基于可调透射超表面的近场动态聚焦技术实现

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：Implementation of near-field dynamic focusing based on adjustable transmissive metasurface

本文提出了一种基于变容二极管的可调谐透射型超表面，实现了近场三维空间动态聚焦。该超表面工作频段5.0-5.4GHz，相位调节范围超过360°，通过相位合成技术控制焦距，实验验证了80-600mm的焦距调节及±80mm三维空间动态聚焦能力，应用前景包括无线能量传输和近场通信。

　　

郭丽燕|吴家辉|张启飞|陈连峰

中国地质大学地球物理与信息技术学院深地探测与成像国家重点实验室，北京，100083，中国

摘要

智能超表面在无线电力传输和近场动态感知等领域具有巨大潜力。在近场区域实现动态能量聚焦仍然是该领域的一个关键研究挑战。本文提出了一种可调透射型超表面，能够满足近场区域三维空间的动态聚焦需求。超表面单元单元中集成了可变电容器二极管，从而在5.0–5.4 GHz频段内实现了超过360°的传输相位调节范围。基于这一能力，所提出的超表面展示了动态三维近场聚焦特性，同时提供了连续的全范围（0–360°）相位覆盖，从而实现了更好的波前控制。因此，这项工作在无线电力传输、近场通信和检测系统中具有潜在应用价值。

引言

近年来，远场区域工作的智能超表面得到了广泛研究，其可靠性和可行性得到了充分证明。理论分析和实验演示表明，智能超表面可以显著提高通信效率和信道容量[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]。迄今为止，大多数无线通信系统都是为远场区域进行分析和设计的，在该区域电磁波前可以很好地近似为平面波。然而，随着6G系统的发展和大规模天线阵列的广泛应用，终端越来越多地需要在辐射近场区域工作。在这种情况下，传统的远场平面波假设不再适用，因此研究近场通信机制和实现技术变得至关重要。适当设计的智能超表面能够在多用户近场通信场景中提供精确的用户定位和高度聚焦的感知，以及最小能量泄漏的无线电力传输。因此，近场聚焦已成为射频社区中的一个活跃研究课题，其典型应用包括无线电力传输、非接触式传感、医疗诊断和射频识别（RFID）。

作为超材料的二维对应物[10], [11]，与传统的相控阵和三维超材料相比，超表面在电磁场操控方面提供了强大的能力，同时具有更低的插入损耗、更低的成本和更简单的制造工艺。智能超表面在其单元单元中集成了有源组件，如PIN二极管[12], [13]、可变电容器二极管[14]或MEMS开关[15]。通过施加适当的直流偏置电压，可以动态调节每个单元单元的电磁响应，从而实现对整个超表面的数字和可编程控制。Li等人提出了一种中心频率为16 GHz的反射聚焦超表面，该超表面在表面法线方向上200 mm处形成一个焦点。Lu等人设计了一种极化敏感的近场聚焦超表面，利用单元单元的极化行为生成可控的焦点[16]。Ratm等人通过在单元单元上加载可变电容器二极管，在近场区域的对称轴上实现了50 mm至120 mm的聚焦[17]。然而，大多数现有的近场聚焦超表面基于反射配置，其中焦点位置只能沿对称轴调整。关于三维（3D）空间中完全动态近场聚焦的研究仍然相对有限。为了解决这一差距，本文将可变电容器二极管集成到相位可调的透射超表面中。通过实现连续可控的传输相位并应用相位合成技术，实现了动态3D近场聚焦。

本文的其余部分安排如下：第2节描述了所提出设计的工作原理。第3节介绍了可调透射超表面的结构设计和全波仿真。第4节介绍了相应控制电路的设计和实现。第5节通过实验验证了3D近场动态聚焦性能。最后，第6节对本文进行了总结。

部分摘录

工作原理

所提出的可调透射超表面的近场聚焦原理如图1所示。使用喇叭天线作为馈源产生一个近似平面波的入射场，照射到超表面。为了确保通过所有单元单元传输的电磁波以相同的相位到达焦点，必须根据每个单元单元在表面上的位置引入补偿相位。

超表面结构设计与仿真

对于透射超表面而言，有效操控电磁波依赖于其电容随施加偏置电压变化的可变电容器二极管。这种变化改变了每个单元单元中的相位移相器的相位响应，从而控制了超表面的传输相位。根据相位补偿原理，通过适当设置可变电容器的电容，可以在可调超表面的每个位置实现所需的相位，从而实现动态控制。

控制电路设计与实现

为了控制可调超表面中的可变电容器二极管，开发了一个专用的偏置电路，如图7所示。该系统由PC、FPGA、电压转换器和电压型运算放大器组成。通过将每个通道的输出电压调整在0–20 V范围内，可以调节单元单元的传输相位，从而实现动态近场聚焦。具体来说，FPGA在PC的配置下生成脉宽调制（PWM）信号。

可调聚焦性能分析

为了验证所提出的可调透射超表面的近场聚焦性能，使用（3）计算了在5.2 GHz频率下，沿聚焦轴80 mm、200 mm、400 mm和600 mm处的能量分布和归一化能量曲线，如图12所示。当焦点距离小于400 mm时，获得了一个焦点集中且焦点位移较小的紧凑焦点。当焦点距离超过400 mm时，焦点变得更宽，焦点处的能量...

结论

在本文中，我们提出了一种具有近场区域可调焦点的透射超表面，以及一个专为可变电容器二极管的偏置要求定制的数字控制板。通过串行接口发送控制命令，实现了焦点位置的实时调整。该超表面在$80～<mn>600</mn><mspace></mspace><mi>mm</mi>$范围内的聚焦轴上实现了可调聚焦，并在范围内的三维近场区域实现了动态聚焦。

CRediT作者贡献声明

郭丽燕：方法论。吴家辉：数据管理。张启飞：数据管理。陈连峰：概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFC2813700）和国家自然科学基金（项目编号：42274189）的支持。