一種可以實現太赫茲波前調控的超構表面

近年來，太赫茲（THz）技術已經成為第六代（6G）無線通信、雷達探測、光譜成像和生物醫學傳感等領域的研究熱點。對于所有這些應用領域，靈活的波前調控能力是滿足它們對創建非視距鏈路、定向信號增強、干擾抑制和計算成像需求的關鍵。機械式波束掃描方法難以滿足目前的需求，而有源超構表面的發展為實現太赫茲波前調控提供了一種可行的解決方案，最近引起了廣泛的關注。

據麥姆斯咨詢報道，近日，電子科技大學張雅鑫教授團隊、布朗大學Daniel Mittleman教授團隊合作提出一種基于氮化鎵（GaN）技術的可編程超構表面，其采用了子陣列體系架構。這種亞波長間隔陣列能在各種可能的配置間切換，在0.34 THz工作頻率下可以提供幾乎任意的波前調控。該超構表面能夠快速重新配置波前傳播，可用于波束形成或漫反射廣角覆蓋場景，未來有望在傳感、成像和網絡領域開辟新的可能性。相關研究成果已發表于Light: Science & Applications期刊。

這項工作建立在上述研究團隊早期采用GaN/AlGaN高電子遷移率晶體管（HEMT）作為有源開關陣元的基礎之上。HEMT具有許多優點，包括相當大的動態載流子濃度范圍、高電子漂移速度、較小的寄生電容和較低的功耗?；贕aN HEMT的早期研究已經在太赫茲范圍內實現了納秒級的響應速度和大相移。

在本研究工作中，研究人員基于非對稱諧振結構和二維電子氣（2DEG）開關，精心設計出一種用于太赫茲波前調控的實時可編程超構表面，能夠同時滿足各種快速、靈活的波前調控需求。研究人員設計了一種非對稱諧振結構，將HEMT作為陣列中的陣元單元，這種新穎的設計克服了以往許多設計中存在的寄生電容限制，無需集成放大或相位調控電路即可實現各個陣元的緊密（亞波長）間距。通過施加偏置改變2DEG中的載流子濃度，施加在入射波上的諧振延遲能以均勻的幅度切換180°，從而允許定義數字開和關狀態（即1位編碼）。所制備的超構表面陣列由64 × 64個陣元組成，總面積為13 × 13 mm2，其中每1 × 32個陣元組成一個單列子數組。該陣列安裝在PCB上，通過金線鍵合將偏置電極和接地電極墊片連接到外部電路。為了避免板抗干擾，在PCB的超構表面陣列周圍鋪了一塊吸波材料。

本項研究設計的陣元結構可編程超構表面的三維示意圖

利用這種可編程超構表面，研究人員展示了準連續波束掃描、多波束轉向實驗，并根據某些計算成像應用的要求生成波前漫射，以及演示了通過向移動接收器發送點對點單音信號來實現實時波束跟蹤。結果表明，在20° ~ 60°的掃描范圍內，可實現0.33 ~ 0.4 THz的寬帶波束掃描，在0.34 THz處的掃描精度為1°。為了產生漫散射波，研究人員采用GRS編碼獲得了約20 dB的測量最大反射。此外，利用該超構表面還實現了實時波束跟蹤，驗證了超構表面輔助的點對點信號在不同方向上的傳輸。

實驗演示準備工作：a 可編程超構表面制造工藝流程；b-d 超構表面特寫和顯微鏡照片；e 基于矢量網絡分析儀（VNA）的波束測量測試平臺

0.34 THz工作頻率下雙波束調控和漫散射的測量結果

基于實時波束跟蹤的太赫茲超構表面輔助點對點信號傳輸

這項研究工作提出了一種可以實現太赫茲波前調控的超構表面，無需額外的移相器，即可實現良好的響應速度和波束掃描精度。研究人員稱，基于該研究結果，未來可以擴展更大規模和更高性能的太赫茲超構表面，并有望將其應用于太赫茲高速無線通信、超分辨率成像系統和其它高端應用領域。

審核編輯：劉清