Разработана программируемая метаповерхностная антенна
Группа исследователей из Юго-Восточного университета, Технологического университета Наньян и других институтов совершила значительный прорыв в области беспроводной связи, разработав программируемую метаповерхностную антенну с беспрецедентно высокой скоростью передачи данных и эффективностью отображения информации. Их работа, опубликованная в Nature Electronics, представляет собой важный шаг к преодолению ограничений традиционных антенн и открывает новые горизонты для развития высокоскоростных беспроводных сетей пятого и шестого поколений (5G и 6G), а также систем связи будущего, таких как беспроводной Интернет вещей (IoT) и спутниковая связь.
Традиционные антенны используют сложные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) для модуляции радиосигналов, что приводит к потерям энергии и снижению скорости передачи данных. Метаповерхности, с другой стороны, представляют собой искусственные материалы, состоящие из периодически расположенных резонансных элементов (например, металлических патчей или диэлектрических резонаторов) субволнового размера. Эти элементы взаимодействуют с электромагнитными волнами, позволяя управлять их фазой, амплитудой и поляризацией без использования объемных компонентов. Это ключевое преимущество делает метаповерхности привлекательными для создания компактных, эффективных и программируемых антенн.
Однако создание эффективных программируемых метаповерхностных антенн сопряжено с рядом трудностей. Одна из главных проблем заключается в создании элементов с высокой перестраиваемостью, позволяющих динамически изменять характеристики антенны в широком диапазоне частот. Другая проблема связана с точным управлением фазой и амплитудой электромагнитных волн на каждом элементе метаповерхности, что требует высокоточной технологии изготовления и сложных алгоритмов управления. Кроме того, эффективность излучения и диаграмма направленности антенны должны быть оптимизированы для достижения максимальной скорости передачи данных и минимальных помех.
Разработанная исследователями антенна решает многие из этих проблем. Она основана на печатной плате (PCB) с тремя металлическими слоями и двумя диэлектрическими подложками. Верхний металлический слой содержит периодическую решетку из программируемых элементов, которые могут изменять свои характеристики под действием управляющего сигнала. Эти элементы, вероятно, представляют собой диоды PIN или другие полупроводниковые устройства, которые изменяют свою импедансность при приложении напряжения. Средний слой PCB может служить для создания нужных геометрических параметров элементов, обеспечивая оптимальное взаимодействие с электромагнитными волнами. Нижний металлический слой может использоваться в качестве заземления. Многослойная структура позволяет более гибко управлять фазой и амплитудой отраженного сигнала, что существенно улучшает характеристики антенны.
Схема управления метаповерхностью, вероятно, включает в себя микроконтроллер или программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), которая генерирует управляющие сигналы для каждого элемента. Эти сигналы определяют фазовый сдвиг и амплитуду отраженной волны, формируя тем самым требуемую диаграмму направленности и модулируя передаваемый сигнал. Для достижения высокой скорости передачи данных исследователи, вероятно, использовали сложные алгоритмы кодирования и модуляции, оптимизированные для работы с метаповерхностной антенной.
В статье подробно описывается оптимизация схемы отображения информации, используемая в антенне. Вероятно, это включает в себя использование передовых методов обработки сигналов, таких как адаптивные алгоритмы формирования луча и пространственное мультиплексирование. Эти методы позволяют передавать несколько потоков данных одновременно, используя разные направления излучения антенны. Это значительно повышает общую пропускную способность системы.
Кроме высокой скорости передачи данных, разработанная антенна демонстрирует высокую эффективность отображения информации. Это означает, что минимальное количество энергии тратится на передачу данных, что важно для снижения энергопотребления и увеличения времени работы беспроводных устройств. Достижение высокой эффективности отображения информации возможно благодаря оптимизированной геометрии метаповерхностных элементов и эффективному управлению их характеристиками.
Разработка этой программируемой метаповерхностной антенны имеет огромный потенциал для применения в различных областях. Она может использоваться в системах 5G и 6G, в спутниковой связи, в беспроводных сенсорных сетях, а также в других приложениях, требующих высокой скорости и эффективности передачи данных. Дальнейшие исследования в этой области могут привести к созданию ещё более компактных, эффективных и многофункциональных метаповерхностных антенн, что будет иметь революционное влияние на развитие беспроводных технологий. В частности, исследования могут фокусироваться на создании метаповерхностей с более широкой полосой пропускания, улучшении технологии изготовления и снижении стоимости производства. Кроме того, важно исследовать влияние окружающей среды на работу метаповерхностных антенн и разработать методы компенсации воздействия помех и многолучевого распространения.