NEDO的“后5G信息通信系统基础设施强化研究开发项目/领先研究（委托）”（以下简称“本项目”），米乐m6官方网站（AIST）、TDK株式会社、大阪大学基础研究科工学研究科（大阪大学）从事太赫兹波段超表面反射器的研究开发，预计将用于拓展后5G/6G通信领域，近期开发了超表面反射器太赫兹频段评估装置（以下简称本装置）。该装置由一个偏置格里高利天线组成，可产生伪平面波，并能够通过紧凑的设置对平面波照射下的超表面反射器进行性能评估。此外，利用该器件，我们成功开发并演示了一种双频超表面反射器，该反射器可在220 GHz和293 GHz频段工作，预计将用于6G。
未来，我们将利用该设备的高精度反射面评估技术，进一步提高超表面反射面的功能和效率，为无需增加基站即可灵活扩展后5G/6G通信区域奠定技术基础。
图1 反射器太赫兹频段评估装置（左）和评估装置中使用的偏置格里高利天线（右）
太赫兹波段※1由于障碍物的屏蔽作用，通信区域受到限制。在其内部，电磁波可以向特定方向反射超表面反射器※2通信区域扩展技术研究正在进步。在现有建筑物的墙壁和窗户上安装超表面反射器，将远处的基站天线发射的平面波反射到特定方向，从而通过建立绕过障碍物的通信路径来扩大通信范围，即使在有障碍物阻挡的区域也是如此（图2）。为了评估与实际使用等效的平面波照射下的超表面反射器，通常需要在发射电磁波的天线与超表面反射器之间保持足够的距离。特别是在太赫兹频段，反射器的尺寸相对于波长来说极大，所需的传输距离达到几十米，使得在相当于实际使用的条件下评估超表面反射器的性能变得困难，这一直是太赫兹频段超表面反射器发展的障碍。
图2 利用超表面反射器扩大通信区域示意图
基于这一背景，NEDO这个项目※3中，AIST、TDK和大阪大学开发了这种装置，可以准确、轻松地评估太赫兹波段超表面反射器的反射性能。该装置产生伪平面波偏移公历天线※4并能够在平面波照射下对超表面反射器进行性能评估，相当于通过紧凑的装置实际使用。此外，通过利用该装置的高精度反射器评估技术，它可以将预计在6G中使用的220 GHz和293 GHz频段的电磁波沿同一方向高效反射。双频※5我们已经成功开发并演示了超表面反射器。
在开发这项技术时，AIST负责反射器评估装置的开发以及双波段超表面反射器的设计和评估，TDK负责双波段超表面反射器的原型制作，大阪大学负责双波段超表面反射器的理论提案。
此外，该技术的详细信息将于2023年12月7日发表在学术期刊《IEEE 访问※6
(1)反射器太赫兹波段评价装置的研制
此设备已开发。抛物面镜※7、椭圆镜※8其后面的馈电天线会产生伪平面波（图 1）。通过将生成的伪平面波照射到反射体样品上，可以评价在高达330GHz的宽频带的平面波照射下的反射特性。从天线辐射电场的幅度和相位分布测量结果（图3）获得的伪平面波束尺寸达到约250毫米的直径，使得评估大型反射器样品成为可能。
如果照射样品的光束不是平面波而是具有不均匀的相位分布，则无法准确评估与实际使用相当的反射性能。相当于该装置的一般伪平面波波纹喇叭天线※9生成，估计天线和反射器样本之间的距离必须至少为30 m，但使用该设备，偏移格里高利天线和样本之间的距离约为09 m。
图3 该装置产生的伪平面波的二维电场分布（左：幅度，右：相位）
(2) 工作频率为 220/293 GHz 的双频段超表面反射器的开发和演示
利用该器件，我们开发了工作在220 GHz和293 GHz的双频超表面反射器，预计将用于6G，并进行了演示测试。所开发的双波段超表面反射器优化了介质基板表面形成的金属周期性结构并控制高阶衍射模式，实现了在两个频率下沿同一方向高效反射的双波段异常反射行为（图4）。为了确保在太赫兹频段工作，金属周期结构的原型误差保持在4μm或更小。当我们使用该器件在入射角为 0°、反射角为 45° 的原型上测试反射功率比的角度依赖性时，在 220 GHz 和 293 GHz 频段均观察到所需方向上的强反射（图 4，底部）。其他方向上不必要的反射得到了充分抑制，两个频率的反射效率都达到了80%以上，证实了可用于实际应用的高效运行。此外，测量的反射特性与设计非常吻合。这些结果证实了除了高精度原型之外，新开发的反射器太赫兹波段评估装置的有用性。
图4 双频超表面反射器的操作（左上）、原型机（右上）和反射特性测量结果（下）
AIST、TDK 和大阪大学将利用新开发的高达 330 GHz 的反射器评估技术来推进研究和开发，以进一步提高太赫兹波段超表面反射器的功能和效率。通过这一点，我们的目标是以低功耗和灵活性扩大后5G/6G通信覆盖范围。
NEDO 旨在通过继续开发将成为与后 5G 兼容的信息和通信系统核心的技术（包括该技术），加强日本后 5G 信息和通信系统的开发和制造基础。