動態級聯超構表面可獨立調控電磁波幅度和相位

高樓林立的城市可能使通信信號傳播受限。當人們使用手機時，無線電信號先從發送者的手機傳輸到路由器，再到信號塔，最后傳輸給接收者，在此期間，無線電信號要在墻壁、各類建筑物和其它結構之間傳播。當碰到障礙物時，無線電磁波會發生散射，信號減弱。這反過來又導致帶寬下降。與此同時，無線電信號必須與該區域許多其它設備的帶寬需求相競爭。所有這些都減少了無線電信號可以承載的信息量。

據麥姆斯咨詢報道，位于美國馬里蘭州勞瑞爾市的約翰霍普金斯應用物理實驗室（Johns Hopkins Applied Physics Laboratory，APL）的技術人員最新開發的小型輕質反射表面可以通過對無線電波等電磁信號實施前所未有的調控，從而徹底改變在城市擁擠環境中的通信狀況。

工程師們歷來使用中繼器（RP）——接收并重新發送信號的電子設備——來幫助這些通信信號繞過障礙物，以覆蓋更長的通信距離，但這項技術的發展已趨于瓶頸?，F在，工程師們正試圖改變通信信號的固有特性，并將目光轉向可重構智能表面（RIS）。

可重構智能表面是一種可編程的表面結構，可以反射、重定向和調制電磁信號，以提高數據傳輸速率并實現其它預期的功能。隨著這項技術以驚人的速度持續發展，可重構智能表面的前景備受期待，但其還存在一些突出的缺點。

長期以來，研究人員一直認為超構表面（metasurface）——一種利用在二維表面上的圖案或微結構來影響電磁波（例如光和無線電）行為的材料——將是實現可重構智能表面的理想技術。但迄今為止，研究人員的工作總是受到超構表面不良特性的限制，包括信號丟失和在設計中對諧振材料的要求。

約翰霍普金斯應用物理實驗室的技術人員近期首次開發出一種超構表面技術，解決了這些挑戰，并增強了可重構智能表面的反射行為。這為改善城市擁擠環境中的通信、發展電信行業的良好前景和低功耗傳感應用掃清了道路。該研究成果發表在Physical Review Applied期刊上。

在印刷電路板（PCB）和背板上具有三層鍍銅的雙共振晶胞（unit cell）。該晶胞的正面和背面如上圖所示，分別承載一個變容二極管和串聯變容管電阻對

約翰霍普金斯應用物理實驗室研究與探索發展部研究項目負責人Jeff Maranchi表示：“該研究成果確實為先進通信、新型低功率傳感等關鍵應用帶來了希望，并使各項應用能夠在最具挑戰性的環境中穩定運行?？芍貥嬛悄鼙砻媸俏覀儓F隊在應對最嚴峻的技術挑戰、設計新材料，使用最新型復雜工具建模、優化設計、構建和測試，并迅速展現強大潛力的又一個極具代表性的例子?！?/p>

對幅度和相位的操控

大多數的超構表面都可以調控電磁波的幅度（或強度）和相位（時間的位置），但改變其中一個參量通常會引起另一個參量的變化。

約翰霍普金斯應用物理實驗室的研究科學家、該論文的主要作者Tim Sleasman說：“當我們可以獨立調控幅度和相位時，我們就可以最終控制超構表面的反射行為?！狈謩e調控幅度和相位使超構表面能夠以多種方式適應特定情況下對信號調整的需求。直到現在，這種能力仍然難以實現。

約翰霍普金斯應用物理實驗室的研究團隊重點研究了兩層超構表面的反射行為，實施了一系列貼片式元件、控制旋鈕、變容二極管和電阻器對關鍵參數進行更多調控。通過這種復雜的設計，他們構建了一種動態級聯超構表面，可以獨立調控電磁波幅度和相位，并可同時集成在一個小型、經濟、高效的印刷電路板上。

兩層超構表面的簡化模型

Sleasman說：“當電磁波信號穿過超構表面時，它會在進入和反射的過程中與每層超構表面進行非常復雜的相互作用。超構表面的層與層之間本質上是相互聯系的，就好像彼此知道對方的存在一樣。當電磁波信號通過時，每一層都會發揮作用，做出所需的調控行為?！?/p>

該新材料消除了超構表面之前已知的不均勻信號丟失，而且其包括兩種諧振材料，以避免僅使用一種諧振材料造成的限制。

由此構建的超構表面不僅可對電磁波施加調控，而且其本身體積小、重量輕。例如，可將集成超構表面的印刷電路板連接到城市周圍的構筑物表面，以提高手機或WiFi信號的帶寬。

通過反射降低對功率的需求

與傳統的中繼器一樣，重新傳輸無線電信號需要大量的復雜功率設備，例如天線甚至多天線的相控陣，這會占用大量的空間。

約翰霍普金斯應用物理實驗室開發的動態級聯超構表面通過將無線電信號反射到圖案表面使其增強。Sleasman說：“我們可以用一節九伏電池或類似的裝置來運行這項技術?！?/p>

其它潛在的技術應用

獨立調控電磁波幅度和相位的能力所產生的影響遠遠超出了電信領域。

約翰霍普金斯應用物理實驗室物理、電子材料和器件項目負責人David Shrekenhamer表示：“即使我們的重點一直放在射頻應用方面，但我們引入的概念和技術在廣泛的電磁頻譜中仍很有價值。在更高的頻率下，像這類材料學方面的成果成為一個至關重要的考慮因素?！?/p>

動態級聯超構表面還可以幫助構建更小、更輕的傳感器，這些傳感器可以收集和提供數據，而只需很少的電力。Sleasman說：“我們可以在海洋中的浮標上安裝一個傳感器來測量鹽度，但我們并不想給它裝上電池，而是讓它自主傳輸。只要動態級聯超構表面其中一個面貼附到浮標，當直升機從它上面飛過時，通過對超構表面進行“ping”操作就可獲取數據——返回鹽度信息?！?/p>

Sleasman表示：“我們很高興看到這項超構表面技術在商業領域和政府間引起如此大的反響。我們計劃繼續開發以拓展超構表面的更多應用?！?/p>

審核編輯：劉清