城大科學家發明了能把6G信號精確及安全地轉向的可調諧「超構元件」
隨著第六代無線技術（6G）問世，無線通訊的未來將迎來飛躍性的巨大轉變。香港城市大學（城大）的研究團隊最近發明了一種突破性的可調諧太赫茲（terahertz, THz）超構元件（meta-device），它可以控制太赫茲波束的輻射方向和覆蓋區域。通過旋轉其超構表面，超構元件即可迅速地把6G信號波束轉向，只聚焦及傳送到指定位置的接收者，可減少功率浪費及增強私隱保障。它有望為未來的6G通訊系統提供一種高度可調、定向和安全的波束傳送新技術。
太赫茲頻段技術的潛力無限，因為它擁有豐富的頻譜資源，可以支援無線通訊中100Gbps（Gbps即每秒10億位元）甚至Tbps（每秒一萬億位元）級別的超高速數據傳輸率，比現時5G的數據傳輸速度快數百至數千倍。然而，傳統的太赫茲通訊系統使用笨重的介質透鏡和反射器，只能將波束引導到固定的發射器或探測器，或是傳送到位於固定位置的單一接收器或覆蓋有限的區域。這些限制窒礙了未來需要精確定位和信號強度高度集中的6G應用和發展。
現有的笨重系統阻礙了6G的應用
在城大電機工程學系講座教授蔡定平教授，以及城大署理學務副校長兼太赫茲及毫米波國家重點實驗室主任陳志豪教授所領導的兩支研究團隊的共同努力下，最近便開發出一種嶄新的可調諧超構元件，它可以完全控制太赫茲波束的傳播方向和覆蓋區域，成功克服了上述的挑戰。
蔡教授是「超構表面」（metasurface）和光子學領域的專家，他說：「可調諧太赫茲超構元件的出現，為6G通訊系統帶來了令人振奮的前景。我們的超構元件能夠把信號僅傳遞給指定的用戶或偵測器，並可根據需要靈活調整傳播方向。」
專門從事太赫茲技術研究的陳教授補充說：「我們的研究發現，為先進的太赫茲通訊系統提供一系列的好處，包括更佳的安全性、靈活性、高指向性和高度集中的信號。」
擁有過萬微型天線的旋轉超構表面
這件新研發的超構元件，由兩或三片可旋轉的超構表面（metasurface）組成。超構表面是指具有亞波長厚度的人造薄片，它作為高效的投射儀，可於二維平面或三維空間中，引導及改變太赫茲光束的焦點。每個超構表面的直徑僅為30毫米，卻包含了約11,000個微天線。這些微天線每個大小只有0.25毫米x 0.25毫米，而且彼此不同。蔡教授解釋：「超構元件成功的秘訣，在於每一個微天線都是經過精密計算來設計。」研究人員無需額外的空間及儀器，只需簡單地旋轉超構表面，即能夠調整焦點，按指定的X、Y和Z座標，把太赫茲波束引導及轉向到指定目的地。
憑著太赫茲及毫米波國家重點實驗室高度精確及先進的設備，研究團隊進行了一系列實驗，成功驗證了兩款他們研發的可變焦超構元件——即由兩片超構表面組成的二維調控超構元件（doublet meta-device）和由三片超構表面組成的三維調控超構元件（triplet meta-device），能夠把太赫茲波束的聚焦點分別投射到二維平面或三維空間的任意點之上，精確度極高。這種創新設計展示了超構元件將6G信號引導到二維和三維空間的指定目的地的能力。
由於只有指定地點的用戶或探測器可以接收到信號，而且高度集中的信號可以靈活地切換到其他用戶或探測器，不會在附近的其他接收器上浪費能量或有損私隱，故此新超構元件可以在未來的6G通訊中，以較低的耗能去操作，並可提升數據信號的指向性、安全性和靈活性。
易於以低成本大規模生產
此外，超構元件的「超構表面」使用了高溫樹脂和該團隊開發的3D打印技術來製造。由於超構元件重量輕、體積小，故日後要實際應用時，可以很容易地以低成本大規模生產。
這種嶄新的太赫茲可調諧超構元件，有望為未來的6G通訊系統提供極廣泛的應用潛能，包括無線電力傳輸、變焦成像和遙距感應。研究團隊計劃在太赫茲變焦成像的範疇，進一步設計及開拓超構元件的應用。
上述該研究成果已於科學期刊《科學進展》（Science Advances）發表，題為〈A 6G meta-device for 3D varifocal〉。
蔡教授和陳教授是論文的共同通訊作者。共同第一作者是蔡教授指導的博士生張景程先生、太赫茲及毫米波國家重點實驗室博士後研究員吳耿波博士和城大電機工程學系助理教授陳沐谷博士。該學系博士生劉小源小姐和太赫茲及毫米波國家重點實驗室的陳家輝博士也為上述研究作出貢獻。
該研究獲得香港特區政府大學教育資助委員會和研究資助局、深圳市科技創新委員、廣東省科學技術廳以及城大支持。
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