一種可以實現(xiàn)太赫茲波前調(diào)控的超構(gòu)表面

近年來，太赫茲（THz）技術(shù)已經(jīng)成為第六代（6G）無線通信、雷達(dá)探測、光譜成像和生物醫(yī)學(xué)傳感等領(lǐng)域的研究熱點。對于所有這些應(yīng)用領(lǐng)域，靈活的波前調(diào)控能力是滿足它們對創(chuàng)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(guān)鍵。機械式波束掃描方法難以滿足目前的需求，而有源超構(gòu)表面的發(fā)展為實現(xiàn)太赫茲波前調(diào)控提供了一種可行的解決方案，最近引起了廣泛的關(guān)注。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，電子科技大學(xué)張雅鑫教授團隊、布朗大學(xué)Daniel Mittleman教授團隊合作提出一種基于氮化鎵（GaN）技術(shù)的可編程超構(gòu)表面，其采用了子陣列體系架構(gòu)。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(diào)控。該超構(gòu)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(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域開辟新的可能性。相關(guān)研究成果已發(fā)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(guān)陣元的基礎(chǔ)之上。HEMT具有許多優(yōu)點，包括相當(dāng)大的動態(tài)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。基于GaN HEMT的早期研究已經(jīng)在太赫茲范圍內(nèi)實現(xiàn)了納秒級的響應(yīng)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(jié)構(gòu)和二維電子氣（2DEG）開關(guān)，精心設(shè)計出一種用于太赫茲波前調(diào)控的實時可編程超構(gòu)表面，能夠同時滿足各種快速、靈活的波前調(diào)控需求。研究人員設(shè)計了一種非對稱諧振結(jié)構(gòu)，將HEMT作為陣列中的陣元單元，這種新穎的設(shè)計克服了以往許多設(shè)計中存在的寄生電容限制，無需集成放大或相位調(diào)控電路即可實現(xiàn)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(shù)字開和關(guān)狀態(tài)（即1位編碼）。所制備的超構(gòu)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(shù)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(gòu)表面陣列周圍鋪了一塊吸波材料。

本項研究設(shè)計的陣元結(jié)構(gòu)可編程超構(gòu)表面的三維示意圖

利用這種可編程超構(gòu)表面，研究人員展示了準(zhǔn)連續(xù)波束掃描、多波束轉(zhuǎn)向?qū)嶒?，并根?jù)某些計算成像應(yīng)用的要求生成波前漫射，以及演示了通過向移動接收器發(fā)送點對點單音信號來實現(xiàn)實時波束跟蹤。結(jié)果表明，在20° ~ 60°的掃描范圍內(nèi)，可實現(xiàn)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(chǎn)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(gòu)表面還實現(xiàn)了實時波束跟蹤，驗證了超構(gòu)表面輔助的點對點信號在不同方向上的傳輸。

實驗演示準(zhǔn)備工作：a 可編程超構(gòu)表面制造工藝流程；b-d 超構(gòu)表面特寫和顯微鏡照片；e 基于矢量網(wǎng)絡(luò)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(diào)控和漫散射的測量結(jié)果

基于實時波束跟蹤的太赫茲超構(gòu)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(xiàn)太赫茲波前調(diào)控的超構(gòu)表面，無需額外的移相器，即可實現(xiàn)良好的響應(yīng)速度和波束掃描精度。研究人員稱，基于該研究結(jié)果，未來可以擴展更大規(guī)模和更高性能的太赫茲超構(gòu)表面，并有望將其應(yīng)用于太赫茲高速無線通信、超分辨率成像系統(tǒng)和其它高端應(yīng)用領(lǐng)域。

審核編輯：劉清