米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部电磁测量研究组首席研究员 Yuto Kato 正在与大阪大学（以下简称“大阪大学”）工程科学研究生院系统创新系 Atsushi Sanada 教授合作开发下一代后5G/6G在预期使用的 140 GHz 频段中高效地向特定方向反射电磁波超颖表面开发出世界上第一个反射器。
近年来移动通信频率不断提高，后5G/6G频率超过100GHz毫米波被使用。在毫米波通信中，由于障碍物的屏蔽效应而限制通信区域是一个问题，使用可以在特定方向上进行高效反射的超表面反射器来扩大通信区域引起了人们的关注。然而，在超过100 GHz的毫米波频段，精确测量高效设计所必需的材料参数一直很困难，因此目前还没有超表面反射器的开发或演示实例。此次，在预定用于后5G/6G的140GHz频段，我们根据高精度毫米波频段材料特性测量结果进行了优化设计，开发了一种高效超表面反射器，几乎完全抑制了特定方向以外方向的不必要反射。不包括材料导致的效率降低反射效率理论上达到99%以上，而实际测量值（包括实践中不可避免的材料损失）高达88%，展现了高效率的运行。这是世界上首次开发和演示 140 GHz 频段的高效超表面反射器。新开发的技术有望在不增加基站的情况下为扩大后5G/6G无线通信领域做出贡献。有关该技术的更多信息将于 2021 年 11 月 23 日发布IEEE 访问
开发的超表面反射器（左图）及其演示实验（右图）
在移动通信中，正在推广更高的频率，以便通过扩展带宽来提高速度和容量。在下一代后5G/6G中，正在考虑使用超过100GHz的毫米波，以实现显着超过5G的高速、大容量通信。另一方面，毫米波沿直线传播，很容易被树木、建筑物等障碍物遮挡，在基站看不到的区域很可能超出通信范围。实现6G的挑战之一是确保所有情况下的通信路由安全并扩大通信区域。视距通信覆盖范围导致通信通道设计复杂并增加功耗。因此，需要一种能够有效建立和扩展甚至在视距之外的通信区域的技术。
近年来，作为一种即使在视线之外的区域也能确保通信线路安全的手段，入射电磁波已被引导到与镜面反射方向不同的任意方向反射异常超表面反射器作为一项有前景的技术而备受关注。通过将超表面反射器放置在建筑物的墙壁或窗户上，超表面反射器可以中继来自基站的信号，即使在因障碍物而处于视线之外的区域也可以进行通信（图 1）。超表面反射器不需要电源或许可证，并且可以根据设计自由选择反射方向，因此安装自由度很高，可以在不破坏景观的情况下引入。此外，由于可以通过设计优化来实现高反射效率，因此可以用比以更高密度布置基站的方法低得多的功耗来扩展通信区域。
但是，到目前为止，还没有针对后 5G/6G 应用的 100 GHz 以上频段的超表面反射器的开发或演示。造成这种情况的最大原因是高效反射器优化设计所需的介电基板。复介电常数或金属层电导率在100 GHz以上的毫米波频段具有高精度。确定可靠的材料参数已成为实现 5G/6G 后应用超表面反射器的挑战。
图1 利用超表面反射器构建通信区域示意图
AIST一直在使用平衡盘谐振器方法作为高精度毫米波波段材料测量方法进行介电常数和电导率测量研究，与传统自由空间方法相比，其不确定度小于1/10，达到了世界最高水平的精度(2019 年 1 月 17 日 AIST 新闻稿、2020 年 6 月 21 日 AIST 新闻稿）。此外，我们与大阪大学合作，一直致力于研究使用超表面的6G电磁波先进传播控制。此次，我们利用毫米波频段高精度材料测量技术，开发并演示了140 GHz频段超表面反射器。
这项研发是在国家研发机构新能源产业技术综合开发机构 (NEDO) 的支持下，根据“加强 5G 后信息通信系统基础设施的研发项目”(JPNP20017) 合同进行的。
开发的超表面反射器具有在背面覆盖有金属的电介质基板的表面上周期性排列亚毫米级金属贴片的结构（左侧示意图）。我们选择了在毫米波波段具有低损耗的环烯烃聚合物表面形成有镀铜金属层的介电基板。为了设计金属贴片的结构，我们使用平衡盘谐振器方法测量了介电基板的复介电常数和表面金属层的电导率。结果如图 2 所示。这次，通过外推材料参数频率依赖性高达 121 GHz 的测量结果，我们估计了 140 GHz 下的值，即超表面反射器的设计频率。
图2超表面反射器所用环烯烃聚合物基板的复介电常数和金属层电导率的测量结果
根据获得的材料参数，θ分别来自法线入射R=45°、60°和75°方向上异常反射。确定金属贴片的周期，以便在特定方向上发生异常反射。此外，为了提高特定方向的反射效率，通过使用针对微波频段提出的优化结构的设计方法，几乎完全抑制了不必要的反射，使得能量传播发生在反射器的平面内。所设计的超表面反射器（不包括材料损失）的效率超过 99%。该设计基于通过高精度材料测量获得的上述介电常数和电导率，确保了高可靠性。
我们对所设计的超表面反射器进行了原型设计并评估了其性能。如右示意图和图3所示，电磁波从发射天线垂直照射到反射板，改变接收天线的角度θ，获得反射率。图4为设计的异常反射方向（θ=θR)、可能发生不必要反射的镜面反射方向(θ=0°)、对称方向(θ=—θR)的反射率的频率依赖性的测量结果。接近 140 GHz，某个 θR方向反射较大且0°和-θR抑制了方向上不必要的反射，并确认了设计的异常反射特性。在这两个方向上不必要的反射之和最小的工作频率下（图4中的虚线），与异常反射相比，两个方向上不必要的反射分别被充分抑制到小于1/140、小于1/293和小于1/28，具体θR中的高效反射方向已经达到。这次，由于基于高精度材料参数的设计，工作频率与设计匹配良好，并且几乎按照设计表现出异常反射行为。
对于每个反射器，我们测量了工作频率下反射率的角度依赖性。举个例子，θR=60°设计的反射器的测量结果。这里，-40°≤θ≤40°的范围是由于实验系统的限制而无法测量的范围。图 5 所示的结果还表明了特定 60° 方向上的异常反射行为。在该实验系统中，天线与反射面的距离较近，入射波的波束直径较小。根据图5所示的结果，我们修正了实验系统的影响，并估计了实际环境下的效率，假设电磁波从远处的基站天线入射到大面积超表面反射器的整个表面上。超表面反射器的总反射效率（包括材料损耗）为84%，证实了高效率运行。类似地，θR=45°和75°设计的反射器分别具有88%和82%的高反射效率。
新开发的140GHz频段超表面反射器具有很高的安装自由度，可以在不破坏景观的情况下实现基站和终端之间的高效中继，有望为后5G/6G通信的低功耗和灵活的区域扩展做出贡献。
图3 用于超表面反射器性能评估的实验系统
图4 140GHz频段超表面反射器反射特性测量结果
(a)θR=45°设计，(b)θR=60°设计，(c)θR=75°设计。红线：θ=θR方向异常反射，绿线：θ=0°方向（镜面反射方向）不必要的反射，蓝线：θ=-θR方向（对称方向）上出现不需要的反射。
图 5 θR= 60° 设计的超表面反射器反射率角度依赖性的测量结果
阴影范围表示由于实验系统而无法测量的角度范围。
未来，我们将继续研发超表面反射器工作频率至300GHz、动态控制反射方向、多频段工作等先进功能，并着眼于后5G/6G无线通信的应用。