Haz dieléctrico artificial

May 30, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13793 (2023) Citar este artículo

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Diseñamos y fabricamos un prisma dieléctrico artificial que puede dirigir un haz de terahercios en el espacio e investigamos experimentalmente su comportamiento. El medio dieléctrico artificial consiste en una pila de placas metálicas espaciadas uniformemente, electromagnéticamente equivalente a una serie de guías de ondas de placas paralelas que funcionan en tándem. A una frecuencia de funcionamiento de 0,3 THz, observamos una desviación máxima del haz de 29°, limitada por la precisión de los espaciadores disponibles. La carga por resorte de los espaciadores entre las placas nos permite escanear el haz de forma continua y dinámica en un rango de 5°. Los mapas de intensidad del haz medidos en la entrada y salida del dispositivo revelan una muy buena calidad del haz gaussiano y una eficiencia energética estimada del 71%. Como posible aplicación en el mundo real, integramos el prisma en la ruta de un enlace de comunicación de terahercios en el espacio libre y demostramos un rendimiento impecable.

Los conceptos futuros de comunicaciones y sensores inalámbricos involucran cada vez más la banda de frecuencia de terahercios (0,1 a 10 THz). Por ejemplo, las frecuencias de terahercios o mayores son un elemento esencial de las comunicaciones de próxima generación (6G), en las que los anchos de banda de ~ 100 GHz se vuelven críticos para soportar las expectativas de velocidad de datos de terabits por segundo1. Para lograr sistemas inalámbricos prácticos de terahercios, numerosos estudios de investigación han abordado los desafíos de la absorción de ondas, la dispersión, el procesamiento de señales digitales, las redes, la seguridad, el control de acceso a los medios, el desarrollo de transceptores y más2,3. Otro desafío notable y fundamental es la pérdida de trayectoria en el espacio libre (FSPL). Debido a su escala con el cuadrado de la frecuencia, FSPL se vuelve claramente peor en el régimen de terahercios que en bandas de frecuencia más bajas. Esto afecta enormemente tanto a los sistemas de detección (por ejemplo, radar) como a los de comunicación, ya que requiere que los haces de terahercios sean altamente directivos para alcanzar distancias de propagación prácticamente significativas. En consecuencia, genera nuevos desafíos relacionados con la orientación del haz, la inquietud y la turbulencia. El escaneo (o dirección) de haz activo es la solución ofrecida, que inspira innumerables enfoques que incluyen matrices en fase, superficies difractivas o reflectantes reconfigurables y estructuras dispersivas4. Algunos ejemplos recientes incluyen un sistema óptico complejo que utiliza espejos5, dos basados ​​en metasuperficies sofisticadas6,7, uno basado en una lente de Luneburg8, uno basado en matrices en fase9, uno basado en una rejilla de difracción10 y uno basado en un prisma impreso en 3D11,12. . Muchos de ellos funcionan admirablemente, aunque pueden sufrir de baja eficiencia, mala calidad del haz, alta complejidad o ancho de banda limitado, particularmente si ofrecen control dinámico. En aplicaciones futuras, como las comunicaciones inalámbricas de próxima generación, será importante que los dispositivos de control de ondas eviten cuidadosamente la baja eficiencia13, las anomalías del haz (por ejemplo, entrecerrar los ojos) y la remodelación de la forma de onda debido a la pérdida y la dispersión temporal14.

Entre las soluciones que involucran estructuras dispersivas, los dieléctricos artificiales (AD) se vuelven muy atractivos. Los dieléctricos artificiales son medios creados por el hombre que imitan las propiedades de los medios dieléctricos naturales, o incluso manifiestan propiedades que generalmente no pueden aparecer en la naturaleza15. Por ejemplo, el índice de refracción, que suele tener un valor mayor que la unidad, puede tener un valor menor que la unidad en un AD. Estudios recientes16,17 han demostrado que los AD proporcionan vías poderosas para el control de ondas de terahercios, análogas a los metamateriales, pero con ventajas prácticas como pérdidas de absorción muy reducidas y una complejidad de fabricación significativamente reducida. Estas propiedades se manifiestan en nuevos diseños de divisores de haz y aisladores de terahercios basados ​​en AD, cuyas especificaciones rivalizan incluso con dispositivos de ondas ópticas maduros17.

