《信息超材料》由东南大学毫米波全国重点实验室崔铁军院士团队成员合作编写，涵盖了该团队近年来在信息超材料领域的众多研究成果。《信息超材料》系统地阐述了信息超材料的基本原理和设计方法，包括数字编码超材料、现场可编程超材料、时间/时空编码超材料和信息超材料的信息理论等方面的*新进展；同时也介绍了信息超材料在无线通信、微波/雷达成像和智能可编程系统中的重要应用。

目录
丛书序
前言
第1章 引言 1
1.1 电磁超材料概述 2
1.1.1 等效媒质超材料 2
1.1.2 电磁超表面 5
1.2 信息超材料概述 10
参考文献 18
第2章 数字编码超材料 25
2.1 数字编码超材料的基本原理 25
2.2 微波、太赫兹及声学数字编码超材料 30
2.2.1 微波数字编码超材料 30
2.2.2 太赫兹数字编码超材料 32
2.2.3 声学数字编码超材料 34
2.3 多功能数字编码超材料.36
2.3.1 各向异性数字编码超材料 37
2.3.2 多频段数字编码超材料 38
2.3.3 透射式数字编码超材料 45
2.3.4 幅相联合数字编码超材料 54
2.4 小结 60
参考文献 60
第3章 现场可编程超材料 62
3.1 基本概念和工作原理 62
3.2 微波段可编程超材料 66
3.2.1 可编程相控阵天线 66
3.2.2 可编程涡旋波发生器 68
3.2.3 极化可编程超表面 71
3.2.4 非互易可编程超表面 75
3.2.5 光控可编程超表面 79
3.2.6 机械可编程超材料 83
3.3 太赫兹及光波段可编程超材料 88
3.4 小结 95
参考文献 95
第4章 信息超材料的数字信息理论 98
4.1 超材料的卷积定理 98
4.2 超材料的加法定理 102
4.3 超材料的信息熵 109
4.4 超材料的电磁信息论114
4.5 信息超材料的时空信息转换 119
4.6 小结 122
参考文献 122
第5章 时间编码超材料 123
5.1 基本概念与理论 123
5.2 时间编码超表面的代表性应用 126
5.2.1 非线性谐波调控 126
5.2.2 谐波幅相*立调控 128
5.2.3 高效率频率合成 130
5.2.4 多普勒速度伪装 131
5.3 小结.134
参考文献 134
第6章 时空编码超材料 136
6.1 基本概念与工作原理 136
6.2 时空编码超材料的代表性应用 140
6.2.1 谐波波束扫描 140
6.2.2 波束调控与成形 141
6.2.3 散射能量缩减 144
6.2.4 可编程非互易效应 146
6.2.5 任意多比特相位生成 151
6.2.6 多频率联合*立调控 154
6.2.7 波达方向估计 157
6.3 小结.161
参考文献 161
第7章 信息超材料在无线通信中的应用 164
7.1 无线通信中超材料的工作原理 164
7.1.1 波束调控原理 164
7.1.2 信息调制原理 165
7.2 新架构发射机与无线通信系统 168
7.2.1 频移键控发射机 168
7.2.2 相移键控发射机 172
7.2.3 正交振幅调制发射机 175
7.2.4 方向图调制发射机 180
7.2.5 多输入多输出系统 182
7.2.6 光控微波信号发射机 184
7.3 多维复用无线通信方法 188
7.4 近场多通道直接信息传输 194
7.5 无源背向散射通信 198
7.6 超表面自由空间路径损耗模型 202
7.6.1 理论建模与分析 203
7.6.2 实验测量与验证 206
7.7 小结 208
参考文献 208
第8章 智能超材料及系统级应用 211
8.1 新体制成像系统 211
8.1.1 可编程全息成像 211
8.1.2 微波成像系统 213
8.2 智能可编程系统 220
8.2.1 自适应可编程超材料 220
8.2.2 可编程人工智能机 225
8.3 小结 230
参考文献 231
第9章 结束语 232
参考文献 234
索引 237

第1章引言
　　电磁超材料是一种将亚波长尺度的单元按周期或非周期性排布的人工结构，可实现对电磁场与波的灵活调控，突破了传统材料在原子或分子层面的固化限制，构造出自然界不存在或传统技术难以达到的超常规媒质参数。因此，电磁超材料可看作是材料、结构和功能的复合体，远远超越了传统材料的概念和范畴。近二十年来，电磁超材料一直是物理和信息领域的国际前沿和研究热点，相关成果四次入选Science期刊所评选的年度“十大科技突破”和21世纪前十年的“十大科技突破”，其概念也被推广至声学、热学、力学等不同领域。
