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干擾。

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

概念驗證將第一個輸入信號的幅度提高了大約 10 dB，同時成功抑制了后續(xù)波，無論其到達方向如何。這是第一個能夠克服相同頻率和可變?nèi)肷浣堑男盘査┘拥膬蓚€物理限制的無源濾波設(shè)計。

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通過多條路線到達接收天線，通常帶有時間延遲和幅度變化。多徑干擾會導(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衰落。

長期以來，解決多徑干擾一直是兩個基本的物理挑戰(zhàn)。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(tǒng)的基于頻率的濾波技術(shù)無效。其次，這些信號的入射角是可變且不可預(yù)測的。這些限制使得無源解決方案特別難以實現(xiàn)，因為受線性時間不變 （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，無論信號何時到達。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 的團隊設(shè)計了一種基于無源超表面的過濾系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過創(chuàng)新的時變互鎖機制擺脫了 LTI 的限制。該設(shè)計將超表面面板與內(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入射波通過，同時拒絕來自其他角度的時間延遲信號——所有這些都不需要有源偏置或控制系統(tǒng)。

“我們提出的工作機制與以前報道的設(shè)計完全不同，”領(lǐng)導(dǎo)該團隊的 Hiroki Wakatsuchi 副教授說，“這種方法比傳統(tǒng)技術(shù)具有優(yōu)勢，因為我們的方法不需要很多計算和調(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)生時變響應(yīng)。每個基本單元位于面向特定方向的面板上，包含一個 MOSFET，該 MOSFET 充當(dāng)動態(tài)開關(guān)，根據(jù)晶體管的柵極-源極電壓產(chǎn)生開路點或短路。當(dāng)?shù)谝粋€信號到達時，它會保持超表面面板的諧振，以強烈傳輸輸入信號。然而，這第一個信號也會觸發(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。

這種機制通過使用六邊形棱柱結(jié)構(gòu)進行模擬和實驗得到了證明，該結(jié)構(gòu)具有兩個相互連接的超表面晶胞和一個位于棱柱內(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，并帶有時間延遲，模擬了真實的多徑場景。

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化的天線設(shè)計和商用二極管產(chǎn)品，但該團隊認(rèn)為，通過先進的半導(dǎo)體技術(shù)和優(yōu)化的配置，可以進一步提高性能。

“我們的無源濾波器設(shè)計概念有可能創(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)制或信號處理的方法?！?/p>