Explotando este concepto de AD, aquí diseñamos y fabricamos un prisma dinámico de escaneo de haz para la región de terahercios e investigamos experimentalmente su comportamiento. En comparación con la mayoría de los escáneres de haz, nuestro dispositivo AD es mucho más simple, lo que da como resultado una calidad de haz superior, mayor eficiencia energética y baja dispersión temporal. Prevemos que este trabajo será importante para avanzar en las comunicaciones inalámbricas de terahercios, las imágenes y la teledetección. En el caso de las comunicaciones inalámbricas, las ondas de terahercios están cada vez más preparadas para su adopción en enlaces punto a punto, como las aplicaciones de backhaul18. En tales escenarios, la capacidad de dirigir de manera óptima un haz de transmisor a una ubicación de receptor es primordial, especialmente si el receptor es móvil o el canal se ve afectado por la fluctuación.

El diseño y fabricación del prisma de escaneo de haz se ilustra en la fila superior de la Fig. 1, donde el medio AD consiste en una pila de placas metálicas. Cada placa tiene forma de triángulo rectángulo isósceles y está fabricada con acero inoxidable de 100 µm de espesor. El prisma se ensambla con una separación uniforme b entre las placas mediante espaciadores de acero inoxidable. Tanto las placas como los espaciadores se fabrican mediante un proceso de grabado químico para evitar tensiones o rebabas, y también para mantener su planitud. El dispositivo se ensambla apilando las placas y los espaciadores alternativamente a lo largo de tres varillas de montaje ubicadas en las esquinas del triángulo. Una vez ensamblada, esta disposición de placas apiladas tiene una abertura con una altura que es suficientemente grande para acomodar un haz de entrada con un diámetro de campo gaussiano 1/e de 10 mm.

Prisma dieléctrico artificial. Las ilustraciones de la fila superior (de izquierda a derecha) muestran el esquema, una representación 3D exagerada y una fotografía del prisma fabricado. El área gris en el esquema indica el haz de terahercios. Los espaciadores no se muestran en la representación para mayor claridad. Las ilustraciones de la fila inferior (de izquierda a derecha) muestran los análisis de rayos ópticos de los prismas de primera y segunda generación, y una fotografía del prisma de segunda generación fabricado.

Como se muestra en el esquema de la Fig. 1, un haz de terahercios que ingresa al prisma con incidencia normal se propagará a través del prisma mientras experimenta un índice de refracción efectivo dado por n = [1 − (c/2bf)2]0,5, donde c es la velocidad en el espacio libre y f es la frecuencia de funcionamiento1,19. Tenga en cuenta que, según esta expresión teórica, el índice de refracción puede tener cualquier valor entre cero y la unidad mediante una elección adecuada de b. En la cara de salida, el haz encuentra un desajuste de índice, pasando del medio AD (n <1) al espacio libre (n = 1). Por lo tanto, de manera similar a un prisma de vidrio que puede doblar un haz de luz, este prisma AD doblará un haz de terahercios cuando sale del prisma de acuerdo con la ley de Snell. Cuando n es cercano a la unidad, el haz saldrá del prisma por AB, y cuando n es cercano a cero, el haz saldrá por AC. Así, simplemente variando la separación de las placas (es decir, comprimiendo y expandiendo el conjunto de placas), es posible dirigir el haz de salida en un ángulo total de 45°.

