河北
近期，電子科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《Laser & Photonics Reviews》上發(fā)表了一項(xiàng)重要成果：全球首個(gè)基于石墨烯的可編程透射超表面，實(shí)現(xiàn)了太赫茲頻段超寬帶、寬角度波束掃描與獨(dú)立增益控制。該研究通過引入石墨烯-絕緣體-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)離子凝膠門控，結(jié)合雙諧振單元設(shè)計(jì)與鏡像對稱操作模式，成功解決了石墨烯在太赫茲調(diào)制中效率低、穩(wěn)定性差、均勻性不足三大難題。實(shí)驗(yàn)表明，該超表面在187-250 GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了±45°波束掃描，相對帶寬高達(dá)28.8%，同時(shí)支持動態(tài)增益調(diào)節(jié)，為6G通信、雷達(dá)隱身與智能波束賦形提供了全新的硬件平臺。
圖1.石墨烯可編程透射超表面示意圖
該圖展示了整體超表面的工作原理與結(jié)構(gòu)組成：（a）GIG異質(zhì)結(jié)構(gòu)層狀示意圖，從上至下依次為頂部hBN、頂部石墨烯、Al?O?/SiO?絕緣層、底部hBN與底部石墨烯；（b）超表面工作示意圖，通過可編程電源控制各列單元狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)垂直極化太赫茲波向水平極化轉(zhuǎn)換與波束偏轉(zhuǎn)。插圖顯示單元的石墨烯圖案幾何結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了其像素化編碼控制能力。
圖2.單元結(jié)構(gòu)與GIG異質(zhì)結(jié)構(gòu)測試性能
（a）雙諧振單元結(jié)構(gòu)示意圖，包含底部金屬光柵、石英介質(zhì)基板、頂部圓環(huán)縫隙與兩個(gè)鏡像分布的GIG異質(zhì)結(jié)構(gòu)；（b）單元內(nèi)GIG結(jié)構(gòu)布局，左右兩側(cè)GIG共享漏極，源極通過空氣間隙隔離；（c）GIG表面阻抗測試環(huán)境；（d）石墨烯表面阻抗隨柵壓變化曲線，呈現(xiàn)典型的V形調(diào)控特性；（e）不同器件間石墨烯表面阻抗統(tǒng)計(jì)分布，顯示其在接近電荷中性點(diǎn)時(shí)波動較大。
圖3.超表面波束掃描性能實(shí)測結(jié)果
（a-c）為24×12陣列在0°、15°、30°波束指向下的編碼圖案與仿真輻射方向圖；（d）制備完成的超表面實(shí)物與PCB控制電路照片，總規(guī)模達(dá)4,608個(gè)單元；（e-g）歸一化增益與波束掃描性能測試結(jié)果，顯示在187-250 GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)±45°掃描，增益下降不超過6 dB，掃描精度高，誤差小。
這項(xiàng)研究不僅推動了太赫茲超表面向?qū)嵱没~進(jìn)，也為未來寬帶通信與智能電磁系統(tǒng)提供了重要技術(shù)支撐。
來源：夜晶太赫茲樂園
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