多路径干扰破坏无线信号，导致如电视影像重影和信号衰减等问题。研究人员现在开发了一种被动超表面，克服了传统过滤的限制。该超表面使用了一种时间变化的互锁机制与场效应晶体管配合，能够在不需要电力或处理的情况下，传递第一信号同时阻挡来自其他角度的延迟信号。这一创新实现了低成本、可靠的无线通信，非常适合物联网应用和容易受到干扰的环境。
无线通信的演变和电路的微型化从根本上改变了我们的生活和数字环境。然而，随着我们向更高频率的通信推进，工程师面临多路径传播带来的越来越大的挑战——一种现象，即同一无线信号通过多条路径到达接收天线，通常伴随时间延迟和幅度变化。多路径干扰导致了许多可靠性问题，从电视广播中的“重影”到无线通信中的信号衰减。
解决多路径干扰长期以来面临两个基本物理挑战。首先，多路径信号与“主”信号共享相同的频率，这使得传统的基于频率的过滤技术无效。其次，这些信号的入射角是可变和不可预测的。这些限制使得被动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，对于给定频率，保持相同的散射特性，无论信号何时到达。此外，在没有需要额外电源的主动控制系统的情况下，传统滤波器在任意给定频率下的角度依赖性仍然是固定的。
在这样的背景下，由日本名古屋工业大学的助理教授若月浩树领导的研究团队开发了一种突破性的解决方案，以克服这些限制。他们的论文由大阪大学的猿渡俊介和京都大学的仁津基一共同撰写，于2025年4月14日在《物理评论快报》上发表。
该团队设计了一种基于被动超表面的过滤系统，利用创新的时间变化互锁机制突破了LTI限制。设计中采用了内部耦合电路元件的超表面面板，包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）。该系统充当屏障，只允许第一波入射波通过，同时拒绝来自其他角度的时间延迟信号——这一切无需活跃的偏置或控制系统。
关键的创新在于超表面如何在没有主动组件的情况下创造时间变化的响应。每个单元格置于面板上，面向特定方向，包含一个作为动态开关的MOSFET，根据晶体管的栅源电压创造开路点或短路。当地第一信号到达时，它维护超表面面板的共振，强烈传递入射信号。然而，第一信号也触发其他面板中单元格的内部电路配置变化，有效改变空间阻抗以拒绝来自不同角度的后续信号。
这一机制通过使用具有两个互锁超表面单元格的六棱柱结构和置于棱柱内的接收器的模拟和实验得到了验证。棱柱的相邻侧分别接收来自不同发射器的信号，并带有时间延迟，模拟了一个现实的多路径场景。
在概念验证实验中，研究人员展示了他们的方法将第一入射信号的幅度增强约10 dB，同时成功抑制后续波，无论它们的到达方向如何。这一突破代表了第一个能够克服信号具有相同频率和可变入射角所施加的两个物理限制的被动过滤设计。
“我们的工作机制与之前报告的设计完全不同，”若月说道。“这种方法相比传统技术具有优势，因为我们的设计不需要大量计算和调制/解调电路。因此，它适合低成本应用场景，例如物联网设备。”此外，与基于自适应阵列的现有硬件方法不同，这一创新策略不需要额外的直流能量源。虽然当前原型使用简化的天线设计和商业二极管产品，但团队认为可以通过先进的半导体技术和优化配置进一步增强性能。
值得注意的是，除了应对多路径问题外，这种互锁方法在自主控制各种类型的电磁设备方面显示出潜力，可能会彻底改变物联网应用中计算资源有限的无线通信系统。“我们被动滤波器设计的概念有可能创造出新一代无线频率设备和应用，包括天线、传感器、成像设备和可重构智能表面，”若月解释道。“特别是，我们的被动互锁解决方案在多功能、低成本的通信设备中找到了有效应用，这些设备由于其庞大的计算资源和高昂的成本，无法采用传统的调制或信号处理方法。”
随着无线通信技术的持续进步，世界可能变得越来越相互连接。