Se llevaron a cabo estudios experimentales en un dispositivo de prueba [que se muestra arriba a la derecha en la Fig. 1] utilizando un sistema de terahercios pulsados ​​​​acoplados por fibra en una configuración de transmisión. La Figura 2 muestra el diagrama esquemático de la configuración experimental junto con una fotografía de la configuración real. De manera similar al esquema que se muestra en la Fig. 1, se acopló un haz de terahercios bien colimado perpendicular a la cara de entrada del prisma. El campo eléctrico de entrada se polarizó paralelo a las placas para excitar el modo eléctrico transversal de orden más bajo (TE1) de las guías de ondas de placas paralelas (PPWG) que constituyen la pila de placas20. Se utilizó un polarizador de rejilla para mejorar la pureza de la polarización lineal del haz de entrada. Si bien esta configuración no prohíbe estrictamente la excitación de algunos modos de orden superior, desde un punto de vista práctico, se ha verificado que sólo el modo TE1 se excita significativamente20. La cara de entrada del prisma estaba situada en el foco de una lente de polietileno (que tenía una distancia focal de 15 cm) fijada al cabezal del transmisor. Se colocó una abertura de 12 mm de diámetro (con un fondo de lámina de aluminio) en la entrada para definir el eje del haz y evitar cualquier fuga de energía alrededor del prisma. Durante el experimento, la señal de salida se detectó en varias posiciones angulares escaneando el receptor en el plano azimutal a lo largo del arco BC, equidistante de A. Debido a la apertura finita (6 mm de diámetro) del receptor, solo una parte de la señal radiada Se recogió un haz de terahercios de banda ancha en cada posición angular.

Configuración experimental. (a) Diagrama esquemático. (b) Fotografía de la instalación real.

Las Figuras 3 (a) y (b) muestran respectivamente un conjunto representativo de señales temporales detectadas y sus espectros de amplitud transformados por Fourier para b = 0,8 mm. Las formas de onda de la señal muestran un chirrido negativo (las altas frecuencias llegan antes en el tiempo) característico del comportamiento de propagación esperado en el modo TE120. A medida que aumenta el ángulo de detección, hay un desplazamiento hacia el rojo del espectro, lo que implica que las frecuencias más bajas tienden a refractarse más para una separación de placas determinada.

Resultados experimentales. (a) Señales detectadas en varias posiciones angulares para b = 0,8 mm. (b) Espectros de amplitud correspondientes. (c) Gráficos polares azimutales medidos del haz de salida a 0,3 THz para separaciones de placas que disminuyen de 2 a 0,8 mm en comparación con el caso sin dispositivo.

De manera similar, para cualquier frecuencia única, el ángulo de desviación azimutal varía con la separación de las placas. Al extraer amplitudes espectrales individuales de los datos medidos de banda ancha, podemos construir los gráficos polares azimutales del haz de salida para varias separaciones de placas. Estos resultados se dan en la Fig. 3 (c) para 0,3 THz, la frecuencia de diseño. Cada uno de estos gráficos se obtuvo midiendo exploraciones en el dominio del tiempo para 66 posiciones azimutales en incrementos de 1° para generar el patrón de radiación polar. El caso “Sin dispositivo” define el eje del haz de entrada a 0°, y este caso se compara con las situaciones en las que el prisma se montó con separaciones de placas progresivamente decrecientes. Observamos una dirección clara del haz de salida, donde el ángulo de refracción aumenta a medida que b disminuye. Esta interdependencia es consistente con la expresión teórica anterior, ya que una disminución de b disminuye n, lo que a su vez aumenta el ángulo de escaneo debido a un mayor desajuste del índice. Además, con base en estos gráficos polares experimentales, estimamos un ángulo de media potencia de 4° para todos los haces azimutales. La apertura de entrada del dispositivo es suficientemente mayor que el diámetro del haz de entrada y, por lo tanto, el dispositivo no tiene impacto en la dispersión del haz de salida, que es esencialmente la dispersión en el espacio libre (sin dispositivo) del haz de entrada que también es de 4°.

