超表面对电磁波的信息调制理论 | NSR研究论文

来源：两江科技评论

超表面如何调制电磁波？调制过程由哪些参数决定？遵循何种规律？研究者提出超表面远场信息理论，指出超表面远场辐射信息由超表面的孔径函数及电磁波的频率决定。

超表面是一种厚度远小于电磁波长的人工层状材料，可对入射电磁波的幅度、相位、极化等多种属性进行灵活有效的调控，从而实现很多复杂而有意思的超常功能。近年来，随着数字编码超表面和信息超表面的提出，超表面研究已经从原始的物理、光学和材料科学领域扩展到数字和信息领域。从信息角度分析和设计超表面，拓展其在计算成像、无线通信、数学运算等领域中的应用已经成为新趋势。

近期，东南大学崔铁军教授团队与北京大学李廉林教授合作，提出了超表面的信息理论。研究人员分析超表面编码信息与远场方向图的关系，并结合勒贝格空间的不确定性原理，分析计算出超表面空间辐射的信息容量上限，该上限由超表面的孔径函数及入射电磁波的频率所决定。相关成果在线发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），第一作者为东南大学博士研究生吴浩天。

（a）k空间的一组测量位置分布；（b）远场电磁辐射强度的理论分布；（c，d）1比特超表面的无序相位图案及所产生的远场强度分布；（e）不同尺寸和相位的1比特超表面的辐射方向图所蕴含信息的理论值和计算结果。

对超表面远场信息不等式这一约束条件进行深入研究，可以推导出一定面积超表面所能实现的正交波束的上限，进而为超表面的逆向设计提供理论指导。特别地，通过对无序相位调制超表面及其远场方向图的研究，研究者发现了无序相位超表面辐射方向图的信息不变性。也就是说，不论无序相位超表面的尺寸、单元数量以及随机相位的模式如何改变，其远场辐射方向图的信息始终为1-γ，其中γ是欧拉常数。通过上述研究结果，该理论有望为超表面的信息调制应用（例如计算成像、隐身和无线通信等）提供理论指导。

 文章信息：

Information Theory of Metasurfaces

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz195