基于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(yī)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(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(fā)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(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）作為有源開關陣元的基礎之上。HEMT具有許多優(yōu)點，包括相當大的動態(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(tài)（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(xù)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(fā)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(guī)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(tǒng)和其它高端應用領域。

審核編輯：彭菁