Aunque los resultados de estas pruebas estáticas fueron prometedores, el dispositivo mencionado anteriormente tenía algunas deficiencias. Por ejemplo, dado que la planitud de las placas jugó un papel importante en la determinación de las propiedades electromagnéticas equivalentes del dispositivo, el rendimiento se degradó cuando pasamos a separaciones de placas más pequeñas. Esto se debió a que las irregularidades en el espaciamiento de las placas se volvieron apreciables a valores más pequeños de la separación, causando que la deflexión observada se desviara significativamente del valor teóricamente esperado. Por lo tanto, para superar estos problemas, diseñamos y fabricamos un prisma optimizado.

El desarrollo de este prisma de segunda generación se ilustra en la fila inferior de la Fig. 1. En este nuevo diseño, utilizamos tanto la cara de entrada como la de salida para doblar la viga, a diferencia del primer diseño donde la flexión se produjo solo en la cara de salida. Por lo tanto, aquí el haz ingresa al prisma a 45° y ya no tiene una incidencia normal como en el diseño original. Realizamos un proceso de optimización del diseño mediante óptica de rayos como se muestra en la Fig. 1, utilizando análisis directo y simulaciones numéricas. En el nuevo diseño, en b = 0,8 mm, el ángulo de deflexión teórico para un haz de 0,3 THz es de 31°, mientras que en el diseño original es de sólo 11°. Por tanto, esta nueva geometría nos permitió obtener un ángulo de desviación mayor para una separación de placas determinada. También hicimos que el nuevo diseño fuera más compacto al reducir la extensión total de las placas individuales, minimizando así la variación de planitud. Los gráficos polares azimutales medidos que se muestran en la Fig. 3 (c) son los obtenidos con este prisma de segunda generación.

El ángulo de deflexión experimental observado para este prisma de segunda generación se representa en la Fig. 4 (a) como puntos rojos, en comparación con la predicción teórica dada por la curva negra. Esta comparación muestra una muy buena concordancia entre experimento y teoría, con una desviación experimental máxima de 29°, limitada únicamente por la precisión de los espaciadores disponibles. De hecho, la teoría predice ángulos de deflexión superiores a 45°, lo que debería ser prácticamente factible dada la estrecha coincidencia entre la teoría y el experimento. Además, los recuadros en la Fig. 4 (a) ilustran los mapas de intensidad del haz 2D medidos en la entrada (panel izquierdo) y la salida (panel derecho) del prisma para b = 1,2 mm. Estos mapas se generaron mediante escaneo ráster del receptor (fijado con una apertura de 1 mm para mejorar la resolución espacial) en el plano vertical en una cuadrícula cuadrada de 2 cm con un tamaño de paso de 0,5 mm. Estos mapas se generaron a 0,3 THz y demuestran que tanto el haz de entrada como el de salida tienen perfiles gaussianos (aunque con una pequeña asimetría en el haz de salida) y, por tanto, una buena calidad del haz. Estos mapas de intensidad también nos permiten estimar la eficiencia energética general del dispositivo, revelando una eficiencia del 71% para el prisma con una separación de placas de 1,2 mm.

(a) Deflexión del haz versus separación de placas b para el prisma de segunda generación. Los recuadros muestran los mapas de intensidad del haz de entrada y salida medidos a 0,3 THz. (b) Vista de cerca de la región rectangular discontinua del gráfico en (a). El recuadro inferior muestra una fotografía del resorte ortoplanar. El recuadro superior muestra una sección transversal que ilustra el mecanismo de varilla y resorte. Las áreas discontinuas en rojo y azul indican dos arandelas unidas al resorte ortoplanar.

Como extensión de la prueba estática, en un experimento separado, incorporamos escaneo dinámico al prisma cargando por resorte los espaciadores de precisión que están intercalados entre las placas. Para variar continuamente la separación de la placa, se aplicó presión mecánica externamente al conjunto de la placa. Estos resultados experimentales también se representan en la Fig. 4 (a) como puntos azules, con una vista de primer plano de la región de interés que se muestra en la Fig. 4 (b). Los recuadros en la Fig. 4 (b) ilustran el mecanismo de resorte basado en lo que se conoce como resortes ortoplanares21. Se trata de resortes de alta precisión que se cortan a partir de láminas metálicas planas, en este caso de acero inoxidable de 100 µm de espesor. El recuadro superior muestra una sección transversal del resorte y la varilla de montaje, mientras que el recuadro inferior muestra una fotografía del resorte ortoplanar real. La acción del resorte se logra desplazando mecánicamente el círculo interior del resorte del círculo exterior.

