电磁波的时间逆转

电磁波的时间逆转性TimeReversalofElectromagneticWaves出处：《PHYSICALREVIEWLETTERS》VOLUME92,NUMBER19,193904-1~193904-3姓名：吴亚楠学号：201021010111专业：光学工程VOLUME92,NUMBER19PHYSICALREVIEWLETTERS14MAY2004TimeReversalofElectromagneticWavesG.Lerosey,J.deRosny,A.Tourin,A.Derode,G.Montaldo,andM.Fink（Received9December2003；published14May2004）我们分析了首个电磁波时间逆转的实验示范。由一个天线发送一个以2.45GHZ中心频率的周期为1us的电磁脉冲；另外一个天线记录强烈回荡信号。时间逆转波在时间逆转镜中被同一动态天线传输回来。波被传输到最初的源头并且在时域上被压缩。聚焦质量由频带宽度和在同一腔中的谱相关决定。在声学，时间周期性的实验可以以宽带波的形式实现。在这些实验中，一个源发送一个短脉冲，在一个或多或少复杂的（但理想状态是无耗散）介质中传播被传感器阵列抓获，称为一个时间反转镜（TRM）的。它所记录的信号被数字化存储在电子记忆模块，经时间逆转，再次模拟化，最后被TRM传回。当介质复杂的且频率带宽较大时，时间反转波发现更准确地收敛回到其来源，这对于诸如地下探测，散射分析及电信应用更具吸引力。事实上，最近证明运用超声波，利用复杂介质的优势，通过TRM传达更多的信息是可能的。从实际角度来看，TRM用于集中伪随机序列及其中少数几个波长不同的接收器。在通信语言中，它对应MIMO-MU（多输入多输出用户）格局。虽然强多散射介质中的传播是无差错传输，在均匀介质（自由空间）中巨大的错误率归结于接收器之间的交叉。事实上，一个TRM空间的分辨率在多散射介质中比在自由空间更小。这就是在过去一直被实验和理论强调的著名的“super-resolution”理论。是否有可能将这一想法转变成电磁器件呢？这是一个具有挑战性的问题，因为在许多实际环境（建筑物或城市）中，波长在10至30厘米的微波可以被诸如墙壁，办公桌，汽车等物体散射，产生从发射器到接收器的多种路径。在这种情况下，由于多种反射和回响，一时间逆转天线不仅仅是为了弥补这些多路径，而且也可以提高信息传输速率，因为它已经被超声波显示。但是，第一个步骤是证明在GHZ范围内一个时间逆转实验的可行性，这就是本篇的目的。为了实现这一目标，我们提出了第一个工作在约2.45GHz下的单一通道电磁时间反转镜。从实际角度来看，将基于超声波发展的时间反转技术用于电磁器件主要困难在于将无限电频率信号数字化的较高的采样频率。克服这一限制的一种方法是只在同频信号下工作和使用所谓的三波或者四波混频的非线性做相位共轭，以自然地产生模拟共轭波。在本文中，我们以共轭波或者同频波为例真正地执行宽带时间反转实验。此载波频率是V0，MI(t)和MQ(t)是基带信号。所有的时间逆转行动以基带信号为基础。它的优点是，抽样频率可远远低于2V0。实验装置如下图所示（图1）。VOLUME92,NUMBER19PHYSICALREVIEWLETTERS14MAY2004图（1）我们使用两个工作在V0=2.45GHz全向天线和两个收发器电路板。在发送端，它们允许在一个全向天线编码一个基带信号（标有I和Q）的在相部分（cos）和其正交（sin）部分到一个可以由辐射天线发射的2.45GHZ的载波上。在接收端，电路板将接收到的射频信号解调到基带上。实验发生在一个3.08x1.84x2.44的强烈回响腔中。运用一个任意波形产生器，我们将一短脉冲（中心频率为3MHz，-6dB带宽范围2MHz）传递到I模拟输入传输口(如图2（a）)。没有信号输入到Q模拟输入(如图2(b))。