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(duì)多年的科研基礎(chǔ)上，推出了基于時間反演的電磁點(diǎn)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(diǎn)或多個點(diǎn)上，從而可實(shí)現(xiàn)電磁場在空間范圍內(nèi)的精確場賦形，同時可以實(shí)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(yàn)證在金屬腔體內(nèi)電磁場的聚焦與能量無線傳輸?shù)男Ч瑢?shí)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)。基于此平臺的技術(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(diǎn)處發(fā)射探測信號，在包圍該目標(biāo)點(diǎn)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(diǎn)處可實(shí)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(shí)現(xiàn)信號的接收與發(fā)射功能。TR實(shí)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(diǎn)處形成點(diǎn)聚焦場，而其他位置處的場強(qiáng)相對于聚焦點(diǎn)處的場強(qiáng)很小。TR技術(shù)在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位的同時又能將傳輸能量聚焦于一點(diǎn)。

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

（c）TR回傳過程 ?????????????????????????（d）目標(biāo)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(diǎn)處的激勵信號為δ(r-r0)i(ω)，且TR電場的觀測點(diǎn)r與原源點(diǎn)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(diǎn)r與原源點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)聚焦技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)勢

（1）電磁時間反演點(diǎn)聚焦技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)勢

在電磁時間反演點(diǎn)聚焦技術(shù)的實(shí)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(shí)現(xiàn)時間反演的空時聚焦。

在前向探測過程的實(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)中：該電磁時間反演點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)難度和成本，具有實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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。基于時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(diǎn)處發(fā)射探測信號，利用在受能點(diǎn)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(shí)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(diǎn)聚焦”的形式，精準(zhǔn)地輸送至目標(biāo)點(diǎn)，且不需任何空間定位算法。利用TR點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)聚焦系統(tǒng)產(chǎn)品及其驗(yàn)證

2.1 電磁時間反演點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)難度。

圖3:系統(tǒng)產(chǎn)品組成框圖

（2）產(chǎn)品實(shí)物

實(shí)際產(chǎn)品的具體裝置如下圖4所示

圖4：產(chǎn)品裝置的實(shí)物圖（背景儀器為研發(fā)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電磁場的聚焦與賦形
2：利用時間反演技術(shù)實(shí)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(diǎn)聚焦系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)

通過此系統(tǒng)可以實(shí)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(diǎn)）；(b)T形賦形場分布（5個受能點(diǎn)）

從仿真結(jié)果可以看出，電磁場時間反演點(diǎn)聚焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了場賦形。

并且該系統(tǒng)可實(shí)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(diǎn)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(diǎn)聚焦系統(tǒng)的的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)聚焦系統(tǒng)平臺進(jìn)行了無線驅(qū)動LED燈的演示實(shí)驗(yàn)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)聚焦，聚焦與次輸能效果可直觀地通過受能點(diǎn)處的LED點(diǎn)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(shí)驗(yàn)，每種實(shí)驗(yàn)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(diǎn)

由上圖的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)聚焦系統(tǒng)實(shí)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(diǎn)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(shí)測各種形狀各自的零點(diǎn)功率大小Pzero與功率波動大小Pripple基本都在-10dB左右。本實(shí)驗(yàn)有效驗(yàn)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(diǎn)聚焦系統(tǒng)的應(yīng)用：

本公司推出的基于時間反演的點(diǎn)聚焦系統(tǒng)工作平臺實(shí)現(xiàn)了對一定發(fā)射頻率電磁波的精確點(diǎn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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。