深圳市宇能無線技術(shù)有限公司在國內(nèi)著名專業(yè)電子院校電磁團(tuán)隊多年的科研基礎(chǔ)上，推出了基于時間反演的電磁點聚焦工作平臺。該平臺利用時間反演技術(shù)將電磁能量同時聚焦在指定空間內(nèi)的某一點或多個點上，從而可實現(xiàn)電磁場在空間范圍內(nèi)的精確場賦形，同時可以實現(xiàn)對單個或多個指定位置的精確高效無線能量傳輸。平臺利用LED的亮滅直觀顯示并驗證在金屬腔體內(nèi)電磁場的聚焦與能量無線傳輸?shù)男Ч?，實現(xiàn)了能量聚焦的可視化。此平臺可直接用于高校電磁教學(xué)，通信公司、研究所等機(jī)構(gòu)的空間電磁精準(zhǔn)聚焦模擬系統(tǒng)?；诖似脚_的技術(shù)也可以用于其它多方面的無線產(chǎn)品。

（一）關(guān)鍵技術(shù)理論介紹:

1.1 時間反演技術(shù)：???

時間反演（Time Reversal ，TR）是進(jìn)入20世紀(jì)末發(fā)展起來的一種新型聲波傳輸與控制技術(shù)，在2004年引入至電磁學(xué)領(lǐng)域。時間反演技術(shù)的本質(zhì)是：由目標(biāo)點處發(fā)射探測信號，在包圍該目標(biāo)點的封閉腔體上獲得接收信號，并將該信號在時間軸上進(jìn)行反轉(zhuǎn)，將處理過后的信號通過腔體再發(fā)射，經(jīng)過以上過程后電磁波在目標(biāo)點處可實現(xiàn)空間與時間的同步聚焦。

如圖1所示為一個閉合腔體，腔體體積為V?'，被封閉面S?'包圍，S?'上分布連續(xù)的信號接收器，構(gòu)成時間反演腔（Time Reversal Cavity，TRC），TRC可以實現(xiàn)信號的接收與發(fā)射功能。TR實現(xiàn)的基本操作主要分為兩個過程。第一是前向探測過程，位于rs處的源發(fā)出一探測信號，該信號經(jīng)過媒質(zhì)空間，被TRC接收并記錄；第二是TR電磁波回傳過程，將TRC記錄的接收信號進(jìn)行時間軸上的逆序操作，然后再由TRC重新發(fā)射，產(chǎn)生的TR電磁波會自適應(yīng)地聚焦于rs處。

圖1: ?閉合腔源場示意圖

時間反演的中心思想是在復(fù)雜環(huán)境中將聲波或電磁波返傳播于原源位置，TR電磁波的聚焦過程如圖2所示。其中圖2（d）表明，TR電磁波可以在原源位置處也即目標(biāo)點處形成點聚焦場，而其他位置處的場強(qiáng)相對于聚焦點處的場強(qiáng)很小。TR技術(shù)在實現(xiàn)精準(zhǔn)定位的同時又能將傳輸能量聚焦于一點。

（a）仿真模型 ?????????????????????????????（b）前向探測過程

（c）TR回傳過程 ?????????????????????????（d）目標(biāo)點聚焦

圖2：時間反演電磁波的空間聚焦過程

1.2 時間反演技術(shù)的空-時聚焦特性

研究表明，將TRC接收到的信號進(jìn)行時間反演處理后再發(fā)射，電磁波將自動在原源點處表現(xiàn)出空間、時間的同步聚焦特性。

對于標(biāo)量波動問題的時間反演空-時聚焦特性的分析，需要求解TRC所包圍空間內(nèi)經(jīng)過時間反演處理后的場分布。在 TR實現(xiàn)的前向探測過程中，由TRC包圍空間內(nèi)的r=r0處設(shè)置點源，激勵沖擊信號δ(r-r0)，此時TRC所在的閉合曲面S上的邊界場為。在TR電磁波回傳過程中，首先將在TRC上接收到的信號進(jìn)行時間反演處理，在頻域上即對信號作相位共軛處理，得到，然后將作為信號源，由TRC再次反向發(fā)射，此時，空間中的場分布為時間反演場GTR(r,r0)。根據(jù)格林定理可以獲得頻域標(biāo)量時間反演場的解為：