混频器将这个信号转换到GHZ频带，并传递信号,然后波形e(t)由天线A传送。VOLUME92,NUMBER19PHYSICALREVIEWLETTERS14MAY2004图（2）在传输后，信号被天线B记录，然后下变频产生输出信号的组成部分I和Q，这些信号可以被示波器观察到。接受到的信号持续8US以上，超过了8倍初始基带信号，即19600个波的周期。射频波已经走过了2千米在14立方米的体积的容器内，经历了6000个反射。下一步，我们的目标是扭转时间收到的电台信号s（t）。因此，基带I和Q信号MI’和MQ’由示波器以40兆赫的采样率进行数字化，发送到计算机，进行时间逆转.此时，载波必须被结合.下一步骤包括对时间逆转信号I和Q的再次模拟和在相位共轭波上的编码：由此产生的射频信号为，此时的射频信号由天线B传回。在传播过程后，由天线A接收的射频信号被下变频到基带。如图3所示，在I信道接收的信号按时间和恢复其最初期限。不过应该注意到，接收窗口可以被任意选择为了围绕图形内的重点脉冲。VOLUME92,NUMBER19PHYSICALREVIEWLETTERS14MAY2004图（3）事实上，自从被震动波场由单一天线捕获，时间逆转行动也并不完美。重新创建的波形不是最初的脉冲精确副本：在信道I上的峰值处有旁瓣和信号在信道Q上被测量即使没有信号被送往该通道。类似的观察发现时间的超声波逆转：它可以证明一个通道的时间逆转实验的峰值噪声有的不同，这的代表可用带宽,代表相关回荡场的频率，是场场相关函数的特征宽度，是分散的电磁场。因此可以预计，如果带宽更大的话，存在更强大的脉冲压缩或者更小的相关频率。假定腔的尺寸，那么伯格时间（即本征模之间的平均距离倒数）是TH~80US。但其特征吸收时间达3.6的衰减是因为由于墙壁的吸收效应，因此，模式问题没有被解决，相关频率由ta决定的而非tH。假设2MHz和，结果是预测的峰值信噪比大约等于3，与我们的实验结果具有一定的可比性。实验表明，时间逆转是可补偿多次混响和在源头处重新创建一个短电磁脉冲的。但是更重要的是，我们也验证了重建信号的振幅在天线A处的强度比在其他腔内[图3（b）和3（b’）]。例如，时间扭转波在空间是集中的。这与过去使用回响或强烈散射介质的超声证明即使一个通道时间反转装置，脉冲仅仅在源头上急剧集中的实验结果是一致的，尽管由决定的周围噪音源存在。在这里，混响的作用以及大频带必须加以强调。由于我们只有一个通道时间反转，无论多大的带宽没有聚焦的波出现在自由的空间。在回荡介质中，如果带宽太窄将没有重点发生，就像古典相位共轭技术中的例子一样。事实上，假设一个信号因子时间反转天线试图在某些接收机上把重点放在一个纯粹的单声道色谱，相位共轭波没有任何理由集中在这一点上，因为天线通过介质发送回的波只有正弦的形式。但是，如果频率宽度比相关频率大的多的话，回荡场在两个分开的频率上的谱成分是不相关的：在回荡场的谱中大约有的相关成分。当我们时间逆转(整个带宽上的VOLUME92,NUMBER19PHYSICALREVIEWLETTERS14MAY2004相位相关而非某个频率上)所有的成分时，他们在接收位置t=o添加一定的相位，因为所有的相位都已经沿着所有的带宽被返回至零了。因此，此时此地的振幅增长了，然而在接收位置（t=0）之外，不同的频率成分不同步的增加，总的增长是总体说来，峰值噪声比随着带宽的增长增加了.它解释了为什么一个时间逆转实验是可能的，尽管只有一个时间逆转信道，只要频率带宽比传播介质的相关频率大得多。我们已经演示了在GHZ范围内的电磁波的一时间逆转实验。这个实验是在回荡腔中实施的。为了避免在GHZ频率的广播信号的数字化，我们还可以逆转基带信号和相位共轭载波。多亏了回荡腔，源头的最后信号在时间和空间上以信噪比的形式被压缩，信噪比是由介质中的带宽频率比决定。在将来，一个较大的带宽必须被用去提高空间和时间上的聚焦性。因此时间逆转在复杂回荡场中的宽带无线通信有广阔的前景。参考文献：