一种可以实现太赫兹波前调控的超构表面

近年来，太赫兹（THz）技术已经成为第六代（6G）无线通信、雷达探测、光谱成像和生物医学传感等领域的研究热点。对于所有这些应用领域，灵活的波前调控能力是满足它们对创建非视距链路、定向信号增强、干扰抑制和计算成像需求的关键。机械式波束扫描方法难以满足目前的需求，而有源超构表面的发展为实现太赫兹波前调控提供了一种可行的解决方案，最近引起了广泛的关注。

据麦姆斯咨询报道，近日，电子科技大学张雅鑫教授团队、布朗大学Daniel Mittleman教授团队合作提出一种基于氮化镓（GaN）技术的可编程超构表面，其采用了子阵列体系架构。这种亚波长间隔阵列能在各种可能的配置间切换，在0.34 THz工作频率下可以提供几乎任意的波前调控。该超构表面能够快速重新配置波前传播，可用于波束形成或漫反射广角覆盖场景，未来有望在传感、成像和网络领域开辟新的可能性。相关研究成果已发表于Light: Science & Applications期刊。

这项工作建立在上述研究团队早期采用GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管（HEMT）作为有源开关阵元的基础之上。HEMT具有许多优点，包括相当大的动态载流子浓度范围、高电子漂移速度、较小的寄生电容和较低的功耗。基于GaN HEMT的早期研究已经在太赫兹范围内实现了纳秒级的响应速度和大相移。

在本研究工作中，研究人员基于非对称谐振结构和二维电子气（2DEG）开关，精心设计出一种用于太赫兹波前调控的实时可编程超构表面，能够同时满足各种快速、灵活的波前调控需求。研究人员设计了一种非对称谐振结构，将HEMT作为阵列中的阵元单元，这种新颖的设计克服了以往许多设计中存在的寄生电容限制，无需集成放大或相位调控电路即可实现各个阵元的紧密（亚波长）间距。通过施加偏置改变2DEG中的载流子浓度，施加在入射波上的谐振延迟能以均匀的幅度切换180°，从而允许定义数字开和关状态（即1位编码）。所制备的超构表面阵列由64 × 64个阵元组成，总面积为13 × 13 mm²，其中每1 × 32个阵元组成一个单列子数组。该阵列安装在PCB上，通过金线键合将偏置电极和接地电极垫片连接到外部电路。为了避免板抗干扰，在PCB的超构表面阵列周围铺了一块吸波材料。

本项研究设计的阵元结构可编程超构表面的三维示意图

利用这种可编程超构表面，研究人员展示了准连续波束扫描、多波束转向实验，并根据某些计算成像应用的要求生成波前漫射，以及演示了通过向移动接收器发送点对点单音信号来实现实时波束跟踪。结果表明，在20° ~ 60°的扫描范围内，可实现0.33 ~ 0.4 THz的宽带波束扫描，在0.34 THz处的扫描精度为1°。为了产生漫散射波，研究人员采用GRS编码获得了约20 dB的测量最大反射。此外，利用该超构表面还实现了实时波束跟踪，验证了超构表面辅助的点对点信号在不同方向上的传输。

实验演示准备工作：a 可编程超构表面制造工艺流程；b-d 超构表面特写和显微镜照片；e 基于矢量网络分析仪（VNA）的波束测量测试平台

0.34 THz工作频率下双波束调控和漫散射的测量结果

基于实时波束跟踪的太赫兹超构表面辅助点对点信号传输

这项研究工作提出了一种可以实现太赫兹波前调控的超构表面，无需额外的移相器，即可实现良好的响应速度和波束扫描精度。研究人员称，基于该研究结果，未来可以扩展更大规模和更高性能的太赫兹超构表面，并有望将其应用于太赫兹高速无线通信、超分辨率成像系统和其它高端应用领域。

审核编辑：刘清