近年來(lái)，太赫茲（THz）技術(shù)已經(jīng)成為第六代（6G）無(wú)線通信、雷達(dá)探測(cè)、光譜成像和生物醫(yī)學(xué)傳感等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。對(duì)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(duì)創(chuàng)建非視距鏈路、定向信號(hào)增強(qiáng)、干擾抑制和計(jì)算成像需求的關(guān)鍵。機(jī)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(shí)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(bào)道，近日，電子科技大學(xué)張雅鑫教授團(tuán)隊(duì)、布朗大學(xué)Daniel Mittleman教授團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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(chǎng)景，未來(lái)有望在傳感、成像和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域開(kāi)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(xiàng)工作建立在上述研究團(tuán)隊(duì)早期采用GaN/AlGaN高電子遷移率晶體管（HEMT）作為有源開(kāi)關(guān)陣元的基礎(chǔ)之上。HEMT具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括相當(dāng)大的動(dòng)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(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)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(duì)稱諧振結(jié)構(gòu)和二維電子氣（2DEG）開(kāi)關(guān)，精心設(shè)計(jì)出一種用于太赫茲波前調(diào)控的實(shí)時(shí)可編程超構(gòu)表面，能夠同時(shí)滿足各種快速、靈活的波前調(diào)控需求。研究人員設(shè)計(jì)了一種非對(duì)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(jì)克服了以往許多設(shè)計(jì)中存在的寄生電容限制，無(wú)需集成放大或相位調(diào)控電路即可實(shí)現(xiàn)各個(gè)陣元的緊密（亞波長(zhǎng)）間距。通過(guò)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(kāi)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(gè)陣元組成，總面積為13 × 13 mm2，其中每1 × 32個(gè)陣元組成一個(gè)單列子數(shù)組。該陣列安裝在PCB上，通過(guò)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(xiàng)研究設(shè)計(jì)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?yàn)，并根據(jù)某些計(jì)算成像應(yīng)用的要求生成波前漫射，以及演示了通過(guò)向移動(dòng)接收器發(fā)送點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單音信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)波束跟蹤。結(jié)果表明，在20° ~ 60°的掃描范圍內(nèi)，可實(shí)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(cè)量最大反射。此外，利用該超構(gòu)表面還實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)波束跟蹤，驗(yàn)證了超構(gòu)表面輔助的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)在不同方向上的傳輸。

實(shí)驗(yàn)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(xiě)和顯微鏡照片；e 基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的波束測(cè)量測(cè)試平臺(tái)

0.34 THz工作頻率下雙波束調(diào)控和漫散射的測(cè)量結(jié)果

基于實(shí)時(shí)波束跟蹤的太赫茲超構(gòu)表面輔助點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)傳輸

這項(xiàng)研究工作提出了一種可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波前調(diào)控的超構(gòu)表面，無(wú)需額外的移相器，即可實(shí)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(lái)可以擴(kuò)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(wú)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：彭菁