[评论]票好买了回家快了 2017春运高铁缘何唱主角

日本的研究人员开发了一种无源超表面，无需有源滤波器即可处理多径信号干扰。

名古屋工业大学开发的时变互锁无源超表面在传输第一个信号的同时，无需电源或处理即可阻挡来自其他角度的延迟信号。这在容易受到干扰的 IoT 应用和环境中实现了低成本、可靠的无线通信。

概念验证将第一个输入信号的幅度提高了大约 10 dB，同时成功抑制了后续波，无论其到达方向如何。这是第一个能够克服相同频率和可变入射角的信号所施加的两个物理限制的无源滤波设计。

工程师面临着来自多径传播的日益严峻的挑战，其中相同的无线电信号通过多条路线到达接收天线，通常带有时间延迟和幅度变化。多径干扰会导致许多可靠性问题，从电视广播中的“重影”到无线通信中的信号衰落。

长期以来，解决多径干扰一直是两个基本的物理挑战。首先，多径信号与 “主” （或超前） 信号共享相同的频率，这使得传统的基于频率的滤波技术无效。其次，这些信号的入射角是可变且不可预测的。这些限制使得无源解决方案特别难以实现，因为受线性时间不变 （LTI） 响应约束的传统材料在给定频率下保持相同的散射分布，无论信号何时到达。此外，由于有源控制系统不需要额外的电源，传统滤波器的角度依赖性在任何给定频率下都保持固定。

Nagoya 的团队设计了一种基于无源超表面的过滤系统，该系统通过创新的时变互锁机制摆脱了 LTI 的限制。该设计将超表面面板与内部耦合电路元件相结合，包括金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET）。所提出的系统充当屏蔽层，可以选择性地只允许第一个入射波通过，同时拒绝来自其他角度的时间延迟信号——所有这些都不需要有源偏置或控制系统。

“我们提出的工作机制与以前报道的设计完全不同，”领导该团队的 Hiroki Wakatsuchi 副教授说，“这种方法比传统技术具有优势，因为我们的方法不需要很多计算和调制/解调电路。因此，它适用于物联网设备等低成本应用场景。

关键创新在于超表面如何在没有有源组件的情况下产生时变响应。每个基本单元位于面向特定方向的面板上，包含一个 MOSFET，该 MOSFET 充当动态开关，根据晶体管的栅极-源极电压产生开路点或短路。当第一个信号到达时，它会保持超表面面板的谐振，以强烈传输输入信号。然而，这第一个信号也会触发其他面板中晶胞内部电路配置的变化，有效地改变空间阻抗以拒绝来自不同角度的后续信号。

这种机制通过使用六边形棱柱结构进行模拟和实验得到了证明，该结构具有两个相互连接的超表面晶胞和一个位于棱柱内的接收器。棱镜的相邻侧面分别接收来自不同发射器的信号，并带有时间延迟，模拟了真实的多径场景。

与基于自适应阵列的现有硬件方法不同，这不需要额外的直流能源。虽然目前的原型使用简化的天线设计和商用二极管产品，但该团队认为，通过先进的半导体技术和优化的配置，可以进一步提高性能。

“我们的无源滤波器设计概念有可能创造新型的下一代射频设备和应用，包括天线、传感器、成像器和可重新配置的智能表面，”Wakatsuchi 说。“特别是，我们的无源联锁解决方案在多功能、低成本的通信设备中找到了有效的应用，这些设备由于计算资源大且成本高昂，无法采用传统的基于调制或信号处理的方法。”