image: 新一代天線的重要特徵是能透過時空編碼軟件的控制，以改變來自天線的輻射波束的方向、頻率及幅度。 view more
Credit: 香港城市大學
一支由香港城市大學（城大）科學家聯合帶領的研究團隊，研發出可調控輻射波束的方向、頻率和幅度的新型天線，有望在第六代無線通訊的通訊感知一體化中發揮重要作用。
傳統天線的結構與特性在製成之後即無法改變，但這款新一代天線名為「無邊帶時空編碼超表面天線」（sideband-free space-time-coding (STC) metasurface antenna），能透過時空編碼（即軟件的控制），以改變天線發射的電磁波的方向、頻率及幅度，這使其應用有極大的靈活性。
這款天線能擁有這創新特徵，關鍵在於天線的超表面（metasurface，又稱超構表面，即人造、厚度細過波長、由多個亞波長超構單元（meta-atom）組成的薄片材料）上的超構單元，可以透過控制電流、在輻射和不輻射兩種狀態中進行切換，彷如開關掣，從而改變超表面的反應。這使時空編碼超表面天線能夠透過軟件的控制，來對電磁波在空間和頻率兩個維度上，進行複雜的調控，並藉此產生所需的輻射模式及高度定向性的波束。
有份帶領這項研究的城大署理學務副校長、電機工程學系電子工程學講座教授陳志豪教授強調，成功研發這款新型天線，乃建基於把空間幅度調製漏波天線（amplitude-modulated (AM) leaky-wave antennas）和時空編碼技術這兩項研究成果相互結合。
城大太赫茲及毫米波國家重點實驗室博士後研究員吳耿波博士於2020年在城大攻讀博士時，最先提出空間幅度調製漏波天線的新理念。他解釋說︰「這個新理念提供了一套分析方法，純粹透過改變天線的形狀和結構，便可以得出想要的輻射模式，以切合不同應用所需。」
不過，幅度調製漏波天線跟其他天線一樣，一經製成，其輻射特性便無法改變。就在差不多同一時候，來自中國南京的東南大學崔鐵軍院士和程強教授課題組的戴俊彥博士加入了城大陳教授的團隊，而崔院士和程教授正是研究時空編碼技術的權威。身兼城大太赫茲及毫米波國家重點實驗室主任的陳教授說︰「戴博士在利用時空編碼和數碼超材料去動態地重構天線表現的專業知識，為國家重點實驗室團隊的天線研究，帶來了重要的新角度。」
另一方面，在超表面上對電磁波進行時間這維度的調制，通常會產生不需要的諧波頻率，稱為邊帶（sideband）。這些邊帶會分走一部分電磁波能量，並會對有用的天線頻道造成干擾，導致「頻譜污染」。不過，陳教授與團隊便在波導（waveguide，即透過電磁波於管內不斷反射來傳播的傳輸線結構）上實現天線的設計，成功抑制了邊帶的出現，產生高定向性的波束，並令通訊更安全保密。
陳教授說︰「透過結合空間幅度調製漏波天線和時空編碼這兩項技術，我們可以通過軟件來控制天線上『開關掣』的先後次序和持續時間，來獲得想要的輻射特徵。」吳博士補充︰「除了使用不同的時空編碼輸入之外，我們無需重新設計天線，即可產生高定向性波束和多種輻射特性。」
這種新天線的輻射波束的能量能夠聚焦在固定或可變焦距的焦點上，可用於實時成像，以及作為一種掃描環境與反饋數據的雷達來使用。陳教授解釋說：「這項發明在第六代無線通訊的通訊感知一體化中發揮重要作用。例如，輻射波束可以掃描真人，然後產生與真人類似的影像，讓手機用戶可透過3D全息圖成像來交談。與傳統的發射器架構相比，新發明在防竊聽方面亦有更佳表現。」
這項研究成果已發表在知名學術期刊《自然．電子學》，題為「無邊帶時空編碼超表面天線」。
吳博士與戴博士為該論文的共同第一作者，戴博士、程教授、崔院士與陳教授是論文的通訊作者。
陳教授續說：「如果沒有城大與東南大學兩個團隊的緊密合作，相輔相成的科技專長，是不可能取得這些研究成果的。我們希望新一代天線科技在未來更加成熟，能以較低成本，應用於更小的集成電路及更廣闊的範圍。」
城大研究團隊獲得香港研究資助局主題研究計劃、粵港大數據圖像和通信應用聯合實驗室的資助。
Journal
Nature Electronics
Method of Research
Experimental study
Subject of Research
Not applicable
Article Title
Sideband-free space–time-coding metasurface antennas
Article Publication Date
3-Nov-2022