突破性的超表面充當無(wú)源射頻濾波器

日本的研究人員開(kāi)發(fā)了一種無(wú)源超表面，無(wú)需有源濾波器即可處理多徑信號干擾。

名古屋工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的時(shí)變互鎖無(wú)源超表面在傳輸第一個(gè)信號的同時(shí)，無(wú)需電源或處理即可阻擋來(lái)自其他角度的延遲信號。這在容易受到干擾的 IoT 應用和環(huán)境中實(shí)現了低成本、可靠的無(wú)線(xiàn)通信。

概念驗證將第一個(gè)輸入信號的幅度提高了大約 10 dB，同時(shí)成功抑制了后續波，無(wú)論其到達方向如何。這是第一個(gè)能夠克服相同頻率和可變入射角的信號所施加的兩個(gè)物理限制的無(wú)源濾波設計。

工程師面臨著(zhù)來(lái)自多徑傳播的日益嚴峻的挑戰，其中相同的無(wú)線(xiàn)電信號通過(guò)多條路線(xiàn)到達接收天線(xiàn)，通常帶有時(shí)間延遲和幅度變化。多徑干擾會(huì )導致許多可靠性問(wèn)題，從電視廣播中的“重影”到無(wú)線(xiàn)通信中的信號衰落。

長(cháng)期以來(lái)，解決多徑干擾一直是兩個(gè)基本的物理挑戰。首先，多徑信號與 “主” （或超前） 信號共享相同的頻率，這使得傳統的基于頻率的濾波技術(shù)無(wú)效。其次，這些信號的入射角是可變且不可預測的。這些限制使得無(wú)源解決方案特別難以實(shí)現，因為受線(xiàn)性時(shí)間不變 （LTI） 響應約束的傳統材料在給定頻率下保持相同的散射分布，無(wú)論信號何時(shí)到達。此外，由于有源控制系統不需要額外的電源，傳統濾波器的角度依賴(lài)性在任何給定頻率下都保持固定。

Nagoya 的團隊設計了一種基于無(wú)源超表面的過(guò)濾系統，該系統通過(guò)創(chuàng )新的時(shí)變互鎖機制擺脫了 LTI 的限制。該設計將超表面面板與內部耦合電路元件相結合，包括金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 （MOSFET）。所提出的系統充當屏蔽層，可以選擇性地只允許第一個(gè)入射波通過(guò)，同時(shí)拒絕來(lái)自其他角度的時(shí)間延遲信號——所有這些都不需要有源偏置或控制系統。

“我們提出的工作機制與以前報道的設計完全不同，”領(lǐng)導該團隊的 Hiroki Wakatsuchi 副教授說(shuō)，“這種方法比傳統技術(shù)具有優(yōu)勢，因為我們的方法不需要很多計算和調制/解調電路。因此，它適用于物聯(lián)網(wǎng)設備等低成本應用場(chǎng)景。

關(guān)鍵創(chuàng )新在于超表面如何在沒(méi)有有源組件的情況下產(chǎn)生時(shí)變響應。每個(gè)基本單元位于面向特定方向的面板上，包含一個(gè) MOSFET，該 MOSFET 充當動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)，根據晶體管的柵極-源極電壓產(chǎn)生開(kāi)路點(diǎn)或短路。當第一個(gè)信號到達時(shí)，它會(huì )保持超表面面板的諧振，以強烈傳輸輸入信號。然而，這第一個(gè)信號也會(huì )觸發(fā)其他面板中晶胞內部電路配置的變化，有效地改變空間阻抗以拒絕來(lái)自不同角度的后續信號。

這種機制通過(guò)使用六邊形棱柱結構進(jìn)行模擬和實(shí)驗得到了證明，該結構具有兩個(gè)相互連接的超表面晶胞和一個(gè)位于棱柱內的接收器。棱鏡的相鄰側面分別接收來(lái)自不同發(fā)射器的信號，并帶有時(shí)間延遲，模擬了真實(shí)的多徑場(chǎng)景。

與基于自適應陣列的現有硬件方法不同，這不需要額外的直流能源。雖然目前的原型使用簡(jiǎn)化的天線(xiàn)設計和商用二極管產(chǎn)品，但該團隊認為，通過(guò)先進(jìn)的半導體技術(shù)和優(yōu)化的配置，可以進(jìn)一步提高性能。

“我們的無(wú)源濾波器設計概念有可能創(chuàng )造新型的下一代射頻設備和應用，包括天線(xiàn)、傳感器、成像器和可重新配置的智能表面，”Wakatsuchi 說(shuō)?！疤貏e是，我們的無(wú)源聯(lián)鎖解決方案在多功能、低成本的通信設備中找到了有效的應用，這些設備由于計算資源大且成本高昂，無(wú)法采用傳統的基于調制或信號處理的方法?！?/p>