可程式化超穎表面天線展現卓越無線資訊對映效率

近年來，全球的電子工程師們一直致力於研發新型硬體，以期進一步提升無線通訊的速度與效率。數位可程式化超穎表面作為一種先進的人工材料，能夠操控電磁波的特性，在無線資料傳輸方面展現出了極大的潛力。

這些人工材料的一個關鍵優勢在於，它們能夠更高效地傳輸無線資料，而無需依賴傳統的數位 - 類比轉換過程。然而，儘管具有潛力，許多基於超穎表面的天線迄今為止取得的成果卻差強人意，例如資料傳輸速率低和資訊對映效率不佳等問題。

東南大學、南洋理工大學等機構的研究人員最近研發出一種新型可程式化超穎表面，有望克服這些限制，實現卓越的資訊對映效率。該天線的相關研究論文發表在《自然電子學》上，將為未來無線通訊技術的發展做出貢獻。

論文的通訊作者崔鐵軍教授向Tech Xplore表示：「在先前的研究中，我們開發了多種基於可程式化超穎表面的通訊方案。但在這些工作中，對於調製到超穎表面的編碼資訊，從單次測量中能夠獲取的資訊量不夠高，這降低了系統的通訊速度和容量。」

崔鐵軍及其同事這次研究的主要目標是設計一種最佳方案，以高效地從基於超穎表面的天線所傳輸的資料中提取並對映可程式化模式。他們的工作建立在早期的一項研究基礎上，該研究分析了時空超穎表面在時間諧波下遠場響應的對稱特性。

崔鐵軍說：「在這項工作中，我們將重點轉向了空間諧波。透過精心的數學公式推導，我們發現使用長度為奇質數的1位元編碼序列，在一階諧波方向上產生的星座圖具有獨特性和對稱性，可用於實現最高的資訊對映效率。」

作為新研究的一部分，崔鐵軍及其同事使用新製作的可程式化超穎表面天線，評估了他們先前確定的最佳資訊對映方案。他們製作的天線基於印刷電路板（PCB），由三層金屬層和兩層基板層組成。

崔鐵軍解釋道：「頂層金屬層包含微帶天線陣列，中間層用作接地層，底層包含移相器模組，用於控制每一列的相位狀態。中央的五列輻射器由入射波激勵，外側的四列輻射器為虛設元件，用於更好地匹配中央五列輻射器的邊界條件。」

該團隊天線中每列輻射器的相位響應由可切換延遲線結構調整。該結構包含四個二極體，可控制延遲線的有效長度，在0或π相位調製之間切換。

崔鐵軍表示：「對於調製到可程式化超穎表面的每個p位元編碼模式，超穎表面天線將產生相應的輻射模式。在2^p種可能的模式中，有2^p-1種在一階諧波方向上展現出對稱且獨特的遠場響應。因此，透過在該特定方向上對複振幅進行單次遠場測量，幾乎可以獲取編碼模式的所有資訊。」

研究人員提出的超穎表面天線設計相比先前基於超穎表面的無線通訊解決方案具有多項優勢。最顯著的是，它允許天線直接完成資訊調製，無需額外的模組（如I/Q通道或混頻器）。

該團隊方案的另一個優勢是，它能夠從單次測量中提取幾乎所有的編碼模式。這顯著提高了天線的資訊對映效率，使其接近於1（即接近最大可能效率）。

崔鐵軍表示：「我們基於可程式化超穎表面發現了一種最佳資訊對映方案，能夠從單次遠場測量中提取幾乎所有的超穎表面編碼模式，達到了資訊對映的極限。這項研究的一個有前景的實際應用是，透過採用我們的資訊對映方案，實現基於可程式化超穎表面的高速、大容量無線通訊。」

該研究團隊研發的可程式化超穎表面及其執行方案，為更先進通訊技術的發展開闢了新的可能性。在接下來的研究中，崔鐵軍及其同事希望利用他們提出的方法，開發其他有前景的無線通訊發射器。

崔鐵軍補充道：「我們未來的研究計畫包括使用我們的方案開發實用的、基於可程式化超穎表面的發射器，探索將我們的理論擴充套件到二維的可能性，以及研究更多方案以實現基於可程式化超穎表面的高速、大容量無線網路。」