电磁波的时间逆转

1、VOLUME 92,NUMBER 19PHYSICAL REVIEW LETTERS 14 MAY 2004电磁波的时间逆转性Timee Reeverrsall off Ellecttrommagnnetiic WWavees出处：PHYYSICCAL REVVIEWW LEETTEERSVOLUUME 92,NUMMBERR 199,1939904-111939904-3姓名：吴吴亚楠 学号：2201002100101111专业：光光学工程程Timee Reeverrsall off Ellecttrommagnnetiic WWaveesG. LLerooseyy, JJ.dee Roos

2、nyy,A.Touurinn,A.Derrodee,G.Monntalldo,andd M.Finnk（Recceivved 9 DDeceembeer 220033；puubliisheed 114 MMay 20004）我们分析析了首个个电磁波波时间逆转转的实验示示范。由一个天天线发送送一个以以2.445GHHZ中心心频率的的周期为为1uss的电磁磁脉冲；另外一一个天线线记录强强烈回荡荡信号。时间逆逆转波在在时间逆逆转镜中中被同一一动态天天线传输输回来。波被传传输到最最初的源源头并且且在时域域上被压压缩。聚聚焦质量量由频带带宽度和和在同一一腔中的的谱相关关决定。在声学，时间周周期性的的实验

3、可可以以宽宽带波的的形式实实现。在在这些实实验中，一个源源发送一一个短脉脉冲，在在一个或或多或少少复杂的的（但理理想状态态是无耗耗散）介介质中传播被被传感器器阵列抓抓获，称称为一个个时间反反转镜（ TRRM）的的。它所所记录的的信号被被数字化化存储在电电子记忆忆模块，经时间逆逆转，再再次模拟拟化，最最后被TTRM传传回。当介质质复杂的的且频率率带宽较较大时，时间反反转波发发现更准准确地收收敛回到到其来源源，这对对于诸如如地下探探测，散散射分析析及电信信应用更更具吸引引力。事事实上，最近证证明运用用超声波波，利用用复杂介质质的优势势，通过过TRMM传达更多多的信息息是可能能的。从从实际角度度来看

4、，TRMM用于集集中伪随随机序列列及其中中少数几几个波长长不同的的接收器器。在通通信语言言中，它对对应MIIMO-MU（多输入入多输出出用户 ）格局局。虽然然强多散散射介质质中的传传播是无无差错传传输，在在均匀介介质（自自由空间间）中巨巨大的错错误率归归结于接接收器之之间的交交叉。事事实上，一个TTRM空空间的分分辨率在在多散射射介质中中比在自自由空间间更小。这就是是在过去去一直被被实验和和理论强强调的著著名的“supper-ressoluutioon”理论。 是是否有可可能将这这一想法法转变成成电磁器器件呢？这是一一个具有有挑战性性的问题题，因为为在许多多实际环环境（建建筑物或或城市）中，波

5、长长在100至300厘米的的微波可可以被诸诸如墙壁壁，办公公桌，汽汽车等物物体散射射，产生生从发射射器到接收收器的多种种路径。在这种种情况下下，由于于多种反反射和回回响，一一时间逆逆转天线线不仅仅仅是为了了弥补这这些多路路径，而而且也可以提提高信息息传输速速率，因因为它已已经被超声波显示。但是，第一个个步骤是是证明在在GHZZ范围内内一个时时间逆转转实验的的可行性性，这就就是本篇篇的目的的。为了了实现这这一目标标，我们们提出了了第一个个工作在在约2.45GGHz下下的单一一通道电电磁时间间反转镜镜。从实际角角度来看看，将基基于超声声波发展展的时间间反转技技术用于于电磁器器件主要要困难在在于将无

6、无限电频频率信号号数字化化的较高高的采样样频率。克服这这一限制制的一种种方法是是只在同同频信号号下工作作和使用用所谓的的三波或或者四波波混频的的非线性性做相位位共轭，以自然然地产生生模拟共共轭波。在本文文中，我我们以共共轭波或或者同频频波为例例真正地执行宽带带时间反反转实验验。此载载波频率率是V0，MI(t)和MQQ(t)是基带带信号。所有的的时间逆逆转行动动以基带带信号为为基础。它的优优点是，抽样频频率可远远远低于于2V0。实验装置置如下图图所示（图1）。图（1）我们使用用两个工工作在V0=2.455 GHHz全向向天线和和两个收收发器电电路板。在发送送端，它它们允许许在一个个全向天天线编码

7、码一个基基带信号号（标有有I和QQ ）的的在相部部分（coss）和其正交（sinn）部分分到一个个可以由由辐射天天线发射射的2.45GGHZ的的载波上上。在接接收端，电路板板将接收收到的射射频信号号解调到到基带上。实验发生生在一个个3.008x1.884x2.444的强强烈回响响腔中。运用一一个任意意波形产产生器，我们将将一短脉脉冲（中中心频率率为3MMHz，-6ddB带宽宽范围22MHzz）传递递到I模模拟输入入传输口口(如图图2（aa）)。没有信信号输入入到Q模模拟输入入(如图图2(bb)。混频器器将这个个信号转转换到GGHZ频频带，并并传递信信号,然后波形形e(tt)由天线AA传送。图（

