突破性的超表面材料技术增强对先进电信及其他领域的控制

图来源于约翰霍普金斯大学

印刷电路板上有三个铜层的双谐振单元电池

城市可能是通信信号的障碍。无线电信号必须从手机到路由器再到蜂窝塔，然后再到接收者，同时在墙壁、建筑物和其他结构之间跳跃。当它碰到障碍物时，无线电波会被散射，从而减弱信号。这反过来又减少了带宽。同时，信号必须与该地区许多其他设备的带宽需求相竞争。所有这些都减少了信号可以通信的信息量。新开发的小型、轻型反射表面可以通过对无线电波等电磁信号提供前所未有的控制，彻底改变拥挤环境中的通信。从历史上看，工程师们一直使用中继器电子设备来接收信号并重新传输，以帮助这些通信信号覆盖更长的距离并绕过障碍物，但这项技术正在达到极限。现在，工程师们正试图改变通信信号本身的行为。输入可重新配置的智能曲面（RIS）。RIS是可编程的表面结构，可以反射、重定向和调制电磁信号，以提高数据速率并实现其他期望的行为。随着这项技术继续以惊人的速度发展，它的前景受到了赞扬和期待，但它的缺点也很明显。研究人员长期以来一直认为，超表面——一种在表面上使用图案化或微结构来影响电磁波（如光和无线电信号）行为的材料——将是实现RIS的理想技术。但迄今为止的努力受到了超表面不希望有的特性的限制，包括信号损耗和在设计中包括谐振材料的需要。但现在，位于马里兰州劳雷尔的约翰斯·霍普金斯应用物理实验室（APL）的技术人员首次开发了一种元表面技术，解决了这些挑战，并增强了RIS的反射行为。这为改善拥挤环境中的通信以及在电信和低功耗传感应用方面取得有希望的进展扫清了道路。他们的研究结果最近发表在《应用物理评论》杂志上。APL研究与探索发展部研究项目负责人Jeff Maranchi表示：“这确实显示了先进通信、新型低功率传感和在最具挑战性的环境中实现作战等关键应用的前景。”。“可重新配置的智能表面是我们团队能够应对最严峻技术挑战、设计新材料、使用最新的复杂工具建模和优化设计、构建、测试并迅速显示强大潜力的又一个极好的例子。”

同时利用幅度和相位

大多数超表面都会改变电磁波的大小（或强度）和相位（或时间位置）。但改变其中一个通常会改变另一个。APL的研究科学家、该论文的主要作者Tim Sleasman说：“当你可以分别控制相位和幅度时，你就可以最终控制元表面的反射行为。”单独控制幅度和相位使元表面能够以多种方式适应特定情况的需求。直到现在，这种能力仍然难以捉摸。APL团队密切研究了两层超表面的反射行为，实现了一系列贴片式元件、控制旋钮、变容二极管和电阻器，以对关键参数进行更多控制。通过这种复杂的设计，他们创建了一个动态级联元表面，可以分别控制幅度和相位，同时安装在一个小型、成本效益高的印刷电路板上。Sleasman说：“当信号穿过元表面时，它会在进入和反射时与每一层相互作用。”。“这些相互作用非常复杂。这些层本质上是相互交谈的，表现得好像他们知道其他层在那里一样。当信号通过时，每个层都会对其进行操作，产生所需的行为。”这种新材料消除了元表面之前已知的不均匀信号损耗，并包括两种谐振材料，以避免仅使用一种谐振材料的缺点。由此产生的超表面不仅为电磁波行为提供了广受欢迎的控制，而且体积小、重量轻。例如，可以将这些印刷电路板连接到城市周围的表面，以提高蜂窝或Wi-Fi信号的带宽。

通过反射降低功率需求

像传统中继器一样，重新传输信号需要大量的功率和复杂的设备，如天线，甚至多天线的相控阵，这会占用大量的空间。APL团队的动态级联元表面通过将信号反射到其图案化表面上来增强信号。Sleasman说：“你可以用9伏电池或类似的东西来运行这项技术。”

其他潜在技术应用

独立控制电磁波幅度和相位的能力所产生的影响远远超出了电信领域。APL物理、电子材料和设备项目负责人David Shrekenhamer表示：“虽然我们的重点一直放在射频应用上，但我们引入的概念和技术在广泛的电磁频谱中都有价值。”。“在更高的频率下，像这样的材料科学努力成为一个至关重要的考虑因素。”动态级联元表面还可以帮助创建更小、更轻的传感器，这些传感器可以收集和提供数据，而只需很少的电力。Sleasman说：“你可以在海洋中的浮标上安装一个传感器来测量盐度。”。“你不想给这个东西装上电池，让它主动传输。有了其中一个表面，你可以用直升机飞越它，并通过ping元表面来过滤数据，这将反映信息。”当持续发射的信号可能被证明是不可取的时，这种能力在其他作战场景中可能是有用的，例如在有争议的环境中。Sleasman说：“我们很高兴看到这项技术在商业和政 府领域引起了如此大的兴趣。”。“我们计划继续为广泛的应用程序开发这一概念。”

 提供者 Johns Hopkins University