基于时间反演的电磁点聚焦技术

深圳市宇能无线技术有限公司在国内著名专业电子院校电磁团队多年的科研基础上，推出了基于时间反演的电磁点聚焦工作平台。该平台利用时间反演技术将电磁能量同时聚焦在指定空间内的某一点或多个点上，从而可实现电磁场在空间范围内的精确场赋形，同时可以实现对单个或多个指定位置的精确高效无线能量传输。平台利用LED的亮灭直观显示并验证在金属腔体内电磁场的聚焦与能量无线传输的效果，实现了能量聚焦的可视化。此平台可直接用于高校电磁教学，通信公司、研究所等机构的空间电磁精准聚焦模拟系统。基于此平台的技术也可以用于其它多方面的无线产品。

（一）关键技术理论介绍:

1.1 时间反演技术：   

时间反演（Time Reversal ，TR）是进入20世纪末发展起来的一种新型声波传输与控制技术，在2004年引入至电磁学领域。时间反演技术的本质是：由目标点处发射探测信号，在包围该目标点的封闭腔体上获得接收信号，并将该信号在时间轴上进行反转，将处理过后的信号通过腔体再发射，经过以上过程后电磁波在目标点处可实现空间与时间的同步聚焦。

如图1所示为一个闭合腔体，腔体体积为V '，被封闭面S '包围，S '上分布连续的信号接收器，构成时间反演腔（Time Reversal Cavity，TRC），TRC可以实现信号的接收与发射功能。TR实现的基本操作主要分为两个过程。第一是前向探测过程，位于rs处的源发出一探测信号，该信号经过媒质空间，被TRC接收并记录；第二是TR电磁波回传过程，将TRC记录的接收信号进行时间轴上的逆序操作，然后再由TRC重新发射，产生的TR电磁波会自适应地聚焦于rs处。

图1:  闭合腔源场示意图

时间反演的中心思想是在复杂环境中将声波或电磁波返传播于原源位置，TR电磁波的聚焦过程如图2所示。其中图2（d）表明，TR电磁波可以在原源位置处也即目标点处形成点聚焦场，而其他位置处的场强相对于聚焦点处的场强很小。TR技术在实现精准定位的同时又能将传输能量聚焦于一点。

（a）仿真模型                              （b）前向探测过程

（c）TR回传过程                          （d）目标点聚焦

图2：时间反演电磁波的空间聚焦过程

1.2 时间反演技术的空-时聚焦特性

研究表明，将TRC接收到的信号进行时间反演处理后再发射，电磁波将自动在原源点处表现出空间、时间的同步聚焦特性。

对于标量波动问题的时间反演空-时聚焦特性的分析，需要求解TRC所包围空间内经过时间反演处理后的场分布。在 TR实现的前向探测过程中，由TRC包围空间内的r=r0处设置点源，激励冲击信号δ(r-r0)，此时TRC所在的闭合曲面S上的边界场为。在TR电磁波回传过程中，首先将在TRC上接收到的信号进行时间反演处理，在频域上即对信号作相位共轭处理，得到，然后将作为信号源，由TRC再次反向发射，此时，空间中的场分布为时间反演场GTR(r,r0)。根据格林定理可以获得频域标量时间反演场的解为：

公式（1）

当r与原源点位置矢量r0十分接近时，频域标量时间反演场为：

公式（2）

由上式可以看出，此时原源点处附近的场按照辛格函数分布，场值随着空间由r0向外的延伸而迅速降低，也即在r0处实现了空间上的场聚焦。

标量时间反演场的时域解为：

公式（3）

由上式可以看出，经过TR处理且由TRC激励的各个方向的标量时间反演场能够同时在r0处实现汇聚叠加，也即时间反演技术的空-时同步聚焦特性。

与标量TR场的求解方法类似，当原源点处的激励信号为δ(r-r0)i(ω)，且TR电场的观测点r与原源点位置矢量r0十分接近时,矢量时间反演场的频域解为：

其中，

为在前向探测过程中TRC上接收的电场，为经过时间反演处理后的经TRC阵列再次反向发射的二次激励源，α可表示任意常矢量。

当TR电场的观测点r与原源点位置矢量r0十分接近时，矢量时间反演场的频域解可以表示为：

其中，表示单位并矢。

由上式可以看出矢量TR电场值在原源点位置矢量r0处最大，电场值随着观测空间由r0向外延伸而快速衰减，因此矢量时间反演电场值同样在原源点处形成空间聚焦。并且矢量TR场比标量TR场随空间向外衰减的速度更快，也即场空间聚焦效果更好。

