动态级联超构表面可独立调控电磁波幅度和相位，赋能射频通信及传感应用领域
2023-08-05 15:57:53 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员构建了一种动态级联超构表面，可以独立调控电磁波幅度和相位，并可同时集成在一个小型、经济、高效的印刷电路板上。
高楼林立的城市可能使通信信号传播受限。当人们使用手机时，无线电信号先从发送者的手机传输到路由器，再到信号塔，最后传输给接收者，在此期间，无线电信号要在墙壁、各类建筑物和其它结构之间传播。当碰到障碍物时，无线电磁波会发生散射，信号减弱。这反过来又导致带宽下降。与此同时，无线电信号必须与该区域许多其它设备的带宽需求相竞争。所有这些都减少了无线电信号可以承载的信息量。
据麦姆斯咨询报道，位于美国马里兰州劳瑞尔市的约翰霍普金斯应用物理实验室（Johns Hopkins Applied Physics Laboratory，APL）的技术人员最新开发的小型轻质反射表面可以通过对无线电波等电磁信号实施前所未有的调控，从而彻底改变在城市拥挤环境中的通信状况。
工程师们历来使用中继器（RP）——接收并重新发送信号的电子设备——来帮助这些通信信号绕过障碍物，以覆盖更长的通信距离，但这项技术的发展已趋于瓶颈。现在，工程师们正试图改变通信信号的固有特性，并将目光转向可重构智能表面（RIS）。
可重构智能表面是一种可编程的表面结构，可以反射、重定向和调制电磁信号，以提高数据传输速率并实现其它预期的功能。随着这项技术以惊人的速度持续发展，可重构智能表面的前景备受期待，但其还存在一些突出的缺点。
长期以来，研究人员一直认为超构表面（metasurface）——一种利用在二维表面上的图案或微结构来影响电磁波（例如光和无线电）行为的材料——将是实现可重构智能表面的理想技术。但迄今为止，研究人员的工作总是受到超构表面不良特性的限制，包括信号丢失和在设计中对谐振材料的要求。
约翰霍普金斯应用物理实验室的技术人员近期首次开发出一种超构表面技术，解决了这些挑战，并增强了可重构智能表面的反射行为。这为改善城市拥挤环境中的通信、发展电信行业的良好前景和低功耗传感应用扫清了道路。该研究成果发表在Physical Review Applied期刊上。
在印刷电路板（PCB）和背板上具有三层镀铜的双共振晶胞（unit cell）。该晶胞的正面和背面如上图所示，分别承载一个变容二极管和串联变容管电阻对
制造完成的超构表面（完整面板）及晶胞的正面和背面视图照片
约翰霍普金斯应用物理实验室研究与探索发展部研究项目负责人Jeff Maranchi表示：“该研究成果确实为先进通信、新型低功率传感等关键应用带来了希望，并使各项应用能够在最具挑战性的环境中稳定运行。可重构智能表面是我们团队在应对最严峻的技术挑战、设计新材料，使用最新型复杂工具建模、优化设计、构建和测试，并迅速展现强大潜力的又一个极具代表性的例子。”
对幅度和相位的操控
大多数的超构表面都可以调控电磁波的幅度（或强度）和相位（时间的位置），但改变其中一个参量通常会引起另一个参量的变化。
约翰霍普金斯应用物理实验室的研究科学家、该论文的主要作者Tim Sleasman说：“当我们可以独立调控幅度和相位时，我们就可以最终控制超构表面的反射行为。”分别调控幅度和相位使超构表面能够以多种方式适应特定情况下对信号调整的需求。直到现在，这种能力仍然难以实现。
约翰霍普金斯应用物理实验室的研究团队重点研究了两层超构表面的反射行为，实施了一系列贴片式元件、控制旋钮、变容二极管和电阻器对关键参数进行更多调控。通过这种复杂的设计，他们构建了一种动态级联超构表面，可以独立调控电磁波幅度和相位，并可同时集成在一个小型、经济、高效的印刷电路板上。
两层超构表面的简化模型
Sleasman说：“当电磁波信号穿过超构表面时，它会在进入和反射的过程中与每层超构表面进行非常复杂的相互作用。超构表面的层与层之间本质上是相互联系的，就好像彼此知道对方的存在一样。当电磁波信号通过时，每一层都会发挥作用，做出所需的调控行为。”
该新材料消除了超构表面之前已知的不均匀信号丢失，而且其包括两种谐振材料，以避免仅使用一种谐振材料造成的限制。
由此构建的超构表面不仅可对电磁波施加调控，而且其本身体积小、重量轻。例如，可将集成超构表面的印刷电路板连接到城市周围的构筑物表面，以提高手机或WiFi信号的带宽。
通过反射降低对功率的需求
与传统的中继器一样，重新传输无线电信号需要大量的复杂功率设备，例如天线甚至多天线的相控阵，这会占用大量的空间。
约翰霍普金斯应用物理实验室开发的动态级联超构表面通过将无线电信号反射到图案表面使其增强。Sleasman说：“我们可以用一节九伏电池或类似的装置来运行这项技术。”
其它潜在的技术应用
独立调控电磁波幅度和相位的能力所产生的影响远远超出了电信领域。
约翰霍普金斯应用物理实验室物理、电子材料和器件项目负责人David Shrekenhamer表示：“即使我们的重点一直放在射频应用方面，但我们引入的概念和技术在广泛的电磁频谱中仍很有价值。在更高的频率下，像这类材料学方面的成果成为一个至关重要的考虑因素。”
动态级联超构表面还可以帮助构建更小、更轻的传感器，这些传感器可以收集和提供数据，而只需很少的电力。Sleasman说：“我们可以在海洋中的浮标上安装一个传感器来测量盐度，但我们并不想给它装上电池，而是让它自主传输。只要动态级联超构表面其中一个面贴附到浮标，当直升机从它上面飞过时，通过对超构表面进行“ping”操作就可获取数据——返回盐度信息。”
Sleasman表示：“我们很高兴看到这项超构表面技术在商业领域和政府间引起如此大的反响。我们计划继续开发以拓展超构表面的更多应用。”
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.20.014004
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