高樓林立的城市可能使通信信號傳播受限。當(dāng)人們使用手機(jī)時，無線電信號先從發(fā)送者的手機(jī)傳輸?shù)铰酚善?，再到信號塔，最后傳輸給接收者，在此期間，無線電信號要在墻壁、各類建筑物和其它結(jié)構(gòu)之間傳播。當(dāng)碰到障礙物時，無線電磁波會發(fā)生散射，信號減弱。這反過來又導(dǎo)致帶寬下降。與此同時，無線電信號必須與該區(qū)域許多其它設(shè)備的帶寬需求相競爭。所有這些都減少了無線電信號可以承載的信息量。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，位于美國馬里蘭州勞瑞爾市的約翰霍普金斯應(yīng)用物理實驗室（Johns Hopkins Applied Physics Laboratory，APL）的技術(shù)人員最新開發(fā)的小型輕質(zhì)反射表面可以通過對無線電波等電磁信號實施前所未有的調(diào)控，從而徹底改變在城市擁擠環(huán)境中的通信狀況。

工程師們歷來使用中繼器（RP）——接收并重新發(fā)送信號的電子設(shè)備——來幫助這些通信信號繞過障礙物，以覆蓋更長的通信距離，但這項技術(shù)的發(fā)展已趨于瓶頸?，F(xiàn)在，工程師們正試圖改變通信信號的固有特性，并將目光轉(zhuǎn)向可重構(gòu)智能表面（RIS）。

可重構(gòu)智能表面是一種可編程的表面結(jié)構(gòu)，可以反射、重定向和調(diào)制電磁信號，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率并實現(xiàn)其它預(yù)期的功能。隨著這項技術(shù)以驚人的速度持續(xù)發(fā)展，可重構(gòu)智能表面的前景備受期待，但其還存在一些突出的缺點。

長期以來，研究人員一直認(rèn)為超構(gòu)表面（metasurface）——一種利用在二維表面上的圖案或微結(jié)構(gòu)來影響電磁波（例如光和無線電）行為的材料——將是實現(xiàn)可重構(gòu)智能表面的理想技術(shù)。但迄今為止，研究人員的工作總是受到超構(gòu)表面不良特性的限制，包括信號丟失和在設(shè)計中對諧振材料的要求。

約翰霍普金斯應(yīng)用物理實驗室的技術(shù)人員近期首次開發(fā)出一種超構(gòu)表面技術(shù)，解決了這些挑戰(zhàn)，并增強(qiáng)了可重構(gòu)智能表面的反射行為。這為改善城市擁擠環(huán)境中的通信、發(fā)展電信行業(yè)的良好前景和低功耗傳感應(yīng)用掃清了道路。該研究成果發(fā)表在Physical Review Applied期刊上。

在印刷電路板（PCB）和背板上具有三層鍍銅的雙共振晶胞（unit cell）。該晶胞的正面和背面如上圖所示，分別承載一個變?nèi)?a target="_blank">二極管和串聯(lián)變?nèi)莨?a target="_blank">電阻對

約翰霍普金斯應(yīng)用物理實驗室研究與探索發(fā)展部研究項目負(fù)責(zé)人Jeff Maranchi表示：“該研究成果確實為先進(jìn)通信、新型低功率傳感等關(guān)鍵應(yīng)用帶來了希望，并使各項應(yīng)用能夠在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中穩(wěn)定運行?？芍貥?gòu)智能表面是我們團(tuán)隊在應(yīng)對最嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)、設(shè)計新材料，使用最新型復(fù)雜工具建模、優(yōu)化設(shè)計、構(gòu)建和測試，并迅速展現(xiàn)強(qiáng)大潛力的又一個極具代表性的例子?！?/p>

對幅度和相位的操控

大多數(shù)的超構(gòu)表面都可以調(diào)控電磁波的幅度（或強(qiáng)度）和相位（時間的位置），但改變其中一個參量通常會引起另一個參量的變化。