公式（1）

當(dāng)r與原源點位置矢量r0十分接近時，頻域標(biāo)量時間反演場為：

公式（2）

由上式可以看出，此時原源點處附近的場按照辛格函數(shù)分布，場值隨著空間由r0向外的延伸而迅速降低，也即在r0處實現(xiàn)了空間上的場聚焦。

標(biāo)量時間反演場的時域解為：

公式（3）

由上式可以看出，經(jīng)過TR處理且由TRC激勵的各個方向的標(biāo)量時間反演場能夠同時在r0處實現(xiàn)匯聚疊加，也即時間反演技術(shù)的空-時同步聚焦特性。

與標(biāo)量TR場的求解方法類似，當(dāng)原源點處的激勵信號為δ(r-r0)i(ω)，且TR電場的觀測點r與原源點位置矢量r0十分接近時,矢量時間反演場的頻域解為：

其中，

為在前向探測過程中TRC上接收的電場，為經(jīng)過時間反演處理后的經(jīng)TRC陣列再次反向發(fā)射的二次激勵源，α可表示任意常矢量。

當(dāng)TR電場的觀測點r與原源點位置矢量r0十分接近時，矢量時間反演場的頻域解可以表示為：

其中，表示單位并矢。

由上式可以看出矢量TR電場值在原源點位置矢量r0處最大，電場值隨著觀測空間由r0向外延伸而快速衰減，因此矢量時間反演電場值同樣在原源點處形成空間聚焦。并且矢量TR場比標(biāo)量TR場隨空間向外衰減的速度更快，也即場空間聚焦效果更好。

矢量時間反演場對應(yīng)的時域解可表示為：

由上式可以看出，由原源點發(fā)射的并在TRC中接收的矢量場，經(jīng)過TR處理并反向激勵后，能夠在同一時刻到達(dá)原源場點r0處，也即時間反演技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在時間和空間上的同步聚焦。

時間反演技術(shù)能夠自主補(bǔ)償各個方向到達(dá)波由空間路程差引起的時延差或相位差，從而使得它們在焦點處保持同步同相，進(jìn)而產(chǎn)生“空-時同步聚焦”物理現(xiàn)象。根據(jù)這一特性，TR技術(shù)能夠自適應(yīng)地在目標(biāo)位置處產(chǎn)生電磁能量的聚焦。理論和實驗研究表明，TR電磁波可以在指定的一個或多個目標(biāo)位置同時形成點聚焦，在特定的條件下還能夠展現(xiàn)出獨(dú)特的超越瑞利衍射極限的亞波長聚焦特性、產(chǎn)生高精度的無衍射電磁波束。這些獨(dú)特的物理性質(zhì)，為電磁場的空間賦形與無線能量的精確傳輸?shù)葐栴}提供了一種全新思路。

1.3 電磁時間反演點聚焦技術(shù)的實現(xiàn)與優(yōu)勢

（1）電磁時間反演點聚焦技術(shù)的實現(xiàn)及優(yōu)勢

在電磁時間反演點聚焦技術(shù)的實現(xiàn)過程中，需要建立由TRC離散化之后的時間反演鏡（Time Reversal Mirror,TRM），TRM是由有限個同時具有收發(fā)功能的天線組成的陣列，也可以實現(xiàn)時間反演的空時聚焦。

在前向探測過程的實現(xiàn)中：由于電力傳輸需要持續(xù)且穩(wěn)定的能量輸送，以短時脈沖作為激勵源的傳統(tǒng)時間反演技術(shù)不能直接應(yīng)用。因此本公司所推出工作平臺中的電磁時間反演點聚焦技術(shù)利用連續(xù)的正弦波代替短時脈沖進(jìn)行能量傳輸。在該情況下，系統(tǒng)是簡諧穩(wěn)態(tài)的，到達(dá)整流天線的接收波形為正弦波，幅值分布均勻。

在TR電磁波回傳過程的實現(xiàn)中：該電磁時間反演點聚焦技術(shù)無需對接收波形進(jìn)行全波采集，可直接對接收正弦波信號在頻域內(nèi)進(jìn)行相位共軛，避免在傳統(tǒng)的時間反演技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)中數(shù)字處理器件采樣率的限制，可顯著降低TR信號處理過程的物理實現(xiàn)難度和成本，具有實際的工程應(yīng)用前景。

（2）基于時間反演理論的電磁場場賦形技術(shù)及優(yōu)勢

結(jié)合實踐反演技術(shù)和電磁場空間賦形理論，可以在指定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的場賦形。先確定優(yōu)化的場目標(biāo)，激勵目標(biāo)場源，利用TRM接收到由目標(biāo)源發(fā)射的電磁波，然后將接收到的信號進(jìn)行時間反演處理，再由TRM天線陣激勵，可在預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)得到目標(biāo)場分布，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)場的準(zhǔn)確賦形。

