近日，北京大学李廉林团队与国内外合作者提出一种可编程全双工超表面，实现了同一物理孔径上辐射与反射的同时独立调控。
相关成果以“A Full-Duplex Metasurface for Simultaneous and Independent Control of Radiation and Reflection”为题，发表于《国家科学评论》（National Science Review，NSR）。
两个问题、一个需求
雷达如何隐身？通信与感知如何同步完成？这两个看似不同的问题背后是同一个需求：辐射模式与反射模式的全双工需求，即在同一孔径、同一编码下，两种模式要能够同时、同频、同极化的去工作。
雷达如何隐身？其难点在于降低天线的雷达散射界面（RCS）。从吸波涂层、外形设计，到利用超表面进行极化偏转、干涉相消，研究者们对这一问题进行了孜孜不倦的探索。但是，由于传统天线结构的互易性，很容易对入射的电磁波产生同频率、同极化的二次辐射，而这种辐射难以在保持天线正常辐射性能的同时有效削弱。因此，雷达隐身一直是个尚未解决的问题。那么，是否存在一种结构，能够对辐射波和反射波产生不一样的调制，从而等效地去打破天线的互易性？
在保障通信链路的同时，准确估计信号的到达角，是通信感知一体化中的一个重要问题。让通信系统兼具信息传输与环境感知能力，已成为6G的重要发展方向。但是，部分现有方案仍需通过时分切换协调通信与感知，或依赖复杂的信号处理。如何通过硬件设计，在保障通信链路的同时准确判断信号的到达方向，仍是一个重要挑战。
一套编码，两种工作模式
超表面是一种由亚波长单元排列组成的二维人工结构，能够对电磁波产生灵活的调制，因此近些年来备受关注。通过在超表面单元中植入一些有源器件，比如PIN二极管、变容二极管等，再配合直流偏置电路以及可编程器件（FPGA等），便能够做到对超表面的实时调控。这类超表面被称为可编程超表面。
该研究提出的可编程超表面为辐射反射一体式超表面，一方面可以灵活辐射基片集成波导中的导波，另一方面可以调控空间中的电磁波。辐射模式以及反射模式共用同一孔径、同一套编码，并且同时、同频、同极化工作。
那么如何让同一套编码控制两种工作模式？关键在于空间频谱。该研究提出的可编程超表面为深亚波长结构，约为真空中波长的四分之一，因此其1bit编码经傅里叶变换后会产生丰富的空间频谱。由于导波和外部入射波带给每个超表面单元的初始相位不同，因此会对空间频谱有不同的调制效果，从而使得不同的空间频谱成分落在辐射区域。基于正交空间频谱理论，研究团队设计了遗传算法以及在线优化算法，实现了辐射与反射的分别调控。
理论示意图：（a）全双工超表面，（b）正交空间频谱理论
为了验证这一理论，研究团队制作了由32个可编程单元组成的超表面样机，工作频率为10.55 GHz，并且每个单元都集成了一对偏置状态相同的PIN二极管。对于反射型单元，PIN二极管断开以及导通会在工作频带产生180°的相位差，编码可以记作1，-1；对于辐射型单元，PIN二极管断开时，从波导中耦合能量，为高辐射态；导通时不耦合能量，为低辐射态；编码记作1，0。通过合理设计编码，便能够使得辐射波束以及反射波束指向不同的方向。
实验展示了三种有代表性的工作状态：一种编码以辐射响应为主，一种以反射响应为主，而复合编码则让辐射与反射同时形成波束，并分别指向不同的方向。测量结果与仿真相吻合，验证了这一设计在实际器件中的可行性。
全双工超表面单元、阵列的仿真及测试结果
总之，该研究基于正交空间频谱理论提出一种可编程全双工智能超表面，实现了同一物理孔径内辐射与反射模式在同时、同频、同极化的独立灵活调控，并基于此研制了探测隐身一体化和通信感知一体化的原型系统。该研究为发展新一代智能信息系统提供了新思路。
北京大学赵旭、许嘉文、李茗逸为论文作者，东南大学崔铁军、法国雷恩大学Philipp del Hougne、意大利University of Sannio的Vincenzo Galdi和北京大学李廉林为共同通讯作者。
研究获得国家重点研发计划支持，项目编号为2023YFB3811502和2021YFA1401002。
研究论文
A Full-Duplex Metasurface for Simultaneous and Independent Control of Radiation and Reflection
National Science Review, nwag664, https://doi.org/10.1093/nsr/nwag664