矢量时间反演场对应的时域解可表示为：

由上式可以看出，由原源点发射的并在TRC中接收的矢量场，经过TR处理并反向激励后，能够在同一时刻到达原源场点r0处，也即时间反演技术能够实现在时间和空间上的同步聚焦。

时间反演技术能够自主补偿各个方向到达波由空间路程差引起的时延差或相位差，从而使得它们在焦点处保持同步同相，进而产生“空-时同步聚焦”物理现象。根据这一特性，TR技术能够自适应地在目标位置处产生电磁能量的聚焦。理论和实验研究表明，TR电磁波可以在指定的一个或多个目标位置同时形成点聚焦，在特定的条件下还能够展现出独特的超越瑞利衍射极限的亚波长聚焦特性、产生高精度的无衍射电磁波束。这些独特的物理性质，为电磁场的空间赋形与无线能量的精确传输等问题提供了一种全新思路。

1.3 电磁时间反演点聚焦技术的实现与优势

（1）电磁时间反演点聚焦技术的实现及优势

在电磁时间反演点聚焦技术的实现过程中，需要建立由TRC离散化之后的时间反演镜（Time Reversal Mirror,TRM），TRM是由有限个同时具有收发功能的天线组成的阵列，也可以实现时间反演的空时聚焦。

在前向探测过程的实现中：由于电力传输需要持续且稳定的能量输送，以短时脉冲作为激励源的传统时间反演技术不能直接应用。因此本公司所推出工作平台中的电磁时间反演点聚焦技术利用连续的正弦波代替短时脉冲进行能量传输。在该情况下，系统是简谐稳态的，到达整流天线的接收波形为正弦波，幅值分布均匀。

在TR电磁波回传过程的实现中：该电磁时间反演点聚焦技术无需对接收波形进行全波采集，可直接对接收正弦波信号在频域内进行相位共轭，避免在传统的时间反演技术的应用实现中数字处理器件采样率的限制，可显著降低TR信号处理过程的物理实现难度和成本，具有实际的工程应用前景。

（2）基于时间反演理论的电磁场场赋形技术及优势

结合实践反演技术和电磁场空间赋形理论，可以在指定区域内实现快速准确的场赋形。先确定优化的场目标，激励目标场源，利用TRM接收到由目标源发射的电磁波，然后将接收到的信号进行时间反演处理，再由TRM天线阵激励，可在预设区域内得到目标场分布，能够实现目标场的准确赋形。

与传统的场赋形方法相比，利用时间反演技术不需要大量的优化算法，只需一次完整的时间反演过程即可获得预期的目标场。

（3）基于时间反演理论的无线输能技术及优势

所研究的时间反演无线电聚焦技术不仅能实现目标场的赋形，还能够运用于能量的无线传输过程中。基于时间反演的无线输能技术需要经历两个阶段：第一是输能请求阶段，由预期受能点处发射探测信号，利用在受能点周围设置的TRM阵列接收探测信号；第二是能量输送阶段，将用TRM阵列接收到的探测信号进行时间反演处理，将处理后信号通过TRM阵列回传，即可实现电磁能量的无线输送。

该技术中能量不再通过“定向波束”传输，而是借助时间反演电磁波的“空-时”聚焦机制，将电磁能量以“空间点聚焦”的形式，精准地输送至目标点，且不需任何空间定位算法。利用TR点聚焦场的叠加，还能够有选择地同时对多个指定目标输送能量。而且，在远离聚焦点的非聚焦区域，电磁功率密度迅速减小，可显著提高微波空间聚焦的安全性；除此之外，TR 电磁波还可在特定条件下，实现超越瑞利衍射极限的空间“超分辨率聚焦”，不仅能缩减受能天线的体积尺寸，而且能增加密集独立接收通道数量以及显著提升受能终端的接收功率。

（二）电磁时间反演点聚焦系统产品及其验证

2.1 电磁时间反演点聚焦系统的产品介绍：

（1）产品系统模块介绍

本公司推出的电磁场时间反演点聚焦工作平台的系统组成模块，如图3所示，包括由分布在金属腔四周的时间反演镜、金属腔体、信号产生器、接收整流天线、测试控制系统。

其中 TRM由全向偶极子天线构成，TRM可以通过测试控制系统来调节各支路的幅度与相位从而实现对接收信号的时序反转处理；用于接收的整流天线端通过连接LED灯来直观显示该系统实现的电磁场聚焦与输能效果。

