突破性的超表面充當(dāng)無源射頻濾波器

日本的研究人員開發(fā)了一種無源超表面，無需有源濾波器即可處理多徑信號(hào)干擾。

名古屋工業(yè)大學(xué)開發(fā)的時(shí)變互鎖無源超表面在傳輸?shù)谝粋€(gè)信號(hào)的同時(shí)，無需電源或處理即可阻擋來自其他角度的延遲信號(hào)。這在容易受到干擾的 IoT 應(yīng)用和環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了低成本、可靠的無線通信。

概念驗(yàn)證將第一個(gè)輸入信號(hào)的幅度提高了大約 10 dB，同時(shí)成功抑制了后續(xù)波，無論其到達(dá)方向如何。這是第一個(gè)能夠克服相同頻率和可變?nèi)肷浣堑男盘?hào)所施加的兩個(gè)物理限制的無源濾波設(shè)計(jì)。

工程師面臨著來自多徑傳播的日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中相同的無線電信號(hào)通過多條路線到達(dá)接收天線，通常帶有時(shí)間延遲和幅度變化。多徑干擾會(huì)導(dǎo)致許多可靠性問題，從電視廣播中的“重影”到無線通信中的信號(hào)衰落。

長(zhǎng)期以來，解決多徑干擾一直是兩個(gè)基本的物理挑戰(zhàn)。首先，多徑信號(hào)與 “主” （或超前） 信號(hào)共享相同的頻率，這使得傳統(tǒng)的基于頻率的濾波技術(shù)無效。其次，這些信號(hào)的入射角是可變且不可預(yù)測(cè)的。這些限制使得無源解決方案特別難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槭芫€性時(shí)間不變 （LTI） 響應(yīng)約束的傳統(tǒng)材料在給定頻率下保持相同的散射分布，無論信號(hào)何時(shí)到達(dá)。此外，由于有源控制系統(tǒng)不需要額外的電源，傳統(tǒng)濾波器的角度依賴性在任何給定頻率下都保持固定。

Nagoya 的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于無源超表面的過濾系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過創(chuàng)新的時(shí)變互鎖機(jī)制擺脫了 LTI 的限制。該設(shè)計(jì)將超表面面板與內(nèi)部耦合電路元件相結(jié)合，包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET）。所提出的系統(tǒng)充當(dāng)屏蔽層，可以選擇性地只允許第一個(gè)入射波通過，同時(shí)拒絕來自其他角度的時(shí)間延遲信號(hào)——所有這些都不需要有源偏置或控制系統(tǒng)。

“我們提出的工作機(jī)制與以前報(bào)道的設(shè)計(jì)完全不同，”領(lǐng)導(dǎo)該團(tuán)隊(duì)的 Hiroki Wakatsuchi 副教授說，“這種方法比傳統(tǒng)技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槲覀兊姆椒ú恍枰芏嘤?jì)算和調(diào)制/解調(diào)電路。因此，它適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等低成本應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵創(chuàng)新在于超表面如何在沒有有源組件的情況下產(chǎn)生時(shí)變響應(yīng)。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(dāng)動(dòng)態(tài)開關(guān)，根據(jù)晶體管的柵極-源極電壓產(chǎn)生開路點(diǎn)或短路。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)信號(hào)到達(dá)時(shí)，它會(huì)保持超表面面板的諧振，以強(qiáng)烈傳輸輸入信號(hào)。然而，這第一個(gè)信號(hào)也會(huì)觸發(fā)其他面板中晶胞內(nèi)部電路配置的變化，有效地改變空間阻抗以拒絕來自不同角度的后續(xù)信號(hào)。

這種機(jī)制通過使用六邊形棱柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)得到了證明，該結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)相互連接的超表面晶胞和一個(gè)位于棱柱內(nèi)的接收器。棱鏡的相鄰側(cè)面分別接收來自不同發(fā)射器的信號(hào)，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(yīng)陣列的現(xiàn)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)化的天線設(shè)計(jì)和商用二極管產(chǎn)品，但該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，通過先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)和優(yōu)化的配置，可以進(jìn)一步提高性能。

“我們的無源濾波器設(shè)計(jì)概念有可能創(chuàng)造新型的下一代射頻設(shè)備和應(yīng)用，包括天線、傳感器、成像器和可重新配置的智能表面，”Wakatsuchi 說。“特別是，我們的無源聯(lián)鎖解決方案在多功能、低成本的通信設(shè)備中找到了有效的應(yīng)用，這些設(shè)備由于計(jì)算資源大且成本高昂，無法采用傳統(tǒng)的基于調(diào)制或信號(hào)處理的方法。”