Предложен инновационный метод разработки антенных систем, предназначенных для беспроводных сетей с высокой пропускной способностью.

Группа исследователей из МФТИ, работающая в области фотоники и двумерных материалов, а также нейрофизиологии и нейроморфных технологий, в сотрудничестве с зарубежными учеными создала интеллектуальный алгоритм для разработки антенн, эффективно поглощающих терагерцовые волны в широком спектре частот. Этот продвинутый алгоритм способствует увеличению степени поглощения излучения новыми материалами, что, в свою очередь, ускорит внедрение технологий 6G в повседневную практику. Результаты проведенного исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied и получили поддержку в рамках гранта РНФ (№24-79-10081).

Технологии, использующие терагерцовый диапазон, приобретают все большее практическое значение. Потребность в постоянно растущем объеме передаваемых данных требует от рабочих систем частот, превышающих 100 ГГц, для обеспечения скорости передачи информации более 100 Гбит/с. Конструкция антенны играет ключевую роль в беспроводной связи 6G и межчиповом взаимодействии.

Эффективная связь между антенной и детектором является необходимой при разработке подобных систем. В идеальной ситуации, половина мощности излучения должна поглощаться чувствительным элементом, а другая половина – рассеиваться антенной. Это условие реализуется при равенстве сопротивлений антенны и детектора, что называют согласованием импедансов.

Современные детекторы, основанные на двумерных материалах, таких как графен и черный фосфор, обладают высокой чувствительностью в терагерцовом диапазоне, но их импеданс составляет от единиц до десятков килоом. В то время как типичные антенны имеют импеданс около 50 Ом. Существенное различие приводит к снижению эффективности передачи сигнала от антенны к детектору, уменьшению рабочей полосы частот и, в конечном итоге, к повышению уровня шума.

Чтобы решить эту задачу, ученые из России, Германии и Сингапура разработали способ оптимизации формы антенны для улучшения согласования импеданса в широком терагерцовом диапазоне. Они использовали программный комплекс для реализации метода обратного проектирования: алгоритму задавались требуемые характеристики (желаемые импеданс и полоса пропускания), а он создавал набор оптимальных конструкций.

Михаил Лукьянов, инженер лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, пояснил, что вместо использования известной геометрии, ученые определяют требуемые параметры и позволяют алгоритму разрабатывать антенны, удовлетворяющие этим требованиям.

Основным достоинством этого подхода является то, что алгоритм не ограничивается известными формами, а создает их из металлических «пикселей». Такая гибкость дает возможность адаптировать антенну под конкретные задачи. Используя обратное проектирование, ученые получили формы, которые нельзя было бы создать на основе традиционного подхода.

Дмитрий Мыльников, научный сотрудник МФТИ, добавил, что вместо адаптации детектора к антенне, оптимизируется геометрия антенны для соответствия характеристикам детектора.