无线通信技术的发展以及电气电路的微型化，从根本上重塑了人们的生活和数字体验。然而，随着通信技术向更高频率发展，在日益互联的世界中，工程师正面临多径传播带来的越来越多的挑战。多径传播是指相同的无线电信号通过多个路径到达接收天线，通常伴随着时间延迟和幅度变化。
多径干扰会导致许多可靠性问题，从电视广播中的“鬼影”到无线通信中的信号衰减等。
长期以来，解决多径干扰问题一直面临着两个基本的物理挑战。首先，多径信号与主信号共用相同的频率，使得传统基于频率的滤波技术无效。其次，这些信号的入射角度是可变且不可预测的。这些限制使得无源解决方案的实施特别困难，因为传统材料受限于线性时不变（LTI）响应约束，对于给定的频率，无论信号何时到达都保持相同的散射特性。
据麦姆斯咨询介绍，在此背景下，日本名古屋工业大学副教授Hiroki Wakatsuchi领导的研究团队开发了一种突破性的方法来克服这些限制。该研究成果已经以“Multipath Signal-Selective Metasurface: Passive Time-Varying Interlocking Mechanism to Vary Spatial Impedance for Signals with the Same Frequency”为题发表于Physical Review Letters。
上述视频介绍了本研究开发的无源超构表面。该超构表面利用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）的时变互锁机制，选择性地传输第一个到达的信号，同时阻止来自其他角度的延迟信号，从而在无需电力或处理的情况下改善无线通信。
该团队设计了一种基于无源超构表面的滤波系统，通过创新的时变互锁机制摆脱了LTI约束。该设计集成了具有内部耦合电路元件的超构表面面板。所提出的系统作为一种屏蔽器，仅允许第一个到达的信号波通过，同时阻止来自其它角度的延迟信号，所有这些都不需要主动偏置或控制系统。
这项创新的关键在于超构表面如何在没有有源元件的情况下产生时变响应。超构表面的每个单元格都位于朝向特定方向的面板上，内含一个MOSFET，作为动态开关，根据晶体管的栅极源电压形成开路点或短路。当第一个信号到来时，它能保持超构表面面板共振，以传输传入的信号。
然而，该第一信号也会触发其他面板上单元格内部电路配置的变化，从而有效改变空间阻抗，拒绝来自不同角度的后续信号。
研究人员采用一个六角棱镜结构，其中含有两个相互连接的超构表面单元和一个位于棱镜内的接收器，通过模拟和实验证明了这种机制。棱镜的相邻两侧分别接收来自不同发射器的信号，并有时间延迟，模拟了现实的多径情况。
在概念验证实验中，研究人员证明，他们的方法将第一个入射信号的幅度提高了约10 dB，同时成功抑制了后续任意方向的信号波。这一突破代表了首个能够克服频率相同、入射角度可变信号所带来物理限制的无源滤波设计。
数值验证
Wakatsuchi说：“我们提出的工作机制与之前报道的设计完全不同。这种方法与传统技术相比具有优势，因为该方法不需要大量计算和调制/解调电路。因此，它适用于物联网器件等低成本应用场景。”
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电源。目前的原型采用了简化的天线设计和商用二极管产品，因此，该团队相信，通过先进的半导体技术和优化配置，性能还能进一步提高。
值得注意的是，除了解决多径问题，这种互锁机制还显示出自主控制各类电磁器件的前景，有可能彻底改变计算资源有限的物联网应用中的无线通信系统。
Wakatsuchi解释说：“我们的无源滤波器设计理念有可能创造出新型的下一代射频器件和应用，包括天线、传感器、成像仪和可重新配置的智能表面。特别是，我们的无源互锁解决方案可以有效地应用于多功能、低成本的通信设备，这些设备通常由于计算资源庞大、成本昂贵，无法采用传统基于调制或信号处理的方法。”
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.157001