與傳統(tǒng)的場賦形方法相比，利用時間反演技術(shù)不需要大量的優(yōu)化算法，只需一次完整的時間反演過程即可獲得預(yù)期的目標(biāo)場。

（3）基于時間反演理論的無線輸能技術(shù)及優(yōu)勢

所研究的時間反演無線電聚焦技術(shù)不僅能實現(xiàn)目標(biāo)場的賦形，還能夠運(yùn)用于能量的無線傳輸過程中?；跁r間反演的無線輸能技術(shù)需要經(jīng)歷兩個階段：第一是輸能請求階段，由預(yù)期受能點處發(fā)射探測信號，利用在受能點周圍設(shè)置的TRM陣列接收探測信號；第二是能量輸送階段，將用TRM陣列接收到的探測信號進(jìn)行時間反演處理，將處理后信號通過TRM陣列回傳，即可實現(xiàn)電磁能量的無線輸送。

該技術(shù)中能量不再通過“定向波束”傳輸，而是借助時間反演電磁波的“空-時”聚焦機(jī)制，將電磁能量以“空間點聚焦”的形式，精準(zhǔn)地輸送至目標(biāo)點，且不需任何空間定位算法。利用TR點聚焦場的疊加，還能夠有選擇地同時對多個指定目標(biāo)輸送能量。而且，在遠(yuǎn)離聚焦點的非聚焦區(qū)域，電磁功率密度迅速減小，可顯著提高微波空間聚焦的安全性；除此之外，TR 電磁波還可在特定條件下，實現(xiàn)超越瑞利衍射極限的空間“超分辨率聚焦”，不僅能縮減受能天線的體積尺寸，而且能增加密集獨(dú)立接收通道數(shù)量以及顯著提升受能終端的接收功率。

（二）電磁時間反演點聚焦系統(tǒng)產(chǎn)品及其驗證

2.1 電磁時間反演點聚焦系統(tǒng)的產(chǎn)品介紹：

（1）產(chǎn)品系統(tǒng)模塊介紹

本公司推出的電磁場時間反演點聚焦工作平臺的系統(tǒng)組成模塊，如圖3所示，包括由分布在金屬腔四周的時間反演鏡、金屬腔體、信號產(chǎn)生器、接收整流天線、測試控制系統(tǒng)。

其中 TRM由全向偶極子天線構(gòu)成，TRM可以通過測試控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)各支路的幅度與相位從而實現(xiàn)對接收信號的時序反轉(zhuǎn)處理；用于接收的整流天線端通過連接LED燈來直觀顯示該系統(tǒng)實現(xiàn)的電磁場聚焦與輸能效果。

不同于傳統(tǒng)脈沖波TR技術(shù)，本技術(shù)采用連續(xù)的正弦信號作為激勵源，得到持續(xù)穩(wěn)定的聚焦能量傳輸，同時還能降低TR操作的實現(xiàn)難度。

圖3:系統(tǒng)產(chǎn)品組成框圖

（2）產(chǎn)品實物

實際產(chǎn)品的具體裝置如下圖4所示

圖4：產(chǎn)品裝置的實物圖（背景儀器為研發(fā)設(shè)計調(diào)試用，不包在含系統(tǒng)產(chǎn)品中）

（3）產(chǎn)品的功能介紹：

1：利用時間反演技術(shù)實現(xiàn)電磁場的聚焦與賦形
2：利用時間反演技術(shù)實現(xiàn)無線能量的精準(zhǔn)傳輸
3：基于時間反演技術(shù)的場聚焦與無線輸能效果的可視化

2.2 電磁時間反演點聚焦系統(tǒng)的仿真實驗

通過此系統(tǒng)可以實現(xiàn)“L”、“T”等場型的精確再現(xiàn)和微波賦形，在現(xiàn)場與預(yù)期場的場強(qiáng)之間均方誤差≤5%，某一電磁場區(qū)域的賦形場示例如圖5所示。

圖5：電場強(qiáng)度分布 ??(a)L形賦形場分布（4個受能點）；(b)T形賦形場分布（5個受能點）

從仿真結(jié)果可以看出，電磁場時間反演點聚焦系統(tǒng)實現(xiàn)的多點聚焦場在各受能目標(biāo)處的幅值分布非常均勻，在其余能量收集天線處的場值則幾乎為0，能夠準(zhǔn)確獲得指定的目標(biāo)形狀的場分布，也即通過該系統(tǒng)準(zhǔn)確實現(xiàn)了場賦形。

