石墨烯與天線有什（shí）麽關係？背後有大（dà）妙用

石墨（mò）烯與（yǔ）天線有什麽（me）關係？背後有（yǒu）大妙用

年輕的時候，我很迷戀電子學。無數次，電路沒有像預（yù）期一樣工作，失敗（bài）讓我（wǒ）學（xué）到一點：想告訴電子做什麽（me）簡直就是徒勞。盡管如此，搭建電子控製相控陣（zhèn）天線時我的興趣達到了最高點。簡單來講，稍微對時間進行調整，無（wú）數小天線生成的信號就可以射向特定方向，不需要移動硬（yìng）件。



沒錯，我的（de）裝置的確管用，雖然沒有預料的那樣好（hǎo）。不論（lùn）怎樣，相控陣天線之所以讓我興奮，主要是因為通過對一係列獨立發射器的相位和振幅進（jìn）行獨立控製，我們可以塑造輻射方向圖。看起來真的很酷。後來，我進入了光（guāng）學領域，控製獨立激光器（qì）的相位（wèi）與振幅（fú），將（jiāng）它們組組合成單一、可操縱的激光束……從技術上講完全可以做到，但在理想與實際部署之間（jiān）有（yǒu）許多障礙。



最近，研究人員已經證實，相位（wèi）控製在裝置中是可以實現的，裝（zhuāng）置比控製的光線波長（zhǎng）還（hái）要小。這是一個關鍵的進（jìn）步，我們朝著沒有光纖的高容量光通信技術前進了一大（dà）步。有了這（zhè）種技（jì）術（shù），5G之（zhī）後的移動通信（xìn）、家庭Wi-Fi不會再卡了。



有多難？

控製大量發射器的振幅與相位聽起（qǐ）來很簡單。不妨想像一下，你要在Wi-Fi中達成目標。Wi-Fi源的頻（pín）率（lǜ）是5GHz，也就是說它的波長是（shì）6cm。再讓我們假設一下，有16根天線，按4x4排列。如果我（wǒ）想控製每一根天線單元的相位，就要確保每一條波束有同樣的長度（也就是波長的二十分之一：3mm）。要做到（dào）還（hái）是相對容易的。



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要控製相位與振幅，接下來還有一件重要的事（shì）要做：你要調高或者（zhě）調低天線單元的功率，在電路上安一些可變電容器，讓每一個天線單（dān）元實現可變延（yán）遲。聽起來簡單，我想告訴你，英國衛星廣播公司(British Satellite Broadcasting)的相控（kòng）陣天線是假的，由此可以看出，相（xiàng）控陣天線（xiàn）絕非什麽容易的技術。



現在讓我們進入光（guāng）學領域。我們可以選（xuǎn）擇相對容易的路走，繼續（xù）使（shǐ）用紅外線，它的波長大約是10μm（微米）。這樣一來，4x4陣列波束需要的長度（dù）大約是500nm（納米）。看起來可行，但是要記住：如果使用光，重要的不（bú）隻是波長，還有其它東西（xī）。如（rú）果波束波長隻有40μm，那（nà）麽波束的折（shé）射率變化幅度不能超過1%。波束（shù）越長，折射率必須更接近。當波長越來越短，或者發射器的距離越來越遠（yuǎn），要達到製造容（róng）差的要求也就（jiù）變得越來越有挑戰。



總之：搭建光相控（kòng）陣天線（xiàn）是可行的，在控製嚴密的實驗（yàn）室環境下，我們可以在（zài）常態環境（jìng）中就（jiù）可以做到；但是並不容易。如（rú）果想改變每（měi）一個陣列單元光束的相位和振幅，現在還無法做到。



移相器

改變光（guāng）場的相位是相當容易的事，隻需要讓光跑遠一點抵達目的（de）地或者跑（pǎo）慢一點就行了。要做到有（yǒu）兩種方法：一，從物理上拉伸（shēn）光傳輸的（de）路徑，二（èr），光會穿過材料，我們可以改變材料的折射率。後（hòu）一種方法用得更多（duō），但大多的材料（liào）隻允許你對折射率進細微的調整。換言之，如果有什麽裝置可以控製光相位的（de）變化，裝置必須（xū）很長：如果折（shé）射率的變化幅度很小，你隻能延長距離讓相（xiàng）位改（gǎi）變。在整個（gè）長度上必須保持統一。



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有一個（gè）方法更（gèng）好：大幅調整折射率（lǜ）。為了達到目標，光需要對電子形成（chéng）強有力的反應（yīng）。也就是說我們要用到導體，比如鋁或者金。可惜的是光穿過（guò）金屬時會反射，或者被吸收（shōu）。



