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1、VOLUME 92,NUMBER 19PHYSICAL REVIEW LETTERS 14 MAY 2004电磁波的时时间逆转转性Time Revverssal of Eleectrromaagneeticc Waavess出处：PPHYSSICAAL RREVIIEW LETTTERRSVOLUMME 992,NNUMBBER 19,1939004-1119939004-33姓名：吴亚亚楠 学号：2001022101101111专业：光学学工程Time Revverssal of Eleectrromaagneeticc WaavessG. Leerossey, J.de Rossny,A.
2、TTourrin,A.DDeroode,G.MMonttalddo,aand M.FFinkk（Receeiveed 99 Deecemmberr 20003；pubblisshedd 144 Maay 220044）我们分析了了首个电磁磁波时间间逆转的实验示示范。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。时时间逆转转波在时时间逆转转镜中被被同一动动态天线线传输回回来。波波被传输输到最初初的源头头并且在在时域上上被压缩缩。聚焦焦质量由由频带宽宽度和在在同一腔腔中的谱谱相关决决定。在声学，时时间周期期性的实实验可
3、以以以宽带带波的形形式实现现。在这些实实验中，一个源发送一个短脉冲，在一个或多或少复杂的（但理想状态是无耗散）介质中传播被传感器阵列抓获，称为一个时间反转镜（ TRM）的。它所记录的信号被数字化存储在电子记忆模块，经时间逆转，再次模拟化，最后被TRM传回。当介质复杂的且频率带宽较大时，时间反转波发现更准确地收敛回到其来源，这对于诸如地下探测，散射分析及电信应用更具吸引力。事实上，最近证明运用超声波，利用复杂介质的优势，通过TRM传达更多的信息是可能的。从实际角度来看，TRM用于集中伪随机序列及其中少数几个波长不同的接收器。在通信语言中，它对应MIMO-MU（多输入多输出用户 ）格局。虽然强多散
4、射介质中的传播是无差错传输，在均匀介质（自由空间）中巨大的错误率归结于接收器之间的交叉。事实上，一个TRM空间的分辨率在多散射介质中比在自由空间更小。这就是在过去一直被实验和理论强调的著名的“super-resolution”理论。 是否否有可能能将这一一想法转转变成电电磁器件件呢？这这是一个个具有挑挑战性的的问题，因因为在许许多实际际环境（建建筑物或或城市）中，波长在10至30厘米的微波可以被诸如墙壁，办公桌，汽车等物体散射，产生从发射器到接收器的多种路径。在这种情况下，由于多种反射和回响，一时间逆转天线不仅仅是为了弥补这些多路径，而且也可以提高信息传输速率，因为它已经被超声波显示。但是，第
5、一个步骤是证明在GHZ范围内一个时间逆转实验的可行性，这就是本篇的目的。为了实现这一目标，我们提出了第一个工作在约2.45GHz下的单一通道电磁时间反转镜。从实际角度度来看，将基于超声波发展的时间反转技术用于电磁器件主要困难在于将无限电频率信号数字化的较高的采样频率。克服这一限制的一种方法是只在同频信号下工作和使用所谓的三波或者四波混频的非线性做相位共轭，以自然地产生模拟共轭波。在本文中，我们以共轭波或者同频波为例真正地执行宽带时间反转实验。此载波频率是V0，MI(t)和MQ(t)是基带信号。所有的时间逆转行动以基带信号为基础。它的优点是，抽样频率可远远低于2V0。实验装置如如下图所所示（图图
6、1）。图（1）我们使用两两个工作作在V0=2.455 GHHz全向向天线和和两个收收发器电电路板。在在发送端端，它们们允许在在一个全全向天线线编码一一个基带带信号（标标有I和和Q ）的的在相部部分（coss）和其正交（ssin）部部分到一一个可以以由辐射射天线发发射的22.455GHZZ的载波波上。在在接收端端，电路路板将接接收到的的射频信信号解调调到基带带上。实验发生在在一个33.088x1.884x2.444的强强烈回响响腔中。运运用一个个任意波波形产生生器，我我们将一一短脉冲冲（中心心频率为为3MHHz，-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）)
