Искусственный диэлектрический пучок

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 13793 (2023) Цитировать эту статью

279 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы проектируем и изготавливаем искусственную диэлектрическую призму, которая может направлять терагерцовый луч в космосе, и экспериментально исследуем ее поведение. Искусственная диэлектрическая среда состоит из равномерно расположенной стопки металлических пластин, электромагнитно эквивалентной массиву волноводов с параллельными пластинами, работающих в тандеме. На рабочей частоте 0,3 ТГц мы наблюдаем максимальное отклонение луча 29°, ограниченное точностью имеющихся прокладок. Подпружинивание прокладок между пластинами позволяет нам непрерывно и динамично сканировать луч в диапазоне 5°. Измеренные карты интенсивности луча на входе и выходе устройства показывают очень хорошее качество гауссова луча и расчетный КПД 71%. В качестве возможного реального применения мы интегрируем призму в канал терагерцовой связи в свободном пространстве и демонстрируем безупречную производительность.

Будущие концепции беспроводной связи и зондирования все чаще будут использовать терагерцовый диапазон частот (0,1–10 ТГц). Например, терагерцовые частоты или более высокие частоты являются важным элементом связи следующего поколения (6G), где полоса пропускания ~ 100 ГГц становится критически важной для поддержки ожидаемой скорости передачи данных в терабит в секунду1. Чтобы создать практичные беспроводные системы терагерцового диапазона, многочисленные исследования были посвящены проблемам поглощения, рассеяния волн, цифровой обработки сигналов, сетей, безопасности, контроля доступа к среде передачи, разработки приемопередатчиков и многого другого2,3. Еще одной заметной и фундаментальной проблемой являются потери на трассе в свободном пространстве (FSPL). Из-за масштабирования с квадратом частоты FSPL становится заметно хуже в терагерцовом режиме, чем в более низких диапазонах частот. Это сильно влияет как на системы зондирования (например, радары), так и на системы связи, поскольку для достижения практически значительных расстояний распространения требуется высокая направленность терагерцовых лучей. Следовательно, это порождает новые проблемы, связанные с наведением луча, джиттером и турбулентностью. Активное сканирование луча (или управление) является предлагаемым решением, вдохновляющим множество подходов, включая фазированные решетки, реконфигурируемые дифракционные или отражающие поверхности и дисперсионные структуры4. Некоторые недавние примеры включают сложную оптическую систему, использующую зеркала5, два на основе сложных метаповерхностей6,7, один на основе линзы Люнебурга8, один на основе фазированных решеток9, один на основе дифракционной решетки10 и один на основе призмы, напечатанной на 3D-принтере11,12. . Многие из них работают превосходно, хотя могут страдать от низкой эффективности, плохого качества луча, высокой сложности или ограниченной полосы пропускания, особенно если они обеспечивают динамическое управление. В будущих приложениях, таких как беспроводная связь следующего поколения, будет важно, чтобы устройства управления волнами тщательно избегали низкой эффективности13, аномалий луча (например, косоглазия) и изменения формы сигнала из-за потерь и временной дисперсии14.

Среди решений с использованием дисперсионных структур весьма привлекательными становятся искусственные диэлектрики (АД). Искусственные диэлектрики — это искусственные среды, которые имитируют свойства природных диэлектрических сред или даже проявляют свойства, которые обычно не могут проявиться в природе15. Например, показатель преломления, который обычно имеет значение больше единицы, в AD может иметь значение меньше единицы. Недавние исследования16,17 показали, что АД обеспечивают мощные возможности управления терагерцовыми волнами, аналогичные метаматериалам, но с практическими преимуществами, такими как значительное снижение потерь на поглощение и значительное снижение сложности изготовления. Эти свойства проявляются в новых конструкциях терагерцового изолятора и светоделителя на основе AD, характеристики которых конкурируют даже с уже существующими оптическими устройствами17.

Используя эту концепцию AD, мы проектируем и изготавливаем динамическую призму сканирования луча для терагерцового диапазона и экспериментально исследуем ее поведение. По сравнению с большинством лучевых сканеров наше AD-устройство намного проще, что обеспечивает превосходное качество луча, более высокую энергоэффективность и низкую временную дисперсию. Мы полагаем, что эта работа будет важна для развития терагерцовой беспроводной связи, визуализации и дистанционного зондирования. В случае беспроводной связи терагерцовые волны все чаще используются в двухточечных соединениях, таких как транспортные приложения18. В таких сценариях способность оптимально направлять луч передатчика к местоположению приемника имеет первостепенное значение, особенно если приемник мобильный или на канал влияет дрожание.