在太赫兹技术迈向无线通信、高分辨率成像和雷达应用的进程中，如何高效、灵活地控制波束方向一直是核心难题。近日，提出了一种基于石墨烯超表面的全固态太赫兹相控阵，通过电调控方式实现了前所未有的超宽角度波束扫描。该设计不仅结构紧凑、调控精准，还具备良好的角度不敏感性，为未来太赫兹波前调控器件的发展提供了新思路。
该相控阵的核心在于利用石墨烯超表面实现对反射波束的相位调控。研究团队通过优化石墨烯天线结构，在太赫兹波段实现了超过350°的相位调制范围，并基于此构建了可独立调控的超级子单元。通过为每一列超级子单元施加不同的费米能级，进而引入特定的相位梯度，即可控制反射波束的偏转方向。结果显示，该器件可在−79.11°至79.11°的超宽范围内实现连续波束扫描，且在整个扫描过程中几乎无旁瓣干扰。此外，该设计在入射角小于20°的范围内仍能保持稳定的波束控制能力，具有良好的工程适用性。
图1.石墨烯超表面结构示意图
图1(a)为石墨烯超表面单元结构示意图，自上而下由石墨烯天线、绝缘层、电极层、介质层和金属衬底构成，单元尺寸仅为波长的1/13。图1(b)为相控阵波束偏转示意图，每一列单元构成一个可独立调控的超级子单元，通过施加不同电压控制石墨烯费米能级，引入相位梯度，实现反射波束的偏转控制。
展示了在石墨烯费米能级分别为0.30 eV、0.35 eV和0.40 eV时，超表面的反射率与相位随频率变化的曲线。可以看出，随着费米能级的改变，反射率和相位曲线发生明显的红移或蓝移，且在固定频率点（如4.64 THz）相位值也随之变化。这表明通过调节石墨烯的费米能级，可以实现对超表面反射相位的精准控制，为后续波束调控奠定了基础。
进一步展示了在0.20 eV至0.60 eV范围内，超表面在不同频率下的反射相位和反射率变化。图中显示，在3.4 THz至6.7 THz的宽频范围内，相位调制范围接近360°，且反射率变化控制在50%以内。这种宽频、低损耗的相位调控能力，是实现大角度波束扫描的关键前提。
给出了当超级子单元间的相位梯度设置为27.5°时，反射波束的理论偏转角度为80.68°，仿真结果显示实际偏转角度达到79.11°，且远场图中几乎无旁瓣干扰。这验证了该相控阵在大角度扫描下的优异性能，充分体现了小尺寸超表面单元在减小相位梯度、提升波束质量方面的优势。
论文标题：All-Solid-State Terahertz Phased Array Based on Graphene Metasurface for Ultra-Wide-Angle Beam Steering
DOI：10.1109/JLT.2022.3150170
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