7、。没没有信号号输入到到Q模拟拟输入(如图22(b)。混混频器将将这个信信号转换换到GHHZ频带带，并传传递信号号,然后波形形e(tt)由天线AA传送。图（2）在传输后，信信号被天天线B记记录，然然后下变变频产生生输出信信号的组组成部分分I和QQ，这些些信号可可以被示示波器观观察到。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，我我们的目目标是扭扭转时间间收到的的电台信号号s（tt）。因因此，基基带I和和Q信号号MI和MQ由示波波器以4
8、40兆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，在在I信道道接收的的信号按按时间和和恢复其其最初期期限。不不过应该该注意到到，接收收窗口可可以被任任意选择择为了围绕图图形内的的重点脉脉冲。图（3）事实上，自自从被震震动波场场由单一一天线捕捕获，时时间逆转转行动也也并不完完美。重重新创建建的波形形不是最最初的脉脉冲
9、精确确副本：在信道道I上的的峰值处处有旁瓣瓣和信号号在信道道Q上被被测量即即使没有有信号被送送往该通通道。类类似的观观察发现现时间的的超声波波逆转：它可以以证明一一个通道道的时间间逆转实实验的峰峰值噪声声有的不不同， 这的代代表可用用带宽,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，是分散的电磁场。因此可以预计，如果带宽更大的话，存在更强大的脉冲压缩或者更小的相关频率。假定腔的尺寸，那么伯格时间（即本征模之间的平均距离倒数）是TH80US。但其特征吸收时间达3.6的衰减是因为由于墙壁的吸收效应，因此，模式问题没有被解决，相关频率由ta决定的而非tH。假设2MHz和，结果是预测
10、的峰值信噪比大约等于3 ，与我们的实验结果具有一定的可比性。实验表明，时时间逆转转是可补补偿多次次混响和和在源头头处重新新创建一一个短电电磁脉冲冲的。但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（bb）。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，混混响的作作用以及及大频带带必须加加以强调调。由于于我们只只有一个个通道时时间反转转，无论论多大的的
11、带宽没没有聚焦焦的波出出现在自自由的空空间。在回荡荡介质中中，如果果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，如如果频率率宽度比比相关频频率大的的多的话话，回荡荡场在两两个分开开的频率率上的谱谱成分是是不相关关的：在在回荡场场的谱中中大约有的相关关成分。当当我们时时间逆转转(整个个带宽上上的相位位相关而而非某个个频率上上)所有有的成分分时，
12、他他们在接接收位置置t=oo添加一一定的相相位，因因为所有有的相位位都已经经沿着所所有的带带宽被返返回至零零了。因因此，此此时此地地的振幅幅增长了了，然而而在接收收位置（tt=0）之外，不同的频率成分不同步的增加，总的增长是总体说来，峰值噪声比随着带宽的增长增加了.它解释了为什么一个时间逆转实验是可能的，尽管只有一个时间逆转信道，只要频率带宽比传播介质的相关频率大得多。我们已经演演示了在在GHZZ范围内内的电磁磁波的一一时间逆逆转实验验。这个个实验是是在回荡荡腔中实实施的。为为了避免免在GHHZ频率率的广播播信号的的数字化化，我们们还可以以逆转基基带信号号和相位位共轭载载波。多多亏了回回荡腔，源源头的最最后信号号在时间间和空间间上以信信噪比的的形式被被压缩，信信噪比是是由介质质中的带带宽频率率比决定定。在将将来，一一个较大大的带宽宽必须被被用去提提高空间间和时间间上的聚聚焦性。因因此时间间逆转在在复杂回回荡场中中的宽带带无线通通信有广广阔的前前景。参考文献：
