在无线通信技术快速发展的今天，光学透明天线因其独特的透明性和潜在的广泛应用前景而备受关注。然而，透明导电薄膜（TCF）的固有损耗问题一直是制约其性能提升的关键瓶颈。一项发表在Engineering上的研究提出了一种创新方法，通过操控漏波模式来抑制 TCF 的衰减效应，从而显著增强射频辐射性能，为光学透明天线的发展开辟了新的路径。
该研究由福州大学、清华大学、苏州大学、南京大学以及加拿大达尔豪斯大学的科研团队共同完成。研究人员提出了一种基于玻璃加载的TCF结构的漏波天线，通过精确控制模式束缚度，成功实现了低衰减漏波传输，有效降低了由TCF损耗和漏波引起的总衰减。研究发现，在特定玻璃层厚度下，漏波衰减与TCF损耗之间达到了一种平衡，从而为高增益端射辐射提供了良好条件。
通过抑制行漏波衰减扩展辐射孔径面积，研究人员开发的光学透明天线实现了超过15 dBi的增强端射增益和66%的辐射效率。该光学透明天线能够在不影响可见光资源利用的前提下，提供良好的无线传输性能，有望在泛在无线通信和感知应用中发挥重要作用。
图1 光学透明端射漏波天线的实验表征。
在实验中，研究人员设计并测试了一种基于玻璃波导结构（TCF-GSW）的光学透明漏波天线。该天线的玻璃层厚度经过优化，以实现最小的总衰减常数，从而最大化波在TCF上的传播距离。实验结果表明，该天线在8.6 GHz频率下实现了15.2 dBi的高增益和66%的辐射效率，且在8.15 GHz至9.25 GHz的频段内表现出稳定的辐射性能。
此外，研究人员还进行了基于该光学透明天线的无线图像传输实验，验证了其优异的传输性能。实验中，使用该天线进行的图像传输结果显示，接收图像与原始图像相比没有失真，表明该天线能够在无线通信中实现高质量的数据传输。
图2 基于所提出的光学透明天线和参考天线的无线图像传输实验。
该研究的理论基础在于对TCF-GSW结构中波场束缚度的精细调控。通过调整玻璃层厚度，研究人员能够有效控制波场的束缚度和漏波衰减行为，从而实现功率泄漏和材料损耗之间的平衡。这一发现不仅为光学透明天线的设计提供了新的思路，也为解决TCF高损耗问题提供了一种不依赖于材料电学性能提升的替代方案。
研究人员详细描述了TCF-GSW结构的电磁场分布特性，并通过数值分析进一步阐释了低衰减漏波模式的机理。文章指出，随着玻璃层厚度的增加，传播模式趋向束缚于TCF表面，从而增强了慢波效应。这一效应使得天线能够在保持高光学透过率的同时，实现高增益和高效率的射频辐射。
该研究不仅在理论上取得了重要进展，还在实际应用中展示了巨大的潜力。研究人员通过实验验证了所提出的光学透明天线在无线图像传输中的高效性能，证明了其在实际通信场景中的可行性。这一成果有望推动光学透明天线技术在智能交通、物联网、可穿戴设备等领域的广泛应用。
论文信息：
Ziheng Zhou, Yongjian Zhang, Yilin Zheng, Ke Chen, Yueming Gao, Yuehe Ge, Yue Li, Yijun Feng, Zhizhang (David) Chen. Engineering. Engineering, 2024, 43(12): 75-84 DOI:10.1016/j.eng.2024.09.014
