用于高维通信的时空编码超表面技术，支持偏振复用（OAM）、极化复用和频分复用

《Light-Science & Applications》：Space-time-coding metasurfaces for high-dimensional communications with OAM-, polarization-, and frequency-division multiplexing

　　**摘要**
近期在高维复用技术方面的进展使得通过轨道角动量、偏振和频分复用机制同时运行多个独立通信通道成为可能，所有这些技术都是在紧凑的时空编码超表面平台上实现的。这些发展为优化无线通信系统中的复用性能和提升信道容量提供了一种高效且简化的方法。在无线通信系统中，复用技术在有效利用有限的频谱和空间资源方面发挥着至关重要的作用。除了在频率域、偏振域和时间域运行的传统复用方案（这些方案在先进的无线通信系统中被广泛使用）之外，轨道角动量（OAM）复用引入了一个新的正交物理域以实现复用。然而，OAM复用需要精确操控电磁波场，这使得以往研究中描述的硬件架构显得庞大、复杂且难以集成。

一种简化轨道角动量生成和操控硬件平台的有效策略是采用可编程超表面。通过在人工设计的结构中嵌入可编程组件，这些超表面能够实现对电磁波前的动态、时变控制，因此特别适用于多种应用场景。为了进一步增强电磁波操控能力，Zhang等人提出了时空编码超表面（STCM），这种技术能够在空间和时间域内实现对电磁波属性的动态控制。随着STCM的快速发展，在微波和光学频率范围内已经展示了多种新的物理现象。为了扩大其应用范围，大量研究探索了STCM在新型无线通信系统、集成传感与通信系统、电子对抗措施、天线设计以及动态全息图等领域的应用。尽管如此，大多数现有的基于STCM的通信研究仍主要集中在空频复用和/或偏振复用技术上，表明STCM在提升无线通信容量方面的潜力尚未得到充分挖掘。

在《Light: Science & Applications》期刊上发表的一篇最新论文中，香港城市大学的Geng-bo Wu研究团队提出了一种基于时空编码超表面的高维复用无线通信系统。如图1所示，通过使用时空编码序列和对双极化可编程超表面的区域控制，研究人员在一个紧凑的结构平台上同时实现了OAM复用、偏振复用和频分复用。该系统支持八个独立的正交相移键控（QPSK）通信通道，获得了超过12.5 dB的信噪比（SNR）和10^-5的低比特错误率（BER），从而显著提高了通信容量。

**图1**
**基于异步时空编码超表面的OAM、偏振和频分复用多通道无线通信**

为了满足高维复用系统中对精确灵活的电磁波控制的严格要求，引入了一种双极化异步时空编码超表面（DASM）作为实现多通道无线通信的多功能硬件平台。与依赖复杂模拟、数字和射频组件的传统OAM通信系统不同，这种基于DASM的系统通过单一可编程表面直接实现调制、频分复用和OAM波束生成，大大降低了硬件复杂性。由于其双极化可编程性，DASM能够独立操控正交极化（x方向和y方向）的电磁波，从而便于实现偏振复用。此外，通过应用不同的时间编码序列，可以独立控制谐波频率下的反射幅度和相位，从而生成多个OAM模式的叠加状态并实现OAM复用。为支持频分复用并抑制通道间干扰，DASM的孔径被划分为两个独立的区域，分别用于在不同谐波频率下的时间调制和波场操控。由于OAM、偏振和频率这三个维度是互相正交的，所提出系统中的总复用通道数等于每个维度上通道数目的乘积。

为了实验验证高维复用能力，研究人员使用了一个12×12的DASM阵列实现了原型通信系统。该系统设计用于同时通过八个独立复用通道传输数据流，包括正交的x极化和y极化、250 kHz和100 kHz的频率偏移调制以及l=±2的OAM模式。在接收端，使用了一个OAM解复用透镜、一个双线极化天线和一个混频器来分离具有不同OAM模式、偏振和频率的信号。测量结果表明，接收信号的成功解复用几乎没有通道间串扰，从而证实了该架构的可行性和效率。

总体而言，所提出的高维复用无线通信系统通过充分利用有限的电磁频谱和硬件资源，实现了低成本、高容量的数据传输，这代表了涡旋电磁波操控和复用技术的重要进展。此外，非衍射波束控制技术的集成将进一步扩展该系统从短距离到长距离通信场景的应用范围。尽管OAM复用层的数量和可实现的符号速率受到超表面阵列规模和PIN二极管开关速度的限制，但该系统在实际无线通信应用中仍显示出相当大的潜力。