并且該系統(tǒng)可實現(xiàn)能量對指定位置的精確無線傳輸，空間能效可達(dá)到60%以上。由仿真結(jié)果可以看出零點功率大小和功率波動大小均不大于-10dB，可見，各受能目標(biāo)的接收功率基本相等，且其余受能天線幾乎接收不到能量，說明能量被精準(zhǔn)輸送。

2.3 電磁時間反演點聚焦系統(tǒng)的的實驗驗證

為了更加直觀方便地再現(xiàn)電磁場的賦形調(diào)節(jié)與無線輸能效果，利用電磁時間反演點聚焦系統(tǒng)平臺進(jìn)行了無線驅(qū)動LED燈的演示實驗。

本系統(tǒng)設(shè)計了發(fā)光二極管（Light-emitting Diode，LED）顯示陣列，如圖6所示，由接收天線和整流濾波組成的電路接入到LED上，通過四周的發(fā)射天線接受探測信號,利用控制系統(tǒng)精確控制電磁能量的無線發(fā)射和區(qū)域點聚焦，聚焦與次輸能效果可直觀地通過受能點處的LED點亮情況來表現(xiàn)。

圖6: 電磁聚焦處LED亮滅裝置圖

在本系統(tǒng)平臺上進(jìn)行了多目標(biāo)多種形狀的無線輸能實驗，每種實驗的輸能效果可通過LED 陣列顯示，如圖7所示:

圖7 選擇性地對多個目標(biāo)同時輸能。(a)田字形；(b)口字形；(c)下三角形；(d)等邊三角形；(e)L形；(f)T形；(g)菱形；(h)X形；(i)1字形；(j)鄰近兩點

由上圖的實驗結(jié)果可以看出，在本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無線驅(qū)動并點亮不同位置與數(shù)量的LED，可以成功演示用電磁時間反演點聚焦系統(tǒng)實現(xiàn)多目標(biāo)的選擇性無線輸能的效果。無線能量僅被輸送至預(yù)先選定的受能目標(biāo)，對應(yīng)的LED被點亮，而其余能量接收天線則不接收能量，對應(yīng)的LED不發(fā)光。實測各種形狀各自的零點功率大小Pzero與功率波動大小Pripple基本都在-10dB左右。本實驗有效驗證了基于時間反演的電磁場賦形和時間反演無線輸能的準(zhǔn)確性與該系統(tǒng)平臺的可靠性。

（三）電磁場點聚焦系統(tǒng)的應(yīng)用：

本公司推出的基于時間反演的點聚焦系統(tǒng)工作平臺實現(xiàn)了對一定發(fā)射頻率電磁波的精確點聚焦與場賦形，同時可基于時間反演進(jìn)行多目標(biāo)的無線輸能。在實驗驗證中由無線接收LED的亮滅直觀展示了空間內(nèi)的電磁場賦形情況和無線輸能效果，該平臺賦予了一定形狀的可視化功能演示。

本工作平臺可以展示先進(jìn)的時間反演理論在電磁中的各種應(yīng)用，適用于高校電磁微波仿真教學(xué)，將無形的電磁空間變有形；電磁場再現(xiàn)；或用于研究所、測量機(jī)構(gòu)和通信公司等需要精確電磁場形狀分布的研究；在工業(yè)上產(chǎn)生相應(yīng)微波形狀的情況下具有特定用途；也可以用于高效點聚焦目標(biāo)選擇的無線輸能及App生態(tài)建設(shè)；同時該平臺的電磁時間反演點聚焦技術(shù)顯示出的超分辨率聚焦特性可用于無損探傷、醫(yī)療診斷、安防檢測等、無線通信中壓縮信道時延擴(kuò)展、密集多通道無線通信、自適應(yīng)陣列天線聚焦等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，同時時間反演技術(shù)能夠使電磁波在目標(biāo)點產(chǎn)生空間和時間的同步聚焦可用于微波通信和雷達(dá)系統(tǒng)中，且傳播環(huán)境中的多徑分量越多,信號的聚焦效果越好，更可用于空間站或者軍用環(huán)境的復(fù)雜多徑環(huán)境帶來的碼間干擾無線通信問題。基于此平臺的時間反演電磁技術(shù)可以開發(fā)出多種無線產(chǎn)品。