突破性的超表面充當無源射頻濾波器

日本的研究人員開發了一種無源超表面，無需有源濾波器即可處理多徑信號干擾。

名古屋工業大學開發的時變互鎖無源超表面在傳輸第一個信號的同時，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 應用和環境中實現了低成本、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入射角的信號所施加的兩個物理限制的無源濾波設計。

工程師面臨著來自多徑傳播的日益嚴峻的挑戰，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。首先，多徑信號與 “主” （或超前） 信號共享相同的頻率，這使得傳統的基于頻率的濾波技術無效。其次，這些信號的入射角是可變且不可預測的。這些限制使得無源解決方案特別難以實現，因為受線性時間不變 （LTI） 響應約束的傳統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，由于有源控制系統不需要額外的電源，傳統濾波器的角度依賴性在任何給定頻率下都保持固定。

Nagoya 的團隊設計了一種基于無源超表面的過濾系統，該系統通過創新的時變互鎖機制擺脫了 LTI 的限制。該設計將超表面面板與內部耦合電路元件相結合，包括金屬氧化物半導體場效應晶體管 （MOSFET）。所提出的系統充當屏蔽層，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。

“我們提出的工作機制與以前報道的設計完全不同，”領導該團隊的 Hiroki Wakatsuchi 副教授說，“這種方法比傳統技術具有優勢，因為我們的方法不需要很多計算和調制/解調電路。因此，它適用于物聯網設備等低成本應用場景。

關鍵創新在于超表面如何在沒有有源組件的情況下產生時變響應。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 充當動態開關，根據晶體管的柵極-源極電壓產生開路點或短路。當第一個信號到達時，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其他面板中晶胞內部電路配置的變化，有效地改變空間阻抗以拒絕來自不同角度的后續信號。

這種機制通過使用六邊形棱柱結構進行模擬和實驗得到了證明，該結構具有兩個相互連接的超表面晶胞和一個位于棱柱內的接收器。棱鏡的相鄰側面分別接收來自不同發射器的信號，并帶有時間延遲，模擬了真實的多徑場景。

與基于自適應陣列的現有硬件方法不同，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計和商用二極管產品，但該團隊認為，通過先進的半導體技術和優化的配置，可以進一步提高性能。

“我們的無源濾波器設計概念有可能創造新型的下一代射頻設備和應用，包括天線、傳感器、成像器和可重新配置的智能表面，”Wakatsuchi 說?！疤貏e是，我們的無源聯鎖解決方案在多功能、低成本的通信設備中找到了有效的應用，這些設備由于計算資源大且成本高昂，無法采用傳統的基于調制或信號處理的方法?！?/p>