无线通信的发展和电路的小型化从根本上重塑了我们的生活和数字景观。然而，随着我们在日益互联的世界中推动更高频率的通信，工程师面临着来自多径传播的日益严峻的挑战，多径传播是一种现象，即同一无线电信号通过多条路线到达接收天线，通常会出现时间延迟和幅度。通讯。

解决多径干扰长期以来一直面临着两个基本的物理挑战。首先，多径信号与“主”（或主导）信号共享相同的频率，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的且不可预测的。这些限制使得无源解决方案特别难以实施，因为受线性时不变 (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，如果主动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。

在此背景下，由日本名古屋工业学院 WAKATSUCHHI Hiroki 副教授领导的研究团队开发了一种突破性方法来克服这些限制。他们的论文由大阪大学的 SARUWATARI Shunsuke 和京都大学的 NIITSU Kiichi 共同撰写，将发表在.

该团队设计了一种基于超表面的无源过滤系统，通过创新的时变联锁机制摆脱了 LTI 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，可以选择性地仅允许第一个传入波通过，同时拒绝来自其他角度的延时信号 - 所有这些都不需要主动偏置或控制系统。

关键的创新在于超表面如何在没有主动组件的情况下创建时变响应。每个单位单元位于面向特定方向的面板上，包含一个充当动态开关的 MOSFET，根据晶体管的栅源电压创建开路点或短路点。当第一个信号到达时，它会保持超表面面板的共振以传输传入信号。然而，这个第一个信号也会触发其他面板中单位单元的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。

通过模拟和实验证明了这种机制，使用六角棱柱结构，该结构具有两个互连的超表面晶胞和位于棱柱内的接收器。棱镜的相邻面均接收来自不同发射器的具有一定时间延迟的信号，模拟真实的多径场景。

在概念验证实验中，研究人员证明，他们的方法将第一个传入信号的幅度增强了约 10 dB，同时成功抑制了后续波，无论其到达方向如何。这一突破代表了第一个无源滤波设计，能够通过施加具有相同频率和可变入射角的信号来克服这两个物理限制。

"我们提出的工作机制与之前报道的设计完全不同”，WAKATSUCHI 评论道。 ”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。因此适合物联网设备等低成本应用场景。”此外，与基于自适应阵列的现有硬件方法不同，这种创新策略不需要额外的直流能源。虽然当前的原型使用简化的天线设计和商用二极管产品，但该团队相信通过先进的半导体技术和优化的配置可以进一步增强性能。

值得注意的是，除了解决多路径问题之外，这种联锁方法还显示出自主控制各种类型电磁设备的前景，有可能彻底改变计算资源有限的物联网应用的无线通信系统。 ”我们的无源滤波器设计概念有可能创造出新型的下一代射频设备和应用，包括天线、传感器、成像仪和可重新配置的智能表面，”若土解释道。“In particular, our passive interlocking solution finds effective applications in versatile, low-cost communication devices that are unable to adopt conventional modulation- or signal-processing-based approaches due to their large computational resources and expensive costs."

随着无线通信技术的不断进步，世界可能会变得越来越互联。

说明：这项研究展示了一种无源超表面技术，该技术使用带有场效应晶体管的时变机制来抑制多径信号干扰。
图片来源：日本V体育的 WAKATSUCHI Hiroki

参考

原始论文标题	Multipath Signal-Selective Metasurface: Passive Time-Varying Interlocking Mechanism to Vary Spatial Impedance for Signals with the Same Frequency
期刊	物理评论信
DOI
最新文章发布日期	2025 年 4 月 14 日

若土副教授简介

若土Hiroki 于 2013 年加入V体育担任助理教授； 2016年晋升为副教授。他的研究重点是超材料和超表面，包括电子工程设备的制造技术以及通信和网络技术。他以自己的名义发表了 60 多篇关于这些主题的出版物，最近被斯坦福大学评选为世界顶尖 2% 科学家之一。

资金信息

这项研究得到了日本科学技术振兴机构 (JST) 胚胎科学技术前期研究 (PRESTO) 的部分支持 (没有。 JPMJPR193A)以及面向融合的颠覆性科学技术研究 (没有。 JPMJFR222T)和日本国家信息通信技术研究所 (NICT) 委托研究编号 JPJ012368C06201。

联系方式

若土弘树副教授
电话：+81-52-735-5504
电子邮件：wakatsuchihiroki[at]nitechacjp
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