無線通信技術的發展以及電氣電路的微型化，從根本上重塑了人們的生活和數字體驗。然而，隨著通信技術向更高頻率發展，在日益互聯的世界中，工程師正面臨多徑傳播帶來的越來越多的挑戰。多徑傳播是指相同的無線電信號通過多個路徑到達接收天線，通常伴隨著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“鬼影”到無線通信中的信號衰減等。
長期以來，解決多徑干擾問題一直面臨著兩個基本的物理挑戰。首先，多徑信號與主信號共用相同的頻率，使得傳統基于頻率的濾波技術無效。其次，這些信號的入射角度是可變且不可預測的。這些限制使得無源解決方案的實施特別困難，因為傳統材料受限于線性時不變（LTI）響應約束，對于給定的頻率，無論信號何時到達都保持相同的散射特性。
據麥姆斯咨詢介紹，在此背景下，日本名古屋工業大學副教授Hiroki Wakatsuchi領導的研究團隊開發了一種突破性的方法來克服這些限制。該研究成果已經以“Multipath Signal-Selective Metasurface: Passive Time-Varying Interlocking Mechanism to Vary Spatial Impedance for Signals with the Same Frequency”為題發表于Physical Review Letters。
上述視頻介紹了本研究開發的無源超構表面。該超構表面利用金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFETs）的時變互鎖機制，選擇性地傳輸第一個到達的信號，同時阻止來自其他角度的延遲信號，從而在無需電力或處理的情況下改善無線通信。
該團隊設計了一種基于無源超構表面的濾波系統，通過創新的時變互鎖機制擺脫了LTI約束。該設計集成了具有內部耦合電路元件的超構表面面板。所提出的系統作為一種屏蔽器，僅允許第一個到達的信號波通過，同時阻止來自其它角度的延遲信號，所有這些都不需要主動偏置或控制系統。
這項創新的關鍵在于超構表面如何在沒有有源元件的情況下產生時變響應。超構表面的每個單元格都位于朝向特定方向的面板上，內含一個MOSFET，作為動態開關，根據晶體管的柵極源電壓形成開路點或短路。當第一個信號到來時，它能保持超構表面面板共振，以傳輸傳入的信號。
然而，該第一信號也會觸發其他面板上單元格內部電路配置的變化，從而有效改變空間阻抗，拒絕來自不同角度的后續信號。
研究人員采用一個六角棱鏡結構，其中含有兩個相互連接的超構表面單元和一個位于棱鏡內的接收器，通過模擬和實驗證明了這種機制。棱鏡的相鄰兩側分別接收來自不同發射器的信號，并有時間延遲，模擬了現實的多徑情況。
在概念驗證實驗中，研究人員證明，他們的方法將第一個入射信號的幅度提高了約10 dB，同時成功抑制了后續任意方向的信號波。這一突破代表了首個能夠克服頻率相同、入射角度可變信號所帶來物理限制的無源濾波設計。
數值驗證
Wakatsuchi說：“我們提出的工作機制與之前報道的設計完全不同。這種方法與傳統技術相比具有優勢，因為該方法不需要大量計算和調制/解調電路。因此，它適用于物聯網器件等低成本應用場景?！?/span>
此外，與基于自適應陣列的現有硬件方法不同，這種創新策略不需要額外的直流電源。目前的原型采用了簡化的天線設計和商用二極管產品，因此，該團隊相信，通過先進的半導體技術和優化配置，性能還能進一步提高。
值得注意的是，除了解決多徑問題，這種互鎖機制還顯示出自主控制各類電磁器件的前景，有可能徹底改變計算資源有限的物聯網應用中的無線通信系統。
Wakatsuchi解釋說：“我們的無源濾波器設計理念有可能創造出新型的下一代射頻器件和應用，包括天線、傳感器、成像儀和可重新配置的智能表面。特別是，我們的無源互鎖解決方案可以有效地應用于多功能、低成本的通信設備，這些設備通常由于計算資源龐大、成本昂貴，無法采用傳統基于調制或信號處理的方法?！?/span>
論文鏈接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.157001