El diámetro exterior de cada resorte ortoplanar es de sólo 6 mm, exactamente el mismo tamaño que el diámetro de los espaciadores fijos utilizados en la prueba estática. Por lo tanto, reemplazar los espaciadores fijos con los resortes ortoplanares no afecta las dimensiones laterales de los espacios de aire a través de los cuales se propaga el haz y, por lo tanto, no causa interferencia al haz. Además, como se ve en las fotografías de la Fig. 1, el prisma consta de una placa inferior y una placa superior fabricadas en aluminio anodizado. En el experimento, la placa inferior está fijada en el espacio y lleva tres varillas de montaje (verticales) en las esquinas del triángulo para soportar el conjunto de la placa. Cada placa de acero inoxidable (más la placa superior) tiene tres orificios de montaje que se alinean con precisión con estas varillas. En la prueba dinámica se retiran los tres tornillos que sujetan la placa superior de aluminio, de manera que esta placa pueda deslizarse libremente a lo largo de las tres varillas de montaje. Luego, con los resortes ortoplanares instalados entre las placas, se aplica un desplazamiento mecánico a esta placa superior a través de un brazo actuador micrométrico fijado a esta placa, asegurándose al mismo tiempo que el eje de movimiento sea exactamente vertical. Esto asegura que el desplazamiento mecánico se distribuya equitativamente en las tres esquinas, comprimiendo y descomprimiendo simultáneamente todo el conjunto de placa al unísono.

Como lo muestran los puntos azules en la Fig. 4 (b), al usar esta estructura, demostramos con éxito una deflexión controlada con precisión del haz de terahercios en incrementos de 1 ° al variar continuamente la separación de las placas. De este modo, se demostró la capacidad de escanear continuamente el haz de forma dinámica, lo que sería necesario en un dispositivo completamente funcional. En este experimento, el desplazamiento se limitó a 100 µm (b disminuyó de 1,0 a 0,9 mm), para garantizar que el resorte funcionara dentro de su régimen elástico. Esta demostración también confirmó que la acción de todos los resortes era uniforme, de modo que los espacios entre las placas también permanecían uniformes durante la compresión (y expansión) del conjunto de placas. Si no hubiera sido uniforme durante la operación dinámica, los gráficos polares experimentales (que se utilizaron para extraer la deflexión del haz) habrían mostrado signos de lóbulos laterales en los patrones de radiación. Este no fue el caso, y las formas de los gráficos polares derivados fueron casi idénticas a las que se ven en la Fig. 3 (c), lo que confirma una operación limpia y uniforme.

Para demostrar una posible aplicación del prisma en el mundo real, se establecieron varios enlaces de comunicación de terahercios incorporando el prisma, y ​​en la Fig. 5 se muestran algunas fotografías de estas configuraciones experimentales. Estas demostraciones de comunicación en espacio libre se realizaron utilizando un sistema de terahercios dedicado22 que podría generar una onda de frecuencia portadora de 0,3 THz (frecuencia de diseño del prisma) y modularla digitalmente a velocidades de datos de hasta 20 Gbps mediante codificación de cambio de fase binaria (BPSK). Usando este sistema, realizamos mediciones de Bit-Error-Rate (BER) que revelaron cuantitativamente la fidelidad del enlace de comunicación y produjimos "diagramas de ojo" para una evaluación cualitativa. La Figura 5 (a) muestra un enlace de comunicación con una línea de visión de 0,5 m entre el prisma y el receptor con una lente de polietileno para mejorar el acoplamiento. La Figura 5(b) ofrece una vista de cerca del prisma y la antena de bocina conectada al transmisor en esta configuración. La Figura 5(c) muestra otro enlace de comunicación con una trayectoria de reflexión de 7,5 m, donde el haz de terahercios se refleja en el panel de yeso terminado (pintado, sin textura) del pasillo. En la Fig. 5 (d) se muestra una vista de primer plano que muestra el prisma, el transmisor, el receptor y las lentes de acoplamiento en esta configuración. En todos estos experimentos, la separación de las placas del prisma fue de 1,2 mm, correspondiente a una desviación del haz de 14°. Una vez establecidos los enlaces de datos, se realizaron mediciones de BER mientras se variaba sistemáticamente la potencia del transmisor, la longitud del camino o la velocidad de datos para un estudio exhaustivo.

