从可重构智能表面到毫米波波束赋形 留言

从可重构智能表面到毫米波波束赋形

Geoffroy Lerosey, Greenerwave

由Mathias Fink教授和我共同创立的新公司Greenerwave最初于2016年从我们的实验室朗文研究所分离出来，根据我们对如今被称为可重构智能表面（RIS）概念的研究结果开发和销售产品。然而，当时这个概念还太早。它没有市场或商业模式，面对技术障碍，不得不转向。这导致了开发一个独特的波束赋形应用，它是节能和灵活的，并有重要的应用，特别是在毫米波。

时间翻转和波束控制

波束控制是Greenerwave的DNA。Fink教授致力于研究超声波成像的新型波束赋形方法。在1990年代，他提出了时间翻转的概念。基于波方程的时间翻转不变性，它包括记录一个源和一组接收器之间在复杂介质中传播后的脉冲响应，将它们在时间上翻转并发送回来。¹ 结果是，波在空间和时间上都集中在源的位置，集中在一个点上，其质量与实验的一些关键参数直接相关：用于时间翻转的通道数量、带宽和传播介质的复杂性。

一般来说，由于互为因果关系，操作是以另一种方式实现的：一个可编程的源阵列，被称为时间翻转镜，扮演着一个可以聚焦于多个接收器的源的角色。时间翻转在超声学中被证明是一种强大的方法，可以利用多散射介质的复杂性，使波聚焦在比在均匀介质中获得的更清晰的点上。^1,2 后来，时间翻转被证明允许在复杂介质中的同一频率范围内对多个接收器进行空间多路复用，并随后被提议作为无线通信的有效解决方案——这是超声mMIMO的早期演示（见图1a）。³

图1 时间翻转镜在通过多种散射介质传播后，可以对多个用户进行空间复用，而通过水则不能（a）。用空间光调制器进行波前整形，即使在通过厚厚的油漆层传播后也能聚焦光线；不是复合光源，而是数百万个反射中的次级光源（b）。

2004–2006年期间，在与Fink一起获得博士学位时，我将最初为超声波开发的想法移植到微波上。在GHz频率下对波进行记录和数字化要比在MHz频率下明显更难。因此，我们引入了基带时间翻转的想法，在基带上记录和翻转源和接收器之间的脉冲响应。^4-6 这加上携带频率的相位共轭，就形成了一个时间翻转操作，可以在真实的信号上实现，而不需要离谱的电子设备。使用这种方法，在复杂介质中传播的微波信号的时间翻转是可行的，可以成为无线通信的一个可行的解决方案，特别是在相对宽的带宽。⁷

我们最终成立了一家公司——时间翻转通信公司，旨在将这些概念变成商业上可行的产品。然而，事实证明这很复杂。此时，复杂环境中的衰减和多径已经通过OFDM找到了强大的解决方案，几乎所有的无线通信系统都从时域转向了频域。采用我们的技术的另一个障碍是它的复杂性，导致昂贵和耗电的系统。一个基站需要许多通道，每个通道都有功率放大器、低噪声放大器和数据转换器。我们意识到，虽然控制电波是无线通信的“必需品”，但与超声波成像不同，成本和效率更为重要。

从主动到被动的波束控制

我们在光学领域工作时开发了一个解决方案。来自荷兰的同事们对时间翻转在超声波和微波中的应用非常着迷，正在努力将这一概念移植到光上。在这个领域，建立一个能够获取和产生时间变化信号的大型收发器阵列是不可能的。所以他们改变了模式，意识到虽然缺乏复杂和强大的光源，但他们确实有强大的动态可重构的光反射器，用于自适应光学和天文学。他们使用空间光调制器（SLM），即由数百万个单元组成的阵列，可以控制入射光波前的相位和/或振幅，以控制光在复杂介质中的传播。他们证明了可以通过在激光和油漆层之间插入SLM并对入射光的波前整形来聚焦一束红色激光，从而引入了波前整形的概念（见图1b）。⁸ 他们的工作和我们所做的演示^9-12，在光学领域开辟了一个新的研究领域，目前仍很活跃。对Fink和我来说，这是一场革命：为什么要设计非常复杂的光源阵列来控制波，而一个简单的可重构的反射器就可以做到？

可重构智能表面

2012年8月底，我们开始思考如何在不增加基站或手机复杂性的情况下改善无线通信。受到我们在光学领域工作的启发，我们提出了让传播环境变得“电磁智能”的想法，