超材料创新：从施乐帕洛阿尔托研究中心到领先企业

Pat Hindle and Eric Higham, Microwave Journal, Norwood, Mass.

超材料（metamaterial）正在成为射频和南宫在线官方网 市场的一项变革性技术。抽象地说，超材料是一种用于影响电磁波的复合材料。虽然实用模型和方法以及人造超材料是过去三十多年来的新发展，但使用人造电介质影响电磁波的探索早在 19 世纪末就有报道。⁽¹⁾

施乐帕洛阿尔托研究中心（PARC）是超材料基础研究和应用的最大推动者之一。源自施乐帕洛阿尔托研究中心的超材料技术在电信、雷达和安检等领域都取得了突破性进展。本文将讨论超材料的基本原理，以及这项技术在施乐 PARC 从诞生到商业化的演变过程。研究中心的新技术通常会孵化出多家公司。文章还介绍了从施乐公司的活动中衍生出来的 Kymeta、Echodyne、Pivotal Commware 和 Evolv Technology 等公司。每家公司都在以独特和创新的方式利用超材料，为各行各业和各种应用带来令人兴奋的新可能性。这些活动也激发了人们对这项技术的未来和潜力的极大兴趣。

了解超材料

超材料通常由亚波长尺寸的元件结构阵列组成。这些元件与电磁波相互作用。这种结构化设计使研究人员和设计师能够通过操纵这些材料与光、声甚至热能的相互作用来控制波的传播特性。超材料的一个显著特性是能够实现负折射率，从而使光线在通过材料时向相反方向弯曲。这种现象可用于制造所谓的"超级透镜"。这些透镜中的这种现象使分辨率超越了传统透镜的衍射极限，即透镜所能分辨的最小细节。通过扩大这一极限，超材料透镜可以获得比传统透镜更好的分辨率。此外，负折射率还可用于隐形技术，通过弯曲物体周围的光线使其隐形。

超材料的特性由其内部结构决定，而不仅仅由其成分决定。这些特性和对内部结构的依赖为定制开辟了许多令人兴奋的途径。通过改变这些内部元件的尺寸、形状或排列，超材料就可以量身定做，表现出特定的特性。这种定制能力可对电信应用产生深远影响，超材料可通过优化信号传播和减少干扰来提高天线、滤波器和波导的性能。图1 显示了一个由分环（split-ring）谐振器组成的负折射率超材料阵列，阵列尺寸为 10 × 100 × 100 毫米。在这个例子中，阵列由 3 × 20 × 20 个单元组成。

图1 分环谐振器。来源：http://en.wikipedia.org/wiki/Metamaterial

超材料基础：施乐PARC时代

施乐PARC对超材料的探索主要集中在三个领域：电信、光学和能源。在电信应用方面，超材料用于增强信号传输和接收。超材料在电信领域的应用多种多样，包括可重构智能表面（RIS），可用于天线的波束赋形、极化控制、信号重定向和信号强度增强。这些发展对于改善无线网络的覆盖范围和容量以及促进物联网的发展具有重要意义。PARC 的研究人员已经证明，超材料结构可以提高无线通信系统的效率和范围，使其更能抵御干扰，并能在更高的频率下工作。

施乐PARC长期以来一直以计算和材料科学领域的创新研究而闻名。该公司在超材料开发方面发挥了举足轻重的作用。由于超材料是一种工程复合材料，施乐 PARC 的研究人员正致力于开发复杂的结构，使超材料能够超越天然材料的限制，操纵光、声波和无线电波。施乐 PARC 取得的主要进展包括开发出超材料透镜，实现了紧凑型高分辨率成像系统，以及为电信、传感和其他应用领域的实际应用继续奠定基础的其他突破。2023 年 4 月底，施乐公司宣布将该实验室捐赠给非营利性研究机构 SRI 国际，希望进一步建设、扩大和提升不同技术和科学领域的能力。

作为孵化器的施乐PARC

如前所述，其中一些发展已经超越了施乐 PARC 的范围，并催生了新公司的成立。本文的其余部分将介绍从施乐 PARC 的活动中发展起来的一些公司，并对这些公司的活动作一些介绍。

Kymeta 公司：超材料彻底改变卫星通信

Kymeta 公司成立于 2012 年，源于施乐 PARC 的超材料研究，其使命是改善卫星通信。Kymeta 公司的核心技术围绕基于超材料的电子可转向天线（ESA）展开。抛物面天线等传统卫星天线体积庞大、机械笨重，限制了其在移动和偏远环境中的应用。Kymeta 的 ESA 使用超材料对波束进行电子转向，无需移动部件，在尺寸、重量和适应性方面具有显著优势。这些天线实现了高速、移动卫星连接，弥合了偏远地区的数字鸿沟，增强了海事、航空和军事部门的通信能力。