　　长期以来，电磁超材料一直用等效媒质参数或材料参数（例如介电常数、磁导率和折射率等）来表征，通过控制参数值及其分布来自由地调控电磁波，带来全新的物理现象和重要应用，例如负折射、逆切伦科夫福射、完美成像、隐身衣、电磁黒洞、各类新型天线和天线罩等。然而，基于等效媒质参数的超材料一旦完成制备，其固定的功能无法实现对电磁场与波的实时调控，也难以和信息理论及数字信号处理方法有效结合。为改变这种局面，我们提出了数字编码超材料和现场可编程超材料的概念。数字编码超材料用二进制数字编码来表征，通过设计数字编码序列来操控电磁波，极大地简化了超材料的设计与优化流程。与等效媒质超材料相比，数字编码超材料的核心是单元的“数字表征”和阵列的“数字编码”。单元的数字状态可由有源器件（例如二极管）或有源材料（例如石墨烯）实时控制，而阵列的数字编码可由FPGA实时切换，进而构建出全新的现场可编程超材料，实现了对电磁场与电磁波的实时可编程操控，极大地丰富了超材料对电磁波的操控能力。更为重要的是，操控电磁波的数字编码序列也是信息“编码比特流”的表征形式，因此这种超材料在实时控制电磁波的同时也在处理数字信息，故亦称为信息超材料。
　　顾名思义，信息超材料是指能实时操控电磁波、直接处理数字信息的超材料，并能进一步对信息进行感知、理解，甚至记忆、学习和认知。信息超材料创建了超材料的新体系，同时受麦克斯韦方程、信息论、数字信号处理等理论与方法所支配。其内涵包括但不限于：数字编码超材料、现场可编程超材料、软件定义超材料、智能超材料、可认知超材料等。信息超材料的*大特点是提供了一个物理平台，把电磁物理空间和数字空间融为一体，在操控电磁场与波的同时完成信息的感知、处理与调制。信息超材料既可为重大理论突破和方法创新提供契机，又能构建新体制、低成本、自主可控的电子信息系统，可颠覆传统雷达、通信等领域的设计理念和功能，在国防领域和国民经济主战场产生颠覆性或变革性应用，实现跨越式发展。经过近几年的发展，信息超材料已在电磁调控领域展现出优异性能，可突破现有技术桎格，构筑新型无线通信、电磁感知、智能成像等系统级应用。本章将从电磁超材料的基本概念出发，*先回溯等效媒质超材料和电磁超表面的基础知识和典型应用，然后简述信息超材料的概念、种类和发展历程。
　　1.1电磁超材料概述
　　19世纪中后期，麦克斯韦在安培定律、法拉第定律、毕奥-萨伐尔定律、欧姆定律等基础上建立了完整的电磁理论，赫兹等则证实了电磁波的存在，解释了很多重要的物理现象，并在此基础上实现了简单的通信功能。但几乎所有天然材料的相对介电常数和磁导率均大于1，这一客观条件限制了更多复杂的电磁调控应用。因此，突破传统材料的电磁特性一直是研究者的愿景，而超材料（metamaterial）的产生则为实现这一愿景提供了有效途径。初期，电磁超材料也被称为新型人工电磁媒质（或新型人工电磁材料），通过亚波长排列的人工结构来定制其等效电磁参数，调控电磁波，实现自然材料不具备的电磁现象。后来研究者们在三维超材料的基础上提出了二维电磁超材料，即电磁超表面（metasurface），进而引出了广义斯涅耳定律，使电磁调控更加灵活方便的同时具备设计简单和易集成等优点。本节将主要阐述**电磁超材料和超表面的发展历程和典型应用。
　　1.1.1等效媒质超材料
　　1967年，苏联科学家Veselago教授在其论文The　electrodynamics　of　substances　with　simultaneously　negatives　and中提出了一个构想，当一种材料的介电常数和磁导率都为负值时，其电磁波的传播方向k、电场分量E和磁场分量丑将不再遵循传统的“右手定则”，反而符合相反的“左手定则”。在该理论范畴下，存在负折射、反向多普勒效应和逆切伦科夫效应等奇特的物理现象，因此这种材料被称为左手材料（或左手媒质）。但这是一个纯理论研究，因为没有找到真实的实现路径，之后的30余年，该工作一直无人问津。直到1996年，英国帝国理工学院的John　Pendry爵士等提出了用金属线阵列实现负介电常数的方法1999年又提出用开口谐振环阵列实现负磁导率的方法2000年，美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的Smith教授等将金属线和开口谐振环结构有机结合，实现了同时具有负介电常数和负磁导率的左手材料[4]