科学家开发新型天线,可促进6G和安全无线

由香港城市大学（CityU）的科学家共同领导的一个研究团队开发了一种新型天线，可以控制辐射波束的方向、频率和幅度，预计将在第六代（6G）无线通信的传感和通信集成（ISAC）中发挥重要作用。

传统天线的结构和特性一旦制造就不能改变。然而，这种新一代天线（称为“无边带空时编码（STC）元表面天线”）发出的电磁波的方向、频率和幅度可以通过时空编码（即软件控制）来改变，从而实现了极大的用户灵活性。

这一创新特征的关键在于，通过控制电流，可以通过在辐射和非辐射状态之间切换其表面上的元原子（如打开和关闭开关）来改变元表面（具有亚波长厚度并由几个亚波长元原子制成的人造薄板材料）的响应。这允许STC元表面天线通过软件控制在空间和频域中实现复杂的波操作，并创建期望的辐射图案和高度定向的波束。

领导这项研究的城市大学电气工程系代理教务长兼电子工程讲座教授陈志厚教授强调，该天线依赖于两项研究进展的成功结合，即调幅（AM）漏波天线和时空编码技术。

吴耿波博士是城市大学太赫兹和毫米波国家重点实验室（SKLTMW）的博士后，他于年在城市大学的博士研究中首次提出了AM漏波天线的新概念。吴博士解释说：“这一概念提供了一种分析方法，通过简单地改变天线的形状和结构，就可以将天线与不同特定用途所需的辐射方向图进行合成。”

但与其他天线一样，一旦AM漏波天线被制造出来，其辐射特性是固定的。大约在那时，来自中国南京东南大学崔铁军院士和程强教授领导的研究小组的戴俊彦博士加入了城大陈教授的小组，他们是STC技术的先驱。“戴博士在时空编码和数字元表面动态重新配置天线性能方面的专业知识为SKLTMW的天线研究增添了一个新的重要维度，”陈教授说，他也是城市大学SKLTMW主任。

此外，电磁波在元表面上的时间调制通常会产生不需要的谐波频率，称为边带。这些边带携带部分辐射电磁波能量，并干扰天线的有用通信信道，导致“频谱污染”，其利用波导（用于通过来自内壁的连续反射来传输电磁波的线路）并成功地抑制了不期望的谐波，实现了高方向性波束并实现了安全通信。

陈教授说：“通过AM漏波天线和时空编码技术，我们通过软件控制天线上‘开关’的开关顺序和持续时间，从而实现指定的辐射特性。”

吴博士补充道：“新天线可以产生高指向性波束，除了使用不同的STC输入外，无需重新设计天线，就可以实现广泛的辐射性能。”

STC元表面天线辐射波束的能量可聚焦到具有固定或可变焦距的焦点，该焦点可用于实时成像，并被视为扫描环境和反馈数据的雷达类型。

“这项发明在6G无线通信的ISAC中发挥着重要作用，”陈教授解释道。“例如，辐射光束可以扫描一个人，并创建一个人的图像，允许移动电话用户通过3D全息成像相互交谈。它还比传统的发射机架构在防窃听方面表现得更好。”

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