8、2）在传输后后，信号号被天线线B记录录，然后后下变频频产生输输出信号号的组成成部分II和Q，这些信信号可以以被示波波器观察察到。接接受到的的信号持持续8UUS以上上，超过过了8倍倍初始基基带信号号，即1996000 个波波的周期期。射频频波已经经走过了了2千米米在144立方米米的体积积的容器器内，经经历了660000个反射射。下一步，我们的的目标是是扭转时时间收到到的电台信号号s（tt）。因因此，基基带I和和Q信号号MI和MQ由示波波器以440兆赫赫的采样样率进行行数字化化，发送送到计算算机，进进行时间间逆转.此时，载波必须须被结合合.下一一步骤包括括对时间间逆转信信号I和和Q的再再次模拟拟和

9、在相相位共轭轭波上的的编码：由此产产生的射射频信号号为，此此时的射射频信号号由天线线B传回回。在传传播过程程后，由由天线AA接收的的射频信信号被下下变频到到基带。如图33所示，在I信信道接收收的信号号按时间间和恢复复其最初初期限。不过应应该注意意到，接接收窗口口可以被被任意选选择为了围绕图图形内的的重点脉脉冲。图（3）事实上，自从被被震动波波场由单单一天线线捕获，时间逆逆转行动动也并不不完美。重新创创建的波波形不是是最初的的脉冲精精确副本本：在信信道I上上的峰值值处有旁旁瓣和信信号在信信道Q上上被测量量即使没没有信号号被送往往该通道道。类似似的观察察发现时时间的超超声波逆逆转：它它可以证证明一

10、个个通道的的时间逆逆转实验验的峰值值噪声有有的不同同， 这这的代表表可用带带宽,代表相相关回荡荡场的频频率，是是场场相相关函数数的特征征宽度，是分散散的电磁磁场。因因此可以以预计，如果带带宽更大大的话，存在更更强大的的脉冲压压缩或者者更小的的相关频频率。假假定腔的的尺寸，那么伯伯格时间间（即本本征模之之间的平平均距离离倒数）是TH80USS。但其特特征吸收收时间达达3.6的的衰减是是因为由由于墙壁壁的吸收收效应，因此，模式问问题没有有被解决决，相关关频率由由ta决定的的而非ttH。假设设2MHHz和，结果果是预测测的峰值值信噪比比大约等等于3 ，与我我们的实实验结果果具有一一定的可可比性。实验

11、表明明，时间间逆转是是可补偿偿多次混混响和在在源头处处重新创创建一个个短电磁磁脉冲的的。但是更重重要的是是，我们们也验证证了重建建信号的的振幅在天天线A处处的强度度比在其其他腔内内图3（b）和3（b）。例如如，时间间扭转波波在空间间是集中中的。这与过去去使用回回响或强强烈散射射介质的的超声证证明即使使一个通通道时间间反转装装置，脉脉冲仅仅仅在源头头上急剧剧集中的的实验结结果是一一致的，尽管由由决定的的周围噪噪音源存存在。在在这里，混响的的作用以以及大频频带必须须加以强强调。由由于我们们只有一一个通道道时间反反转，无无论多大大的带宽宽没有聚聚焦的波波出现在在自由的的空间。在回荡荡介质中中，如果果

12、带宽太太窄将没没有重点点发生，就就像古典典相位共共轭技术术中的例例子一样样。事实实上，假假设一个个信号因因子时间间反转天天线试图图在某些些接收机机上把重重点放在在一个纯纯粹的单单声道色色谱，相位共共轭波没没有任何何理由集集中在这这一点上上，因为为天线通过过介质发发送回的的波只有有正弦的的形式。但是，如果频频率宽度度比相关关频率大大的多的的话，回回荡场在在两个分分开的频频率上的的谱成分分是不相相关的：在回荡荡场的谱谱中大约约有的相关关成分。当我们们时间逆逆转(整整个带宽宽上的相相位相关关而非某某个频率率上)所所有的成成分时，他们在在接收位位置t=o添加加一定的的相位，因为所所有的相相位都已已经沿着着所有的的带宽被被返回至至零了。因此，此时此此地的振振幅增长长了，然然而在接接收位置置（t=0）之之外，不不同的频频率成分分不同步步的增加加，总的的增长是是总体说说来，峰峰值噪声声比随着着带宽的的增长增增加了.它解释释了为什什么一个个时间逆逆转实验验是可能能的，尽尽管只有有一个时时间逆转转信道，只要频频率带宽宽比传播播介质的的相关频频率大得得多。我们已经经演示了了在GHHZ范围围内的电电磁波的的一时间间逆转实实验。这这个实验验是在回回荡腔中