基于时间反演聚焦传输机制的电磁波空间场赋形研究

Generation of arbitrarily shaped electromagnetic fields in a prescribed bounded area is a challenging scientific issue. If the issue can be solved, it will be very valuable to create new electromagnetic applications in industry, algriculture, chemistry, biologics, energy, and information. The discovery of exclusive space-time focusing capability of time reversal (TR) provides the possibility to solve this challenging issue. In this proposal, we aim to develop new methods and technologies for arbitrarily shaped fields of electromagnetic waves with the point focusing fields generated by time reversal mirror as the basis fields. We hope to improve the accuracy t of shaped fields and build a low complexity and low cost experiment setup for realizing the physical generation of the shaped electromagnetic fields in the ISM band. Our research includes: (1) Build accurate models for point focusing fields and realize the controllable design of point focusing fields. (2) Study the field shaping synthesis methods for high-quality time reversal back-propagating signals and develop the high-efficiency algorithms for shaped field design. (3) Explore the methods and techniques of shaping electromagnetic fields in the complex medium. （4）Develop new experimental devices and realize the physical generation of the shaped electromagnetic fields in the ISM band. The results can be expected to provide a key technology and method for studying arbitrarily shaped eletromagnetci fields and thier applications.

在指定的有限空间内产生任意电磁波赋形场是一个极富挑战性的科学技术难题。该难题的解决，对拓展电磁波在工农业、化学、生物、能源、信息等领域中的应用具有重要意义。时间反演（Time Reversal, TR）独有的空时同步聚焦传输能力的发现为解决此难题提供了可能。本项目旨在研究以时间反演镜产生的“点聚焦场”作为“基本场”的电磁波赋形场产生方法与技术，提升赋形场产生精度，构建出低复杂度低成本的赋形场产生装置，实现ISM频段电磁波赋形场的物理产生。研究包括：（1）建立精确的点聚焦场分析模型，实现对点聚焦场的精确可控设计；（2）研究可实现TR回传信号高质量设计的赋形场综合方法和技术，提出高效的赋形场综合设计算法；（3）探索在复杂媒质环境下的电磁波空间场赋形方法和技术；（4）研究新型实验装置，在ISM频段物理产生电磁波赋形场。项目成果预期能为任意电磁波赋形场的研究及其应用提供关键方法和技术。

本项目从电磁场赋形的角度出发，利用时间反演技术的空-时同步聚焦传输机制，对ISM频段电磁波赋形场的物理产生方法与技术进行研究，取得以下研究成果：（1）建立了非理想TRM的聚焦场模型，给出了能够控制和影响聚焦场各指标的设计参数；（2）对TRM回传信号的幅度和相位进行了优化，实现了多种不同场强分布形状的赋形场，初步验证了基于时间反演的点聚焦无线输能方案；（3）实现了均匀场、连续场赋形，引入角谱投影法，实现了二维聚焦场、圆锥形场和平顶柱形场赋形，提升了赋形场均匀性；（4）基于离散TRM实现给定模式的精准瞬态电场赋形方法研究，实现了不受有限区域形状的限制的任何时间任意形状的场赋形，为场赋形技术走向实际工程应用提供了理论支撑；（5）组建了无线输能演示系统，实现了任意功率配比多用户选择性无线输能和多点聚焦无线通信，具有重要的工程应用价值；（6）依托本项目，在国际上发表标注有基金号的学术论文共19篇（SCI收录7篇，会议论文11篇），其中EI收录14篇，出国进行学术交流2次；申报中国发明专利15项（已获授权1项），培养博士/硕士研究生合计8名。其中，博士毕业研究生1名，硕士毕业研究生7名，超额完成项目预期目标。项目研究成果为实现任意电磁波场赋形提供了关键方法和技术，对任意功率配比多用户选择性无线输能和多点聚焦无线通信的应用发展具有重要的推动作用，对其他类型的无线通信及无线输能的研究与发展也具有重要的推广应用价值。