA和传感器。
科学家们计算出与旋转角度相对应的编码模式，建立了一个存储在MCU中的数据库，以实时实现所需要的功能。由此，他们通过在MCU中编程多种算法来开发各种功能，以进行数值模拟和实验验证。
智能超表面平台示意图。（a）集成了多个传感器的智能超表面。（b和c）根据光传感器的不同反应：针对明亮状态的双波束辐射，针对暗状态的RCS缩减。（d）组装好的智能超表面实验装置。（e和f）双波束辐射和RCS缩减的模拟和测量结果。
编码模式计算过程及其设计误差分析
本研究提出的自适应数字编码超表面包含完整的传感和反馈机制，实现了一种无需人工控制的智能超表面。附加的传感器成功地连接了光刺激和微波调制。实验结果与数值模拟吻合较好，验证了这种自适应传感反馈机制。
该研究团队在研究中构建了各种智能超表面，针对预期应用匹配了相关传感器。该研究所提出的概念将为超表面提供一种新的定义，为智能型认知超材料的构造铺平了发展道路。
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