Demostraciones de comunicación de terahercios. (a) Enlace de comunicación con una trayectoria de línea de visión de 0,5 m. (b) Vista de primer plano del prisma y la antena de bocina diagonal conectada al transmisor. (c) Enlace de comunicación con una trayectoria de reflexión de 7,5 m, donde el haz de terahercios se refleja en los paneles de yeso terminados. (d) Vista de primer plano del enlace de 7,5 m desde el lado opuesto que muestra el prisma, el transmisor, el receptor y las lentes de acoplamiento.

La Figura 6 presenta los resultados de las demostraciones de comunicación de datos que incorporaron el prisma. El gráfico de la izquierda muestra la BER medida frente a la SNR para un enlace de 0,5 m con una velocidad de datos de 10 Gbps mientras se varía la potencia del transmisor. El gráfico de la derecha muestra la BER medida frente a la SNR para un enlace de 1,0 m con una potencia de transmisión constante mientras se varía la velocidad de datos de 1 a 19 Gbps. Estos valores medidos (círculos azules) se comparan con curvas teóricas (rojas) basadas en una teoría bien establecida para enlaces de comunicación digital en espacio libre23. La muy buena concordancia entre los valores medidos y teóricos implica que el prisma no perjudica el rendimiento de las conexiones de comunicación. Estos gráficos revelan valores de BER medidos de hasta 10-7, lo que significa que sólo uno de cada diez millones de bits del flujo de entrada tiene errores en la salida de datos demodulados, un valor excelente para la comunicación en espacio libre. Además, los diagramas de ojo representativos que se muestran en la Fig. 6 corresponden a velocidades de datos de 2 Gbps (panel superior) y 8 Gbps (panel inferior) para el enlace de 1,0 m. Aquí, las claras aberturas oculares indican cualitativamente una vez más una comunicación de alta fidelidad a través del prisma AD.

Resultados de las demostraciones de comunicación de terahercios. El gráfico de la izquierda muestra la BER frente a la SNR para un enlace de 0,5 m con una velocidad de datos de 10 Gbps mientras se varía la potencia del transmisor. El gráfico de la derecha muestra la BER frente a la SNR para un enlace de 1,0 m con una potencia de transmisión constante mientras se varía la velocidad de datos de 1 a 19 Gbps. Los diagramas de ojo corresponden a velocidades de datos de 2 Gbps (superior) y 8 Gbps (inferior).

Es importante considerar el ancho de banda permitido del dispositivo, que está determinado por el desplazamiento angular del haz cuando la señal se superpone a la frecuencia portadora para una separación de placas determinada. Suponiendo que el detector acepta un medio ángulo de 4°, teóricamente hemos estimado el rango de este ancho de banda para una portadora de 0,3 THz. Este ancho de banda transmisible varía de 30 a 150 GHz, lo que corresponde a una separación de placas de 0,8 mm (con una desviación nominal de la portadora de 31°) y una separación de placas de 2 mm (con una desviación nominal de la portadora de 5°), respectivamente. Con una separación de placas de 1,2 mm (con una desviación nominal de la portadora de 14°), es decir, cuando el prisma se integró en el canal de comunicación, puede soportar un ancho de banda de 70 GHz, muy por encima de lo necesario para los datos máximos demostrados experimentalmente. tarifas.

