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城市可能成为通信信号的障碍。无线电信号必须从手机到路由器，再到手机信号塔，然后再传递给接收者——所有这些过程都要在墙壁、建筑物和其他建筑物之间来回跳动。当它碰到障碍物时，无线电波被散射，信号减弱。这反过来又减少了带宽。同时，该信号必须与该地区众多其他设备的带宽需求竞争。所有这些都减少了信号可以传递的信息量。
新开发的小而轻的反射表面可以通过对电磁信号(如无线电波)提供前所未有的控制来彻底改变拥挤环境中的通信。
从历史上看，工程师们已经使用中继器(接收信号并重新发送信号的电子设备)来帮助这些通信信号覆盖更长的距离并绕过障碍物，但这种技术正在达到极限。现在，工程师们正在寻求修改通信信号本身的行为。进入可重构智能表面(RIS)。
RIS是一种可编程的表面结构，可以反射、重定向和调制电磁信号，以提高数据速率并实现其他理想行为。随着这项技术继续以惊人的速度发展，它的前景受到了称赞和期待，但它的缺点也很明显。
研究人员长期以来一直认为，超表面——一种利用表面上的图案或微结构来影响电磁波(如光和无线电信号)行为的材料——将是实现RIS的理想技术。但迄今为止的努力一直受到超表面不良特性的限制，包括信号损失和需要在设计中包含谐振材料。
但是现在，位于马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯应用物理实验室(APL)的技术人员第一次开发出了一种超表面技术，解决了这些挑战，并增强了RIS的反射行为。这为改善拥挤环境中的通信以及电信和低功耗传感应用的有希望的进步扫清了道路。他们的研究结果最近发表在《物理评论应用》杂志上。
APL研究与探索开发部研究项目领域负责人Jeff Maranchi表示:“这确实显示了先进通信、新型低功耗传感等关键应用的前景，并使其能够在最具挑战性的环境中运行。”
“可重新配置的智能表面是我们团队解决最困难的技术挑战、设计新材料、使用最新复杂工具建模和优化设计、构建、测试并迅速显示出强大潜力的另一个绝佳例子。”
大多数超表面会改变电磁波的大小(或强度)和相位(或时间位置)。但改变一个通常会改变另一个。
“当你能分别控制相位和大小时，你就能最终控制超表面的反射行为，”该论文的第一作者、APL的研究科学家蒂姆·斯莱斯曼(Tim Sleasman)说。
分别控制幅度和相位使超表面能够以多种方式适应特定情况的要求。
直到现在，这种能力仍然难以捉摸。
APL团队仔细研究了两层超表面的反射行为，实现了一系列贴片式元件、控制旋钮、变差二极管和电阻，以对关键参数施加更多控制。通过这种复杂的设计，他们创造了一个动态级联的超表面，可以单独控制大小和相位，同时安装在一个小而经济的印刷电路板上。
Sleasman说:“当信号通过超表面时，它在进入和反射的过程中与每一层相互作用。”“这些相互作用非常复杂。这些层本质上是相互交谈的，并且表现得好像它们知道其他层在那里一样。当信号通过时，每一层都对其进行操作，从而产生所需的行为。”
这种新材料消除了超表面之前所存在的不均匀的信号损失，并且包含了两种谐振材料，以避免只使用一种材料的缺点。
由此产生的超表面不仅提供了广受欢迎的对电磁波行为的控制，而且它非常小而且重量轻。例如，可以将这些印刷电路板附着在城市周围的表面上，以提高手机或Wi-Fi信号的带宽。
像传统中继器那样，重传信号需要大量的电力和复杂的设备，比如天线，甚至是多天线相控阵，这些设备占用了大量的空间。
APL团队的动态级联超表面通过将信号反射到图案表面来增强信号。“你可以用一个9伏的电池或类似的东西来运行这项技术，”斯莱斯曼说。
独立控制电磁波的大小和相位的能力的影响远远超出了电信。
APL负责物理、电子材料和器件项目的David Shrekenhamer表示:“虽然我们的重点是射频应用，但我们引入的概念和技术在广泛的电磁频谱范围内都具有价值。”“在更高的频率下，像这样的材料科学成为一个关键的考虑因素。”
动态级联元表面还可以帮助创建更小、更轻的传感器，在使用很少的功率的情况下收集和提供数据。
Sleasman说:“你可以在海洋的浮标上安装一个传感器来测量盐度。”“你不会想给这个东西装上电池，让它主动传输。有了其中一个表面，你可以用直升机飞过它，通过ping超表面来获取数据，这将反射信息。”
当持续传输的信号可能被证明是不可取的情况下，例如在竞争环境中，此功能在其他操作场景中可能很有用。
Sleasman说:“我们非常兴奋地看到这项技术在商业和政府领域产生了如此大的兴趣。”“我们计划继续开发这一概念，用于广泛的应用。”
更多信息:Timothy Sleasman等，独立幅度和相位调制的双共振动态超表面，物理评论应用(2023)。DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.014004由约翰霍普金斯大学提供引文:突破超表面材料技术释放对先进电信及其他领域的增强控制(2023年，7月25日)检索自https://techxplore.com/news/2023-07-breakthrough-metasurface-materials-tech-unleashes.html。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