不同于传统脉冲波TR技术，本技术采用连续的正弦信号作为激励源，得到持续稳定的聚焦能量传输，同时还能降低TR操作的实现难度。

图3:系统产品组成框图

（2）产品实物

实际产品的具体装置如下图4所示

图4：产品装置的实物图（背景仪器为研发设计调试用，不包在含系统产品中）

（3）产品的功能介绍：

1：利用时间反演技术实现电磁场的聚焦与赋形
2：利用时间反演技术实现无线能量的精准传输
3：基于时间反演技术的场聚焦与无线输能效果的可视化

2.2 电磁时间反演点聚焦系统的仿真实验

通过此系统可以实现“L”、“T”等场型的精确再现和微波赋形，在现场与预期场的场强之间均方误差≤5%，某一电磁场区域的赋形场示例如图5所示。

图5：电场强度分布   (a)L形赋形场分布（4个受能点）；(b)T形赋形场分布（5个受能点）

从仿真结果可以看出，电磁场时间反演点聚焦系统实现的多点聚焦场在各受能目标处的幅值分布非常均匀，在其余能量收集天线处的场值则几乎为0，能够准确获得指定的目标形状的场分布，也即通过该系统准确实现了场赋形。

并且该系统可实现能量对指定位置的精确无线传输，空间能效可达到60%以上。由仿真结果可以看出零点功率大小和功率波动大小均不大于-10dB，可见，各受能目标的接收功率基本相等，且其余受能天线几乎接收不到能量，说明能量被精准输送。

2.3 电磁时间反演点聚焦系统的的实验验证

为了更加直观方便地再现电磁场的赋形调节与无线输能效果，利用电磁时间反演点聚焦系统平台进行了无线驱动LED灯的演示实验。

本系统设计了发光二极管（Light-emitting Diode，LED）显示阵列，如图6所示，由接收天线和整流滤波组成的电路接入到LED上，通过四周的发射天线接受探测信号,利用控制系统精确控制电磁能量的无线发射和区域点聚焦，聚焦与次输能效果可直观地通过受能点处的LED点亮情况来表现。

图6: 电磁聚焦处LED亮灭装置图

在本系统平台上进行了多目标多种形状的无线输能实验，每种实验的输能效果可通过LED 阵列显示，如图7所示:

图7 选择性地对多个目标同时输能。(a)田字形；(b)口字形；(c)下三角形；(d)等边三角形；(e)L形；(f)T形；(g)菱形；(h)X形；(i)1字形；(j)邻近两点

由上图的实验结果可以看出，在本系统能够实现无线驱动并点亮不同位置与数量的LED，可以成功演示用电磁时间反演点聚焦系统实现多目标的选择性无线输能的效果。无线能量仅被输送至预先选定的受能目标，对应的LED被点亮，而其余能量接收天线则不接收能量，对应的LED不发光。实测各种形状各自的零点功率大小Pzero与功率波动大小Pripple基本都在-10dB左右。本实验有效验证了基于时间反演的电磁场赋形和时间反演无线输能的准确性与该系统平台的可靠性。

（三）电磁场点聚焦系统的应用：

本公司推出的基于时间反演的点聚焦系统工作平台实现了对一定发射频率电磁波的精确点聚焦与场赋形，同时可基于时间反演进行多目标的无线输能。在实验验证中由无线接收LED的亮灭直观展示了空间内的电磁场赋形情况和无线输能效果，该平台赋予了一定形状的可视化功能演示。

本工作平台可以展示先进的时间反演理论在电磁中的各种应用，适用于高校电磁微波仿真教学，将无形的电磁空间变有形；电磁场再现；或用于研究所、测量机构和通信公司等需要精确电磁场形状分布的研究；在工业上产生相应微波形状的情况下具有特定用途；也可以用于高效点聚焦目标选择的无线输能及App生态建设；同时该平台的电磁时间反演点聚焦技术显示出的超分辨率聚焦特性可用于无损探伤、医疗诊断、安防检测等、无线通信中压缩信道时延扩展、密集多通道无线通信、自适应阵列天线聚焦等众多领域的应用，同时时间反演技术能够使电磁波在目标点产生空间和时间的同步聚焦可用于微波通信和雷达系统中，且传播环境中的多径分量越多,信号的聚焦效果越好，更可用于空间站或者军用环境的复杂多径环境带来的码间干扰无线通信问题。基于此平台的时间反演电磁技术可以开发出多种无线产品。