Прорывная технология метаповерхностных материалов обеспечивает улучшенный контроль для передовых телекоммуникаций и за их пределами.

Городские строения являются полосой препятствий для сигналов связи. Радиосигнал должен пройти путь от сотового телефона к маршрутизатору, вышке сотовой связи и далее к адресату, при этом он должен отразиться от стен, зданий и других сооружений. При столкновении с препятствием радиоволна рассеивается, что приводит к снижению уровня сигнала. Это, в свою очередь, снижает пропускную способность канала. В то же время сигнал вынужден конкурировать с полосой пропускания множества других устройств, находящихся в зоне действия сети. Все это уменьшает объем информации, которую может передать сигнал.

Новые малогабаритные и легкие отражающие поверхности могут произвести революцию в области связи в условиях большого скопления людей, обеспечив беспрецедентный контроль над электромагнитными сигналами, например радиоволнами.

Исторически инженеры использовали ретрансляторы - электронные устройства, принимающие сигнал и передающие его повторно, чтобы помочь этим сигналам связи преодолевать большие расстояния и обходить препятствия, но эта технология достигла своего предела. Теперь инженеры стремятся изменить поведение самого сигнала связи. Появились реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS).

РИС - это программируемые поверхностные структуры, способные отражать, перенаправлять и модулировать электромагнитные сигналы для увеличения скорости передачи данных и достижения других желаемых характеристик. По мере того как эта технология развивается с бешеной скоростью, ее перспективы приветствуются и ожидаются, но при этом становятся заметными и ее недостатки.

Исследователи давно полагают, что метаповерхности - тип материалов, использующих узор или микроструктуру на поверхности для влияния на поведение электромагнитных волн, таких как свет и радиосигналы, - будут идеальной технологией для реализации РИС. Однако до сих пор усилия были ограничены нежелательными характеристиками метаповерхностей, включая потери сигнала и необходимость включения в конструкцию резонансного материала.

Однако теперь технологи из Лаборатории прикладной физики имени Джона Хопкинса (APL) в Лореле (штат Мэриленд) впервые разработали технологию метаповерхностей, которая решает эти проблемы и усиливает отражательные свойства РИС. Это открывает путь к улучшению связи в условиях большого скопления людей и открывает перспективы для развития телекоммуникаций и маломощных сенсорных приложений. Результаты исследования недавно опубликованы в журнале Physical Review Applied.

"Это действительно многообещающее решение для таких важных приложений, как передовые средства связи, новые маломощные датчики и возможность работы в самых сложных условиях", - сказал Джефф Маранчи, возглавляющий направление исследовательских программ в отделе исследований и экспериментальных разработок APL.

"Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности - еще один фантастический пример способности нашей команды находить самые сложные технические задачи, разрабатывать новый материал, моделировать и оптимизировать конструкцию с помощью новейших сложных инструментов, создавать ее, испытывать и быстро демонстрировать высокий потенциал".

Использование величины и фазы

Большинство метаповерхностей изменяют как величину (или силу), так и фазу (или положение во времени) электромагнитной волны. Но изменение одного из них обычно приводит к изменению другого.

"Когда вы можете отдельно управлять фазой и величиной, это дает вам возможность полностью контролировать поведение отражения метаповерхности", - говорит Тим Слизман, научный сотрудник APL и ведущий автор статьи.

Раздельное управление величиной и фазой позволяет метаповерхности адаптировать сигнал различными способами в зависимости от конкретной ситуации".

До сих пор эта возможность оставалась недостижимой".

Команда APL тщательно изучила поведение двухслойной метаповерхности при отражении, применив ряд элементов, похожих на патч, ручки управления, варакторные диоды и резисторы для усиления контроля над ключевыми параметрами. Благодаря этой сложной конструкции удалось создать динамическую каскадную метаповерхность, которая может раздельно управлять величиной и фазой, и при этом помещается на небольшой и экономичной печатной плате.

"Когда сигнал проходит через метаповерхность, он взаимодействует с каждым из слоев на пути внутрь и при отражении наружу", - говорит Слезман. "Эти взаимодействия очень сложны. Слои, по сути, разговаривают друг с другом и ведут себя так, как будто знают о существовании других. При прохождении сигнала каждый из слоев воздействует на него, создавая желаемое поведение".

Новый материал сглаживает неравномерные потери сигнала, которыми ранее отличались метаповерхности, и включает два резонансных материала, чтобы обойти недостатки использования только одного.

Полученная метаповерхность не только обеспечивает столь востребованный контроль над поведением электромагнитных волн, но и имеет невероятно малые размеры и вес. Такие печатные платы можно прикреплять, например, к городским поверхностям для увеличения пропускной способности сигналов сотовой связи или Wi-Fi.

Снижение энергопотребления за счет отражения

Для повторной передачи сигнала, как это делают традиционные ретрансляторы, требуется большая мощность и сложное оборудование, например антенна или даже фазированная решетка из нескольких антенн, занимающая значительное пространство.

Динамические каскадные метаповерхности, созданные специалистами APL, усиливают сигнал, отражаясь от их узорчатых поверхностей. "Эта технология может работать от девятивольтовой батарейки или чего-то подобного", - сказал Слезман.

Другие потенциальные области применения технологии

Возможность независимого управления величиной и фазой электромагнитных волн имеет далеко идущие последствия для телекоммуникаций.

Хотя мы сосредоточились на радиочастотных приложениях, представленные нами концепции и методики имеют ценность в широком диапазоне электромагнитного спектра", - сказал Дэвид Шрекенхамер, руководитель программы "Физика, электронные материалы и устройства" в APL. "На более высоких частотах материаловедение, подобное этому, становится решающим фактором".

Динамические каскадные метаповерхности могут также помочь в создании более компактных и легких датчиков, способных собирать и передавать данные, потребляя при этом очень мало энергии.

"Вы можете установить датчик на буйке в океане, измеряющий соленость", - говорит Слизман. "Вы не хотите нагружать эту штуку батареями и заставлять ее активно передавать данные. Прикрепив одну из таких поверхностей, вы можете пролететь над ней на вертолете и получить данные, посылая их на метаповерхность, которая отразит информацию обратно".

Такая возможность может оказаться полезной и в других оперативных сценариях, когда постоянная передача сигнала может оказаться нежелательной, например, в условиях противостояния.

"Мы очень рады тому, что эта технология вызвала большой интерес как в коммерческих, так и в правительственных кругах", - сказал Шлисман. "Мы планируем продолжить разработку этой концепции для широкого спектра приложений".