Demostramos experimentalmente que un haz de 0,3 THz se puede dirigir en un ángulo de 29 ° utilizando un prisma AD, donde este ángulo de deflexión está limitado únicamente por la precisión de los espaciadores. Los resultados de estas pruebas de escaneo estático demuestran que realmente podemos escanear un haz de terahercios en el espacio comprimiendo y expandiendo el conjunto de placa del prisma AD. Para demostrar un posible escaneo dinámico del haz, también llevamos a cabo experimentos con espaciadores accionados por resorte, demostrando un escaneo continuo del haz en pasos de 1°. Además, los mapas de intensidad del haz de entrada/salida medidos revelaron una calidad del haz muy buena y una eficiencia energética general estimada del 71% (pérdida de inserción de 1,5 dB). Finalmente, para demostrar su uso en una aplicación del mundo real, integramos el prisma en la ruta de un enlace de comunicación de terahercios en el espacio libre y demostramos un rendimiento impecable. Esta demostración destaca su uso potencial en futuros sistemas de comunicación inalámbrica 6G punto a punto que requieren haces de terahercios escaneados o correcciones de puntería, abarcando aplicaciones que van desde receptores móviles hasta enlaces de retorno afectados por jitter y vibraciones del mástil de la antena. En conclusión, esta investigación experimental demuestra otra poderosa vía de control de ondas de terahercios utilizando AD.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Jiang, W., Han, B., Habibi, MA y Schotten, HD El camino hacia 6G: un estudio exhaustivo. IEEE Open J. Commun. Soc. 2, 334 (2021).

Artículo de Google Scholar

Saad, W., Bennis, M. & Chen, M. Una visión de los sistemas inalámbricos 6G: aplicaciones, tendencias, tecnologías y problemas de investigación abiertos. Red IEEE. 34, 134 (2019).

Artículo de Google Scholar

Raghavan, V. & Li, J. Evolución de la investigación de las comunicaciones de capa física en la era posterior al 5G. Acceso IEEE 7, 10392 (2019).

Artículo de Google Scholar

Monnai, Y., Lu, X. y Sengupta, K. Dirección del haz de terahercios: desde los fundamentos hasta las aplicaciones. J. Molino de infrarrojos. Ondas de terahercios https://doi.org/10.1007/s10762-022-00902-1 (2023).

Artículo de Google Scholar

Grajal, J. et al. Radar de imágenes tridimensionales de alta resolución a 300 GHz con FoV mejorado. Traducción IEEE. Microondas. Teoría Tecnológica. 63, 1097 (2015).

ADS del artículo Google Scholar

Hashemi, MRM, Yang, SH, Wang, T., Sepulveda, N. y Jarrahi, M. Dirección del haz controlada electrónicamente a través de metasuperficies de dióxido de vanadio. Ciencia. Rep. 6, 35439 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Venkatesh, S., Lu, X., Saeidi, H. y Sengupta, K. Una metasuperficie holográfica de terahercios escalable y programable de alta velocidad basada en chips CMOS en mosaico. Nat. Electrón. 3, 785 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Sato, K. & Monnai, Y. Dirección del haz de terahercios basada en la desviación de la trayectoria en una lente de Luneburg sin dieléctrico. Traducción IEEE. Ciencia de terahercios. Tecnología. 10, 229 (2020).

ADS del artículo Google Scholar

Monroe, Nuevo México y col. Formación electrónica de haz de lápiz THz y dirección 2D para operación de alta resolución angular: un reflectarray CMOS de 98x98 unidades de 265 GHz con conformación de haz digital en la unidad y corrección de estrabismo. Conferencia internacional de circuitos de estado sólido (ISSCC) del IEEE 2022, 65, 1 (2022).

Seifert, JM, Hernandez-Cardoso, GG, Koch, M. & Castro-Camus, E. Dirección del haz de terahercios utilizando una rejilla de difracción activa fabricada mediante impresión 3D. Optar. Exp. 28, 21737 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Busch, SF, Castro-Camus, E., Beltran-Mejia, F., Balzer, JC & Koch, M. Prismas impresos en 3D con dispersión sintonizable para el rango de frecuencia de THz. J. Millim infrarrojo. Ondas de terahercios 39, 553 (2018).

