城大研发新型时空编码天线 促进第六代及安全无线通讯发展

一支由香港城市大学（城大）科学家联合带领的研究团队，研发出可调控辐射波束的方向、频率和幅度的新型天线，有望在第六代无线通讯的通讯感知一体化中发挥重要作用。

传统天线的结构与特性在制成之后即无法改变，但这款新一代天线名为“无边带时空编码超表面天线”（sideband-free space-time-coding（STC）metasurface antenna），能透过时空编码（即软件的控制），以改变天线发射的电磁波的方向、频率及幅度，这使其应用有极大的灵活性。

这款天线能拥有这创新特征，关键在于天线的超表面（metasurface，又称超构表面，即人造、厚度细过波长、由多个亚波长超构单元（meta-atom）组成的薄片材料）上的超构单元，可以透过控制电流、在辐射和不辐射两种状态中进行切换，彷如开关掣，从而改变超表面的反应。这使时空编码超表面天线能够透过软件的控制，来对电磁波在空间和频率两个维度上，进行复杂的调控，并借此产生所需的辐射模式及高度定向性的波束。

有份带领这项研究的城大署理学务副校长、电机工程学系电子工程学讲座教授陈志豪教授强调，成功研发这款新型天线，乃建基于把空间幅度调制漏波天线（amplitude-modulated（AM）leaky-wave antennas）和时空编码技术这两项研究成果相互结合。

城大太赫兹及毫米波国家重点实验室博士后研究员吴耿波博士于2020年在香港城大攻读博士时，最先提出空间幅度调制漏波天线的新理念。他解释说：“这个新理念提供了一套分析方法，纯粹透过改变天线的形状和结构，便可以得出想要的辐射模式，以切合不同应用所需。”

不过，幅度调制漏波天线跟其他天线一样，一经制成，其辐射特性便无法改变。就在差不多同一时候，来自中国南京的东南大学崔铁军院士和程强教授课题组的戴俊彦博士加入了香港城大陈教授的团队，而崔院士和程教授正是研究时空编码技术的权威。身兼城大太赫兹及毫米波国家重点实验室主任的陈教授说：“戴博士在利用时空编码和数码超材料去动态地重构天线表现的专业知识，为国家重点实验室团队的天线研究，带来了重要的新角度。”

另一方面，在超表面上对电磁波进行时间这维度的调制，通常会产生不需要的谐波频率，称为边带（sideband）。这些边带会分走一部分电磁波能量，并会对有用的天线频道造成干扰，导致“频谱污染”。不过，陈教授与团队便在波导（waveguide，即透过电磁波于管内不断反射来传播的传输线结构）上实现天线的设计，成功抑制了边带的出现，产生高定向性的波束，并令通讯更安全保密。

陈教授说：“透过结合空间幅度调制漏波天线和时空编码这两项技术，我们可以通过软件来控制天线上‘开关掣’的先后次序和持续时间，来获得想要的辐射特征。”吴博士补充，“除了使用不同的时空编码输入之外，我们无需重新设计天线，即可产生高定向性波束和多种辐射特性。”

这种新天线的辐射波束的能量能够聚焦在固定或可变焦距的焦点上，可用于实时成像，以及作为一种扫描环境与反馈数据的雷达来使用。陈教授解释说：“这项发明在第六代无线通讯的通讯感知一体化中发挥重要作用。例如，辐射波束可以扫描真人，然后产生与真人类似的影像，让手机用户可透过3D全息图成像来交谈。与传统的发射器架构相比，新发明在防窃听方面亦有更佳表现。”

这项研究成果已发表在知名学术期刊《自然 · 电子学》，题为〈无边带时空编码超表面天线〉。

吴博士与戴博士为该论文的共同第一作者，戴博士、程教授、崔院士与陈教授是论文的通讯作者。

陈教授续说：“如果没有城大与东南大学两个团队的紧密合作，相辅相成的科技专长，是不可能取得这些研究成果的。我们希望新一代天线科技在未来更加成熟，能以较低成本，应用于更小的集成电路及更广阔的范围。”

香港城大研究团队获得香港研究资助局主题研究计划、粤港大数据图像和通信应用联合实验室的资助。

 本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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