인공 유전체 빔

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13793(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 우주에서 테라헤르츠 빔을 조종할 수 있는 인공 유전체 프리즘을 설계 및 제작하고 그 동작을 실험적으로 조사합니다. 인공 유전체 매체는 균일하게 간격을 둔 금속판 스택으로 구성되며, 직렬로 작동하는 평행판 도파관 배열과 전자기적으로 동일합니다. 0.3THz의 작동 주파수에서 사용 가능한 스페이서의 정밀도에 의해 제한되는 최대 빔 편향 29°를 관찰합니다. 플레이트 사이의 스페이서에 스프링 하중을 가하면 5° 범위에서 연속적이고 동적으로 빔을 스캔할 수 있습니다. 장치의 입력 및 출력에서 ​​측정된 빔 강도 맵은 매우 우수한 가우스 빔 품질과 71%의 추정 전력 효율을 나타냅니다. 가능한 실제 응용 분야로서 프리즘을 자유 공간 테라헤르츠 통신 링크의 경로에 통합하고 손상되지 않는 성능을 보여줍니다.

무선 통신 및 감지의 미래 개념에는 테라헤르츠 주파수 대역(0.1~10THz)이 점점 더 많이 포함됩니다. 예를 들어, 테라헤르츠 이상의 주파수는 차세대(6G) 통신의 필수 요소입니다. 여기서 최대 100GHz의 대역폭은 초당 테라비트 데이터 속도 기대치를 지원하는 데 매우 중요합니다1. 실용적인 테라헤르츠 무선 시스템을 달성하기 위해 수많은 연구 조사에서 파동 흡수, 산란, 디지털 신호 처리, 네트워킹, 보안, 미디어 액세스 제어, 트랜시버 개발 등의 문제를 다루었습니다2,3. 또 다른 주목할만한 근본적인 과제는 FSPL(자유 공간 경로 손실)입니다. 주파수의 제곱에 따른 스케일링으로 인해 FSPL은 낮은 주파수 대역보다 테라헤르츠 영역에서 뚜렷하게 악화됩니다. 실질적으로 상당한 전파 거리를 달성하려면 테라헤르츠 빔이 지향성이 높아야 하기 때문에 이는 감지(예: 레이더)와 통신 시스템 모두에 큰 영향을 미칩니다. 결과적으로 빔 포인팅, 지터, 난류와 관련된 새로운 문제가 발생합니다. 능동 빔 스캐닝(또는 스티어링)은 위상 배열, 재구성 가능한 회절 또는 반사 표면, 분산 구조를 포함한 수많은 접근 방식에 영감을 주는 제안된 솔루션입니다4. 최근의 예로는 거울을 활용하는 복잡한 광학 시스템5, 정교한 메타표면6,7 기반 2개, Luneburg 렌즈 기반 8, 위상 배열 기반 9, 회절 격자 기반 10, 3D 프린팅 프리즘 기반 11,12 등이 있습니다. . 이들 중 다수는 뛰어난 성능을 발휘하지만 특히 동적 제어를 제공하는 경우 낮은 효율성, 낮은 빔 품질, 높은 복잡성 또는 제한된 대역폭으로 인해 어려움을 겪을 수 있습니다. 차세대 무선 통신과 같은 미래 응용 분야에서는 파동 제어 장치가 효율성 저하13, 빔 이상(예: 곁눈질), 손실 및 시간 분산14으로 인한 파형 재형성을 주의 깊게 피하는 것이 중요합니다.

분산 구조와 관련된 솔루션 중에서 인공 유전체(AD)가 매우 매력적입니다. 인공 유전체는 자연적으로 발생하는 유전체 매체의 특성을 모방하거나 자연에서 일반적으로 나타날 수 없는 특성을 나타내는 인공 매체입니다15. 예를 들어, 일반적으로 1보다 큰 값을 갖는 굴절률은 AD에서는 1보다 작은 값을 가질 수 있습니다. 최근 연구16,17에 따르면 AD는 메타물질과 유사한 테라헤르츠파 제어를 위한 강력한 방법을 제공하지만 흡수 손실을 크게 줄이고 제조 복잡성을 크게 줄이는 등 실질적인 이점을 제공하는 것으로 나타났습니다. 이러한 특성은 성숙한 광파 장치에 필적하는 사양을 갖춘 새로운 AD 기반 테라헤르츠 절연체 및 빔 스플리터 설계에서 나타납니다.

이 AD 개념을 활용하여 여기에서는 테라헤르츠 영역에 대한 동적 빔 스캐닝 프리즘을 설계 및 제작하고 그 동작을 실험적으로 조사합니다. 대부분의 빔 스캐너와 비교하여 당사의 AD 장치는 훨씬 간단하여 우수한 빔 품질, 더 높은 전력 효율성 및 낮은 시간 분산을 제공합니다. 우리는 이 작업이 테라헤르츠 무선 통신, 이미징 및 원격 감지를 발전시키는 데 중요할 것이라고 생각합니다. 무선 통신의 경우 테라헤르츠파는 백홀 애플리케이션과 같은 지점 간 링크에 채택될 가능성이 점차 높아지고 있습니다18. 이러한 시나리오에서는 송신기 빔을 수신기 위치로 최적으로 조종하는 능력이 가장 중요합니다. 특히 수신기가 이동 중이거나 채널이 지터의 영향을 받는 경우에는 더욱 그렇습니다.