約翰霍普金斯應(yīng)用物理實驗室的研究科學(xué)家、該論文的主要作者Tim Sleasman說：“當(dāng)我們可以獨立調(diào)控幅度和相位時，我們就可以最終控制超構(gòu)表面的反射行為。”分別調(diào)控幅度和相位使超構(gòu)表面能夠以多種方式適應(yīng)特定情況下對信號調(diào)整的需求。直到現(xiàn)在，這種能力仍然難以實現(xiàn)。

約翰霍普金斯應(yīng)用物理實驗室的研究團(tuán)隊重點研究了兩層超構(gòu)表面的反射行為，實施了一系列貼片式元件、控制旋鈕、變?nèi)荻O管和電阻器對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行更多調(diào)控。通過這種復(fù)雜的設(shè)計，他們構(gòu)建了一種動態(tài)級聯(lián)超構(gòu)表面，可以獨立調(diào)控電磁波幅度和相位，并可同時集成在一個小型、經(jīng)濟(jì)、高效的印刷電路板上。

兩層超構(gòu)表面的簡化模型

Sleasman說：“當(dāng)電磁波信號穿過超構(gòu)表面時，它會在進(jìn)入和反射的過程中與每層超構(gòu)表面進(jìn)行非常復(fù)雜的相互作用。超構(gòu)表面的層與層之間本質(zhì)上是相互聯(lián)系的，就好像彼此知道對方的存在一樣。當(dāng)電磁波信號通過時，每一層都會發(fā)揮作用，做出所需的調(diào)控行為?！?/p>

該新材料消除了超構(gòu)表面之前已知的不均勻信號丟失，而且其包括兩種諧振材料，以避免僅使用一種諧振材料造成的限制。

由此構(gòu)建的超構(gòu)表面不僅可對電磁波施加調(diào)控，而且其本身體積小、重量輕。例如，可將集成超構(gòu)表面的印刷電路板連接到城市周圍的構(gòu)筑物表面，以提高手機(jī)或WiFi信號的帶寬。

通過反射降低對功率的需求

與傳統(tǒng)的中繼器一樣，重新傳輸無線電信號需要大量的復(fù)雜功率設(shè)備，例如天線甚至多天線的相控陣，這會占用大量的空間。

約翰霍普金斯應(yīng)用物理實驗室開發(fā)的動態(tài)級聯(lián)超構(gòu)表面通過將無線電信號反射到圖案表面使其增強(qiáng)。Sleasman說：“我們可以用一節(jié)九伏電池或類似的裝置來運行這項技術(shù)?！?/p>

其它潛在的技術(shù)應(yīng)用

獨立調(diào)控電磁波幅度和相位的能力所產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電信領(lǐng)域。

約翰霍普金斯應(yīng)用物理實驗室物理、電子材料和器件項目負(fù)責(zé)人David Shrekenhamer表示：“即使我們的重點一直放在射頻應(yīng)用方面，但我們引入的概念和技術(shù)在廣泛的電磁頻譜中仍很有價值。在更高的頻率下，像這類材料學(xué)方面的成果成為一個至關(guān)重要的考慮因素?！?/p>

動態(tài)級聯(lián)超構(gòu)表面還可以幫助構(gòu)建更小、更輕的傳感器，這些傳感器可以收集和提供數(shù)據(jù)，而只需很少的電力。Sleasman說：“我們可以在海洋中的浮標(biāo)上安裝一個傳感器來測量鹽度，但我們并不想給它裝上電池，而是讓它自主傳輸。只要動態(tài)級聯(lián)超構(gòu)表面其中一個面貼附到浮標(biāo)，當(dāng)直升機(jī)從它上面飛過時，通過對超構(gòu)表面進(jìn)行“ping”操作就可獲取數(shù)據(jù)——返回鹽度信息。”

Sleasman表示：“我們很高興看到這項超構(gòu)表面技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域和政府間引起如此大的反響。我們計劃繼續(xù)開發(fā)以拓展超構(gòu)表面的更多應(yīng)用?！?/p>

審核編輯：劉清