太赫兹快速重构超表面孔径数字波束合成机理及器件研究

The next generation of advanced electrically controlled scanning technology is of great significance to promoting development of high-resolution terahertz imaging and high-speed wireless communication systems. The project plans to implement the mechanism research and device development of terahertz digital beam synthesis based on electrically controlled fast reconfigurable aperture on digital metasurface. By exploring study of broadband /multiband, 360-degree smooth phase shift of the novel radiation elements of the hybrid metasurface microstructure, the phase modulation mechanism of terahertz sub-wavelength reflectarray will be grasped. The research will be focused on the reversal encoding technique of phase compensation based on electrically controlled hybrid metasurface-HEMT to realize highly dynamic beam scanning. By studying the scanning angle and radiation-loss characteristics of electrically controlled scanning antenna based on composite microstructure array of metasurface, the beam synthesis mechanism of speedily reconfigurable metasurface aperture will be grasped, thus to break through the substantial technology of high performance device design and fabrication. The prototype will realize beam scanning with 90-degree angle and 20-dB gain. The research achievement will provide technical support for development of terahertz imaging and communication application systems.

新一代先进电控扫描技术对促进太赫兹高帧频高分辨成像和高速无线通信技术的发展具有重要的意义。项目拟开展基于超表面快速电控编码阵列实现太赫兹数字波束合成的机理研究和器件研制。探索研究具有宽带/多频带、360度全相位调控和平滑相移的新型复合超表面微结构辐射单元技术，掌握太赫兹亚波长反射阵列的相位调制机理；重点研究超表面与高电子迁移率晶体管（HEMT）相结合的电控相位补偿编码技术，实现高动态波前相位调控；通过对基于复合超表面微结构阵列的电控扫描天线的扫描角度、辐射损耗等特性的深入研究，掌握快速重构超表面孔径波束合成机理，突破太赫兹重构天线的设计和研制的关键技术，研制的原理器件实现波束扫描角度达到90度、增益达到20dB。本项目的研究成果将为太赫兹成像和通信应用系统的发展提供技术支撑。

太赫兹先进电控编码波束扫描系统在太赫兹雷达系统、太赫兹无线通信系统以及太赫兹探测系统中有着重要应用前景。本项目根据太赫兹超分辨成像和无线通信系统技术要求，基于HEMT-超表面结构开展太赫兹孔径编码波前调制机理研究，研制太赫兹波前调制凝视成像阵列器件。本项目最核心的问题是通过HEMT与亚波长谐振结构结合的相位编码调制以实现高性能的波束扫描器件，解决如大相移调控，快速扫描，大扫描角度，高增益和低插损等问题。围绕这几个方面，研究HEMT晶体管-超表面微结构复合阵列的电磁响应特性，同时探索肖特基二极管结合超表面微结构复合结构与太赫兹波作用的物理机理，突破开关器件在低开关比下复合结构阵列的等幅大相移调制，研究基于相位编码重构的阵列辐射场调控特性，进行器件的制备和单元特性/阵列波束调控的测试。本项目研制的太赫兹电控编码扫描系统，工作频率为0.35 THz时，可在45°的扫描角度范围实现精度1°的波束扫描，通过不同的编码控制还可实现灵活的多波束调控和重构。成像验证试验表明，该器件已具备太赫兹超分辨快速成像的能力。进一步结合通信调制，可形成一发多收和大容量的太赫兹智能无线通信系统。本项目的研究成果将为太赫兹成像和通信应用系统的发展提供技术支撑。