Kymeta产品的技术能力：

·       超材料天线：Kymeta 的 ESA使用超材料以电子方式在卫星频谱上引导波束。这些天线可在难于部署传统天线的移动环境中提供连接。

·       外形紧凑：由于无需机械部件，Kymeta 的天线比传统的卫星天线更小、更轻，因此非常适合集成到车辆、飞机和便携式通信系统中。

·       适应性和效率：基于超材料的设计使 Kymeta 的天线能够动态调整波束方向和形状。这些特性可优化信号强度，最大限度地减少干扰，从而提高通信效率。

Kymeta 公司的解决方案正在被广泛采用，从而确立了公司在卫星通信超材料应用领域的领先地位。

Echodyne 公司：超材料重新定义雷达系统

Echodyne 公司成立于 2014 年，专门从事基于超材料的雷达系统研发，可提高探测和成像性能。传统雷达系统依靠大型机械扫描阵列来实现高分辨率和精确度。Echodyne 的超材料 ESA 是一种紧凑型固态替代方案，可提供快速波束转向和高分辨率成像。

Echodyne 产品的技术能力：

·       超材料 ESA：Echodyne 的雷达系统利用超材料对波束进行精确的电子转向，实现了快速扫描，分辨率高于传统雷达

·       增强成像：超材料的使用使 Echodyne 雷达能够获得更精细的分辨率和更清晰的信号，这对自动驾驶汽车、周边安全和无人机探测等应用至关重要。

·       结构紧凑、重量轻：通过消除笨重的机械部件，Echodyne 基于超材料的雷达更加便携，更容易集成到各种平台中，而不会影响性能。

Echodyne 的雷达解决方案提高了各行业的态势感知能力，展示了超材料技术的潜力。

Pivotal Commware：超材料助力 5G 通信

Pivotal Commware 成立于 2016 年，专注于利用超材料增强无线通信，特别是 5G 网络。向 5G 的过渡带来了各种挑战，例如信号在更高毫米波频率下的传播以及对精确波束赋形的需求。波束赋形是一种将无线信号聚焦到特定方向而不是向所有方向广播的技术。这种技术可以减少干扰，使信号更容易克服障碍。Pivotal Commware 的天线使用超材料来实现全息波束赋形，动态地塑造和引导无线电波，以获得最佳的覆盖范围和性能。

Pivotal Commware 产品的技术能力：

·       全息波束赋形天线：Pivotal Commware 的天线使用超材料来实现全息波束赋形，动态地塑造和引导无线电波，以获得最佳的覆盖范围和性能。

·       毫米波优化：基于超材料的天线提高了毫米波传输的效率和范围，有助于在城市环境及其他地区部署 5G 网络

·       自适应波束转向：通过实时调整波束方向，Pivotal Commware 的天线可减少信号阻塞和干扰，确保为 5G 应用提供稳定可靠的连接。

Pivotal Commware 的超材料解决方案正在加速全球 5G 基础设施的部署，应对下一代无线通信的挑战。

Evolv Technology：超材料增强安检功能

Evolv Technology 公司成立于 2013年，将超材料应用于先进的安检系统，改变了公共场所的威胁检测和缓解方式。

Evolv Technology 产品的技术能力：

·       超材料传感器：Evolv Technology 的安检系统采用超材料传感器，能够检测包括金属和非金属物品在内的各种威胁，精度高，误报率极低

·       高通量安检：超材料技术的集成使 Evolv 系统能够高效处理大量人员，提高安检站的通过率

·       非侵入式安检：Evolv 基于超材料的传感器与需要接触身体或随身携带物品的传统方法不同，可以实现隐蔽、非侵入式安检，从而改善乘客的整体体验。

Evolv Technology 对超材料的创新使用有助于重新定义和改进安检标准，提供可扩展的解决方案，优先考虑公共场所的安全和效率。

未来的方向和影响

超材料从理论概念到实际应用的演变始于施乐 PARC 等公司。随着从施乐 PARC 分离出来的公司（如 Kymeta、Echodyne、Pivotal Commware 和 Evolv Technology）将超材料技术商业化，超材料技术也在不断发展。从事超材料研究的公司数量之多，凸显了该技术在许多行业和应用领域的潜力。随着超材料研发活动的不断发展，将会出现更多的超材料创新和集成到新应用中的机会。

超材料诞生于施乐PARC的研究，正在催化创新浪潮，并催生出将继续引领卫星通信、雷达系统、5G 技术和安检领域发展的公司。Kymeta、Echodyne、Pivotal Commware 和 Evolv Technology 这几家公司都凸显了超材料在推动技术进步和应对复杂挑战方面的前景。随着这些公司不断创新和扩大应用，超材料有望塑造未来的技术轨迹，为连接、安全和其他领域带来新的可能性。

参考资料（略，见英文原文）

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：https://www.microwavejournal.com/articles/43236