中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
物聯(lián)網(wǎng)傳感器對于可視化多維和多模態(tài)信息以及實(shí)現未來(lái)的信息技術(shù)（IT）應用/服務(wù)（例如網(wǎng)絡(luò )物理空間、數字孿生、自動(dòng)駕駛、智慧城市、虛擬現實(shí)/增強現實(shí)）至關(guān)重要。然而，物聯(lián)網(wǎng)傳感器需要無(wú)電池化，才能在實(shí)際應用中管理和維護越來(lái)越多的可用傳感設備。
近日，日本名古屋工業(yè)大學(xué)（Nagoya Institute of Technology）的研究人員提出了一種新穎的傳感器設計方法，該方法采用超構表面來(lái)實(shí)現多功能傳感，而無(wú)需外部電源。重要的是，與現有的基于超構表面的傳感器不同，所設計的超構表面即使在固定頻率下也可以通過(guò)打破時(shí)域中的經(jīng)典諧波振蕩來(lái)感測多個(gè)物理參數，使所開(kāi)發(fā)的傳感器能夠在有限的頻率資源下使用。這項研究為感測多種物理特性提供了新的機會(huì )，并且無(wú)需依賴(lài)于外部電源或需要多個(gè)頻率，顯著(zhù)簡(jiǎn)化和促進(jìn)了下一代無(wú)線(xiàn)通信系統的設計。相關(guān)研究成果以“Metasurface-enabled multifunctional single-frequency sensors without external power”為題發(fā)表在NPG Asia Materials期刊上。
本研究提出的基于超構表面的傳感器概念圖
與傳統的結構不同，本文所設計的超構表面是無(wú)源的，但由于集總瞬態(tài)電路元件，更具體地說(shuō)，是由于其電路參數（例如電容和電阻），即使在固定頻率下也能夠打破經(jīng)典的諧波振蕩。特別是，隨著(zhù)電容和電阻根據周?chē)h(huán)境發(fā)生變化，本文所設計的超構表面能夠控制隨時(shí)間變化的響應，這在文獻中尚未得到證明。此外，盡管基于超構表面的傳感器根據入射波的脈沖持續時(shí)間表現不同，但傳感過(guò)程本身需要連續波（CW）。因此，如果脈沖寬度足夠長(cháng)，這種超構表面傳感器不需要額外復雜的調制技術(shù)。
數值模擬反射率曲線(xiàn)
本文所提出基于超構表面的傳感方法經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，能夠通過(guò)在時(shí)域中打破超構表面的諧波振蕩且僅使用一個(gè)頻率分量來(lái)估算多個(gè)物理量。研究人員的方法是合理的，因為在實(shí)際應用中，為避免電磁干擾問(wèn)題，頻率資源的使用受到嚴格限定。這種方法可應用于工業(yè)、科學(xué)和醫療（ISM）頻段之一，在這些頻段，頻率資源很容易獲得，使用射頻（RF）波沒(méi)有嚴格的許可問(wèn)題。此外，這種方法對于管理和設計未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)系統非常有用。
實(shí)驗驗證
在這項研究中，基于超構表面的方法不需要使用電池，卻能夠對多種物理量進(jìn)行傳感，這解決了未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)系統設計中的一個(gè)新問(wèn)題。特別是，盡管這項研究?jì)H限于感測兩個(gè)物理量作為概念證明，但通過(guò)添加能與其它物理量發(fā)生反應并表征超構表面時(shí)域響應的額外電路組件，所提出的方法可擴展至對兩種以上物理量進(jìn)行傳感。
根據反射波形同時(shí)估計溫度和光強度
為了更實(shí)際地用作物聯(lián)網(wǎng)傳感器，需要進(jìn)一步改進(jìn)這種基于超構表面的傳感器。例如，本研究中演示的超構表面依賴(lài)于商用二極管，這些二極管需要大量輸入功率來(lái)整流輸入信號，并改變與物理量相關(guān)的時(shí)域響應。因此，通過(guò)使用定制的低功率二極管來(lái)降低功率水平，有助于以節能的方式設計無(wú)電池的基于超構表面的多功能傳感器。此外，研究人員提出的方法在現實(shí)環(huán)境中的成功實(shí)施取決于反射（或散射）波形與物理量的關(guān)系。這項研究通過(guò)利用隨機森林回歸解決了這個(gè)問(wèn)題，該隨機森林回歸提供了大于0.96的決定系數。盡管其他傳感器技術(shù)可能提供更高的精度，但通過(guò)采用適用于個(gè)別應用場(chǎng)景的其它機器學(xué)習技術(shù)，本研究的決定系數可以進(jìn)一步提高。
總之，研究人員提出了一種基于超構表面的傳感器設計，該設計無(wú)需多個(gè)頻率或外部電源即可實(shí)現多功能傳感。本文所設計的超構表面在時(shí)域中呈現出可變的反射率曲線(xiàn)，這些曲線(xiàn)是由集總電路參數獨立確定的，這些參數響應于兩個(gè)感興趣的物理量，具體來(lái)說(shuō)是溫度和光強。此外，研究人員還介紹了一種利用隨機森林回歸從超構表面的反射波形估算溫度和光強度的方法。因此，成功地檢測到了溫度和光強，其決定系數分別為0.9861和0.9610。這項研究為在無(wú)需外部電源或多個(gè)頻率的情況下感測多個(gè)物理量提供了新的可能性，這有助于下一代無(wú)線(xiàn)通信系統的設計。
論文信息：https://www.nature.com/articles/s41427-024-00574-4