隻有一種情（qíng）況例（lì）外，那就是光與金屬中（zhōng）的電子結合，形成表（biǎo）麵等離子體。在這種情況下，光與電子運動結合在（zài）一起，形成緩慢移動的波，它會沿著金屬表麵前進。如果你想計算一下折射率，根據傳（chuán）播速（sù）度的不同，折射率可以達到100（玻璃為1.3，大多數材料介於1-5）。



等離子體的移動有一個關鍵：它的傳播（bō）速度（dù）與移動的電子數量關切密切（qiē）。

石墨烯幫上大忙（máng）

石墨烯就是單層碳原子排（pái）成蜂窩結構。因（yīn）為存在上述挑戰，石墨烯可以發揮作用。石墨烯是導體，可（kě）以支持（chí）表（biǎo）麵等（děng）離子體傳播。不過石墨烯並不是金屬，它實際上是一種半導體，像矽一（yī）樣（yàng）。石（shí）墨烯（xī）與矽有一個不同的地方，那就是（shì）自由移動的電子與受到原子限製的電（diàn）子之間（jiān）的能隙；石墨烯的能隙基本上等於零（líng），而矽約為1伏特。當我們將電場應用於石墨烯，額外能量會讓更（gèng）多的電子變成導電狀態，這樣就可以提高等離子體的移動速度。



要讓（ràng）效果完全發揮出來，石墨烯不能受（shòu）到外部世界的打擾（rǎo）。如果你（nǐ）隻是在任（rèn）意舊表麵上覆蓋一層石墨烯，表麵等離子體會幅射到表麵（miàn）內（nèi），然後（hòu）逃離出去。這樣一來，你想調節相位，但是找不到可（kě）以調節的東西。研究（jiū）的關鍵正在於此：科學家找（zhǎo）到了一種惰（duò）性基片（氮化硼），我們可以用基片將（jiāng）石墨烯封裝。成功將石墨烯裝進氮化硼後，研究人員就可以生成表麵等離子體，在移（yí）相裝置的整個長度上（shàng）傳輸（shū）時損耗很小。

最終結果顯示（shì），裝（zhuāng）置的長度約為600nm，但是折射率（lǜ）介於80-160，允許入射光場移動一個完全的周期（也就是相（xiàng）位調整（zhěng）360度）。



因為裝置的“心髒”是石墨烯，光必須擁有更長的波長才能形成等離子體（tǐ），所（suǒ）以我們這裏（lǐ）說的是紅外光，不是可見光。自由（yóu）空間中的光波波（bō）長（zhǎng）比整個移相裝置長10倍，真是（shì）酷（kù）極了。



你可（kě）能會感到奇怪，既然裝置連一個波長都不（bú）到，你如何完成360度相位轉移呢？答案（àn）是這樣（yàng）的：裝置中的波長是等離（lí）子體（tǐ）的波長，而等離子體的（de）波長（zhǎng）更短（duǎn），所以你（nǐ）可以將多個（gè）波長放進移相（xiàng）器。因（yīn）為折射率接近100，波長也就會減少100。這樣一來，整個裝置的長度就會比等離子體的有效波長長很多。



與天線有什麽關係？

我是從（cóng）相控陣天線談起的，通過調節每一個天線單元，我（wǒ）們可以對幅射的相位和振幅進行調節，從而控製（zhì）幅射圖的形狀和方向。就目前而言，我們已經開發出有（yǒu）效的移相器，至少在紅外領（lǐng）域做到了（le）。裝置並不笨重，相對比較強（qiáng）大（dà）。這是不是說紅外相（xiàng）控陣（zhèn）天線即將（jiāng）出（chū）現？

我想說“是的”，它（tā）已經出現在實驗室中。在移動領域，5G允許我（wǒ）們調節天線（xiàn）幅射的形（xíng）狀（zhuàng），對（duì）方向進行控製，這樣一來，在移動設備與固定天線（xiàn）之間就可以建立高容量（liàng）連接。這是一（yī）個明顯的信（xìn）號，它告訴我們高容量連接需要對波束進行一定的控製。



多（duō）年來，研究人員一直在（zài）考慮用自由空間光信號實現高容量數據連接。為了達成目標（biāo），我們要對多個激光束進行（háng）動態控製。如（rú）何做呢？你需要多元光天線，需要控製每一個發射器的相位與振幅。正（zhèng）因如此，這種技術不（bú）是無線（xiàn）的下一代，而是下一代的下一代技術。

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