复杂的天线阵列与高频无线芯片配对，就像现代电子产品的超能力一样，从传感到安全再到数据处理，一切都得到了提升。在普林斯顿的实验室里，Kaushik Sengupta正在努力进一步扩大这些权力。
近年来，Sengupta的实验室设计了天线阵列，帮助工程师在窥视物质，促进摩天大楼峡谷中的通信，将医学实验室放在智能手机上，以及用电磁波而不是软件加密关键数据。
在Advanced Science的一篇新文章中，Sengupta的研究团队提出了一种基于折纸艺术的新型天线阵列。变形阵列的设计类似于称为水弹的折叠纸盒，允许工程师创建可重新配置和适应性强的雷达成像表面。
为了构建该系统，该团队在标准的平板上安装了一类新型宽带超表面天线。然后，他们将许多天线面板连接到具有偏移棋盘图案的精确设计的折纸表面。通过适当的折叠和展开面板顺序，阵列呈现出各种不同的形状，如曲线、马鞍和球体。
凭借这种移动和扩展能力，折纸系统提供了更宽的分辨率，并能够捕获超出标准天线阵列能力的复杂三维场景。水弹天线还可以改变其形状，以仔细校准的方式操纵电磁波。结合先进的算法，水弹系统可以有效地处理来自各种电磁场的信息。这种变形能力使工程师能够扩展用于传感和成像的设备的功能。
“对于大多数应用，平面或扁平系统是首选，因为它们更简单，更容易设计，”电气和计算机工程副教授Sengupta说。“但是可重构的系统使我们能够大大扩展我们在计算机成像方面的能力。使用折纸，我们能够将平面阵列的简单性与可重构系统的扩展能力相结合。这就像一个变形金刚机器人在行动。
Sengupta表示，基于折纸的阵列可以极大地改善自动驾驶汽车，机器人和网络物理系统所需的传感技术。单个天线系统的相对简单性也意味着传感阵列可以轻巧且成本低，使其更易于大规模制造和部署。
虽然能源和计算的快速发展通常会引起公众最多的关注，但Sengupta和他在普林斯顿工程学院的同事专注于无形无线网络，这些无线网络使这些突破能够赋予社会权力。
“你可以考虑所有这些正在出现的真正复杂的应用程序 - 机器人，自动驾驶汽车，智能城市，智能医疗保健应用程序，人工智能，虚拟现实，”他说。“所有这些东西都位于无线通信网络上。
这些应用中的任何一个都将代表对无线网络需求的大幅增长。总之，他们要求从根本上重新思考我们如何在电波中移动数据，无论是在设计用于处理流量的微芯片方面，还是从这些芯片传输的信号方面。简而言之，我们需要将更多的信息打包到信号中，并构建能够快速、准确和安全地处理信息的计算机系统。
在过去的几年里，森古普塔的研究在这两个方面都得到了认可。2021年，他被领先的无线通信科学学会微波理论与技术学会(MTT-S)评为杰出青年工程师。去年，他因在微芯片方面的工作而获得了世界上最大的电气工程学会电气和电子工程师协会(IEEE)颁发的“新前沿奖”。
从芯片设计到信号处理，这些奖项反映了Sengupta研究团队在集成微系统研究实验室采取的广泛研究方法。近年来，他的团队展示了扩展到新频段的技术，以实现更快、更安全的传输，为科学和医疗应用开发了新的传感技术，并制定了在不减慢应用速度的情况下确保高需求传输的方法。
在最近的涉及水弹折纸的项目中，Sengupta的研究团队将其重点从天线阵列本身转变为将多个阵列变形为复杂系统的方法。可重新配置的系统不仅允许在很宽的频率范围内进行高光谱传感，还将信息与表面拓扑融合在一起。这对于在各种环境中工作时需要密集通信的车辆和机器人来说可能是有价值的。对于其他需要折叠和调整的电子结构，如航天器和太阳能电池板，它也可能很重要。
“通过消除平板天线阵列的限制，我们可以将折纸原理与高频电子设备和先进的信号处理相结合，以创建多功能，高效的成像和雷达系统，”Sengupta说。
Sengupta说，他的研究团队的技术方法在这些项目中有所不同，但最终目标是解决变化将给无线世界带来的挑战。其中一个挑战是新应用所需的数据速率。以自动驾驶汽车为例：大部分焦点都集中在自动驾驶汽车所需的导航技术或处理能力上，但最大的挑战之一是创建一个无线网络来支持新技术。
“想想自动驾驶汽车的信息泛滥，”他说。即使是一辆汽车也需要大量的数据来导航复杂的道路系统。对于共享高速公路的多辆汽车，对数据的需求将进一步增加。“你需要非常高的带宽连接，所以你需要考虑我们以前没有使用过的频率。
医疗技术同样有望发生巨大变化，实时健康监测和绷带等新设备与远程医生通信并根据患者的病情调整治疗。
所有这些发展都需要比现代网络更高的速度、更高的数据传输量和更严格的安全性。Sengupta说，解决这些问题将需要在新的微芯片和用于传输信号的频率水平上开展工作。
“我们追求的方法是多学科的，”他说。“我们的方法是利用来自不同领域的概念并将它们合并以创建高性能系统。
文章“折纸微波成像阵列：用于可重构计算成像的形状变形表面上的超表面瓷砖”发表在 Advanced Science 上。