Artículo de Google Scholar

Goy, C., Scheller, M., Scherger, B., Wallace, VP y Koch, M. Prisma de guía de ondas de terahercios. Optar. Exp. 21, 19292 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Kanhere, O. y col. Una métrica de eficiencia energética para comparar el consumo de energía en futuras redes inalámbricas en las bandas de ondas milimétricas y terahercios. Cable IEEE. Comunitario. 29, 56 (2022).

Artículo de Google Scholar

Strecker, K., Ekin, S. y O'Hara, JF Límites fundamentales de rendimiento en enlaces inalámbricos de terahercios impuestos por la dispersión de velocidad del grupo. Traducción IEEE. Ciencia de terahercios. Tecnología. 12, 87 (2022).

ADS del artículo Google Scholar

Collin, Teoría del campo RE de ondas guiadas (IEEE Press, 1991).

MATEMÁTICAS Google Scholar

Mendis, R., Nagai, M., Wang, Y., Karl, N. y Mittleman, DM Lente dieléctrica artificial de terahercios. Ciencia. Rep. 6, 23023 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mendis, R., Nagai, M., Zhang, W. y Mittleman, DM Polarizador dieléctrico artificial: divisor de haz y aislador para la región de terahercios. Ciencia. Rep. 7, 5909 (2017).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Singya, PK, Makki, B., D'Errico, A. & Alouini, MS Red de retorno híbrida basada en FSO/THz para comunicación terrestre mmWave. Traducción IEEE. Alambre. Comunitario. https://doi.org/10.1109/TWC.2022.3224331 (2022).

Artículo de Google Scholar

Mendis, R. & Mittleman, DM Un dieléctrico artificial bidimensional con 0 ≤ n <1 para la región de terahercios. Traducción IEEE. Microondas. Teoría Tecnológica. 58, 1993 (2010).

ADS del artículo Google Scholar

Mendis, R. & Mittleman, DM Comparación de los modos eléctrico transversal (TE1) y magnético transversal (TEM) de orden más bajo de la guía de ondas de placas paralelas para aplicaciones de pulsos de terahercios. Optar. Exp. 17, 14839 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Parise, JJ, Howell, LL y Magleby, SP Resortes de movimiento lineal ortoplanar. Mec. Mach. Teoría 36, ​​1281 (2001).

Artículo MATEMÁTICAS Google Scholar

https://twister.okstate.edu/facilities

Goldsmith, A. Comunicaciones inalámbricas (Cambridge University Press, 2005).

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Este material se basa en el trabajo respaldado por la Fundación Nacional de Ciencias bajo las Becas de Investigación para Graduados Nos. 1746055, 2018110 y 2238132. Cualquier opinión, hallazgo y conclusión o recomendación expresada en este material son las de los autores y no reflejan necesariamente la opiniones de la Fundación Nacional de Ciencias.

Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Estatal de Oklahoma, Stillwater, OK, 74078, EE. UU.

Karl Strecker, Matthew Otto y John F. O'Hara

Escuela de Graduados en Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Osaka, Toyonaka, Osaka, 560-8531, Japón

feliz nagai

Riverside Research, Centro de Innovación Abierta, Beavercreek, OH, 45431, EE. UU.

Rajind Mendis

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RM concibió el concepto original y todos los autores contribuyeron al diseño e implementación del estudio. MN fabricó los dispositivos. KS, MO, JFO y RM realizaron los experimentos, simulaciones y análisis. RM y JFO escribieron el manuscrito con contribuciones de todos los autores.

Correspondencia a Rajind Mendis.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Strecker, K., Otto, M., Nagai, M. et al. Prisma de escaneo de haz dieléctrico artificial para la región de terahercios. Informe científico 13, 13793 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41046-z

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Recibido: 04 de mayo de 2023

Aceptado: 21 de agosto de 2023

Publicado: 23 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41046-z

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