Исследователи из Университета Джона Хопкинса (частного научно-исследовательского центра в Балтиморе, США) разработали прорывную технологию метаповерхностных материалов, которая обеспечивает точный контроль над электромагнитными сигналами, обеспечивая улучшение систем связи в многолюдных средах и многообещающие достижения в сфере телекоммуникаций и маломощных сенсорных приложений. Об этом сообщает официальный сайт Университета Джона Хопкинса. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Любые достаточно крупные города сегодня являются значительными «полосами препятствий» для сигналов связи. Радиосигнал должен проходить от сотового телефона к маршрутизатору, к вышке сотовой связи и далее к своему получателю, при этом отражаясь между стенами, зданиями и другими сооружениями.
При столкновении с препятствием радиоволна рассеивается, ослабляя сигнал. Это, в свою очередь, снижает пропускную способность канала связи. Кроме того, сигнал должен конкурировать с потребностями в полосе пропускания множества других устройств в том же самом районе. Все это уменьшает количество информации, которую может передать сигнал.
Исторически инженеры использовали повторители – электронные устройства, которые принимают сигнал и ретранслируют его, – чтобы помочь коммуникационным сигналам покрывать большие расстояния и обходить препятствия, но эта технология уже достигает своего предела. Теперь инженеры стремятся изменить поведение самого сигнала связи.
Важное направление на этом пути – использование так называемых «реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей» (RIS). Это программируемые поверхностные структуры, которые могут отражать, перенаправлять и модулировать электромагнитные сигналы для повышения скорости передачи данных и достижения других желаемых характеристик.
Исследователи долгое время считали, что метаповерхности (тип материала, который использует рисунок или микроструктуру на поверхности, чтобы влиять на поведение электромагнитных волн, таких как свет и радиосигналы) были бы идеальной технологией для реализации RIS. Но на сегодняшний день их усилия были ограничены такими нежелательными свойствами метаповерхностей, как потеря сигнала и необходимость включения в конструкцию резонансного материала.
Теперь же впервые технологи Лаборатории прикладной физики (APL) Университета Джона Хопкинса, базирующейся в Лореле (штат Мэриленд, США) разработали технологию метаповерхностей, которая решает указанные выше проблемы и дополняет отражающее поведение RIS. Это открывает путь для существенного улучшения связи в условиях плотной городской застройки.
«Это действительно многообещающее решение для критически важных систем, таких как расширенная связь, новые датчики с низким энергопотреблением и возможность работы в самых сложных условиях», – отметил Джефф Маранчи, руководитель исследовательской программы APL.
Большинство метаповерхностей меняют как амплитуду (или мощность), так и фазу (или положение во времени) электромагнитной волны. Но изменение одного обычно меняет другое. «Когда становится возможным отдельно контролировать фазу и мощность, это дает полный контроль над поведением отражения метаповерхности», – пояснил Тим Слисман, научный сотрудник APL и один из ведущих разработчиков.
Ранее эта способность оставалась недостижимой. Но исследователи APL, изучив поведение отражения двухслойной метаповерхности, реализовали серию патч-подобных элементов (ручек управления, диодов и резисторов), чтобы обеспечить больший контроль над ключевыми параметрами. Благодаря этой сложной конструкции они создали динамическую каскадную метаповерхность, которая может отдельно управлять амплитудой и фазой, помещаясь на небольшой экономичной печатной плате.
Когда сигнал проходит через метаповерхность, он взаимодействует с каждым из слоев на входе и при отражении. Соответственно, каждый из слоев воздействует на сигнал, создавая желаемое поведение. В итоге новый материал сглаживает неравномерную потерю сигнала за счет включения в себя двух резонирующих материалов, взаимно устраняющих недостатки использования каждого из них.
Полученная метаповерхность не только обеспечивает четкий контроль над поведением электромагнитных волн, она очень легка и экономична в производстве. Поэтому вполне жизнеспособен вариант прикрепить эти печатные платы к поверхностям по всему городу для увеличения пропускной способности сигналов сотовой связи или Wi-Fi.
Следует также учесть, что ретрансляция сигнала традиционными методами требует большой мощности и сложного оборудования, такого как антенна или даже фазированная решетка из нескольких антенн, которые занимают значительное пространство. Динамические каскадные метаповерхности, разработанные APL, усиливают сигналы при отражении, расходуя при этом очень мало электроэнергии.
Пониженное энергопотребление новых метаповерхностей может быть также полезно в других операционных сценариях, например – в создании меньших и более легких датчиков, которые могли бы собирать и предоставлять данные периодически, – таких как датчик на буе в океане, измеряющий соленость.