基于时间调制电磁表面的集成感知与通信技术：一种智能电磁环境中的创新解决方案

《IEEE Journal of Selected Topics in Electromagnetics, Antennas and Propagation》：Time-Modulated EM Skins for Integrated Sensing and Communications

本文针对非视距场景下用户终端定位与通信链路建立的挑战，提出了一种基于时间调制电磁表面（TM-EMS）的集成感知与通信（ISAC）系统。研究团队通过优化TM-EMS的时空调制序列，在载波频率（h=0）生成和波束（Σ-beam）用于通信，在一阶谐波频率（h=1）生成差波束（Δ-beam）用于高精度定位。数值模拟与原型实验验证了该方案在10×10单元阵列上可实现ξ（PΣ/PΔ）比值达15.4-24.9，显著提升了智能电磁环境（SEME）中NLOS终端检测的灵敏度与通信可靠性。

　　

在下一代无线通信系统中，如何实现非视距（NLOS）条件下用户终端的精确定位与稳定通信连接，已成为智能电磁环境（SEME）构建的核心挑战。传统方案需分别部署感知与通信硬件，导致系统复杂度和成本显著增加。而现有可重构电磁表面（EMS）技术虽能调控电磁波传播方向，却难以同时实现高精度定位与高质量通信。这一矛盾在毫米波等高频段应用中尤为突出——严重的路径损耗要求设备必须具备更高效的波束控制能力。

针对这一难题，意大利特伦托大学ELEDIA研究团队创新性地将单脉冲雷达概念与时间调制阵列（TMA）技术相结合，提出了一种基于时间调制电磁表面（TM-EMS）的ISAC系统。如图1所示，当位于未知位置的用户终端发射信号照射被动TM-EMS时，表面元原子通过周期性切换反射状态，将入射波同时转化为指向基站（BS）的和波束（Σ-beam）与差波束（Δ-beam），二者分别承载通信功能与定位功能。这种谐波分离技术使得基站只需通过测量载波频率功率P_Σ和一阶谐波功率P_Δ的比值ξ，即可实现亚波长级精度的终端定位，同时利用和波束建立通信链路。

关键技术方法包括：1）建立TM-EMS谐波反射场理论模型，推导时变反射张量傅里叶展开式；2）将波束成形问题转化为带约束的全局优化问题，采用粒子群算法求解最优调制序列；3）通过列控简化策略降低控制系统复杂度；4）利用ANSYS HFSS全波仿真验证非理想单元性能；5）构建16×16原型系统进行实验验证。

问题建模与TM-EMS设计

研究团队首先建立了TM-EMS的严格电磁理论框架。当P×Q个元原子组成的表面受到用户终端平面波照射时，每个单元的局部反射张量Γ?_pq(t)被周期为T的矩形脉冲调制。通过傅里叶分解，反射场可表示为多阶谐波场的叠加，其中h=0对应载波频率，h=1对应一阶谐波。基于Love等效原理推导的远场表达式表明，通过优化开关时间序列t_pq^on和t_pq^off，可独立控制各谐波波束形状。

数值验证

在理想单元假设下（Γ?^on=I, Γ?^off=-I），10×10阵列在θ_inc=40°入射、θ_refl=-20°反射场景中，成功合成出副瓣低于-10dB的和差波束（图2e-f）。调制序列呈现明显的半周期对称性（图2g-h），符合差波束生成机理。扫描分析表明当基站角度在-20°至0°范围内变化时，ξ比值始终高于15.4（图4），证明系统对基站位置不敏感。而用户终端接近基站时（θ_inc=20°），虽然ξ降至11.2，但仍满足检测需求（图5a）。

实际系统验证

采用图10所示的真实单元结构（FR4基板+Skyworks PIN二极管）进行全波仿真。8×8阵列在θ_inc=30°时仍能保持清晰的差波束零深（图11c），而16×16阵列的波束宽度明显收窄（图12）。实验原型（图13）在5.5GHz工作频率下测得谐波模式与仿真高度吻合（图15），特别值得注意的是，尽管采用高损耗基板，系统在终端距表面仅80cm的近距离场景下依然表现稳定。

研究结论表明，TM-EMS通过时间调制巧妙解决了ISAC系统中波束资源竞争的矛盾。该方法相比传统方案具备三大优势：无需修改终端硬件即可实现NLOS定位；利用差波束零点显著提升角度检测灵敏度；通过谐波分离降低接收机复杂度。未来可通过多比特架构扩展和高阶谐波利用进一步拓展系统功能。这项发表于《IEEE Journal of Selected Topics in Electromagnetics, Antennas and Propagation》的研究，为6G智能电磁环境构建提供了新的技术路径。