城大科学家发明了能把6G信号精确及安全地转向的可调谐“超构元件”
随着第六代无线技术（6G）问世，无线通信的未来将迎来飞跃性的巨大转变。香港城市大学（城大）的研究团队最近发明了一种突破性的可调谐太赫兹（terahertz,，THz）超构元件（meta-device），它可以控制太赫兹波束的辐射方向和覆盖区域。通过旋转其超构表面，超构元件即可迅速地把6G信号波束转向，只聚焦及传送到指定位置的接收者，可减少功率浪费及增强私隐保障。它有望为未来的6G通信系统提供一种高度可调、定向和安全的波束传送新技术。
太赫兹频段技术的潜力无限，因为它拥有丰富的频谱资源，可以支援无线通信中100Gbps（Gbps即每秒10亿位元）甚至Tbps（每秒一万亿位元）级别的超高速数据传输率，比现时5G的数据传输速度快数百至数千倍。然而，传统的太赫兹通信系统使用笨重的介质透镜和反射器，只能将波束引导到固定的发射器或探测器，或是传送到位于固定位置的单一接收器或覆盖有限的区域。这些限制窒碍了未来需要精确定位和信号强度高度集中的6G应用和发展。
现有的笨重系统阻碍了6G的应用
在城大电机工程学系讲座教授蔡定平教授，以及城大署理学务副校长兼太赫兹及毫米波国家重点实验室主任陈志豪教授所领导的两支研究团队的共同努力下，最近便开发出一种崭新的可调谐超构元件，它可以完全控制太赫兹波束的传播方向和覆盖区域，成功克服了上述的挑战。
蔡教授是“超构表面”（metasurface）和光子学领域的专家，他说：“可调谐太赫兹超构元件的出现，为6G通信系统带来了令人振奋的前景。我们的超构元件能够把信号仅传递给指定的用户或侦测器，并可根据需要灵活调整传播方向。”
专门从事太赫兹技术研究的陈教授补充说：“我们的研究发现，为先进的太赫兹通信系统提供一系列的好处，包括更佳的安全性、灵活性、高指向性和高度集中的信号。”
拥有过万微型天线的旋转超构表面
这件新研发的超构元件，由两片或三片可旋转的超构表面（metasurface）组成。超构表面是指具有亚波长厚度的人造薄片，它作为高效的投射仪，可于二维平面或三维空间中，引导及改变太赫兹光束的焦点。每个超构表面的直径仅为30毫米，却包含了约11,000个微天线。这些微天线每个大小只有0.25毫米x 0.25毫米，而且彼此不同。蔡教授解释：“超构元件成功的秘诀，在于每一个微天线都是经过精密计算来设计。”研究人员无需额外的空间及仪器，只需简单地旋转超构表面，即能够调整焦点，按指定的X、Y和Z座标，把太赫兹波束引导及转向到指定目的地。
凭着太赫兹及毫米波国家重点实验室高度精确及先进的设备，研究团队进行了一系列实验，成功验证了两款他们研发可变焦超构元件——即由两片超构表面组成的二维调控超构元件（doublet meta-device）和由三片超构表面组成的三维调控超构元件（triplet meta-device），能够把太赫兹波束的聚焦点分别投射到二维平面或三维空间的任意点之上，精确度极高。这种创新设计展示了超构元件将6G信号引导到二维和三维空间的指定目的地的能力。
由于只有指定地点的用户或探测器可以接收到信号，而且高度集中的信号可以灵活地切换到其他用户或探测器，不会在附近的其他接收器上浪费能量或有损私隐，故此新超构元件可以在未来的6G通信中，以较低的耗能去操作，并可提升数据信号的指向性、安全性和灵活性。
易于以低成本大规模生产
此外，超构元件的“超构表面”使用了高温树脂和该团队开发的3D打印技术来制造。由于超构元件重量轻、体积小，故日后要实际应用时，可以很容易地以低成本大规模生产。
这种崭新的太赫兹可调谐超构元件，有望为未来的6G通信系统提供极广泛的应用潜能，包括无线电力传输、变焦成像和遥距感应。研究团队计划在太赫兹变焦成像的范畴，进一步设计及开拓超构元件的应用。
上述该研究成果已于科学期刊《科学进展》（Science Advances）发表，题为〈A 6G meta-device for 3D varifocal〉。
蔡教授和陈教授是论文的共同通讯作者。共同第一作者是蔡教授指导的博士生张景程先生、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和城大电机工程学系助理教授陈沐谷博士。该学系博士生刘小源小姐和太赫兹及毫米波国家重点实验室的陈家辉博士也为上述研究作出贡献。
该研究获得香港特区政府大学教育资助委员会和研究资助局、深圳市科技创新委员、广东省科学技术厅以及城大支持。
相关故事:
本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
Wechat ID: CityU_Research
