Города могут быть полосами препятствий для коммуникационных сигналов. Радиосигнал должен проходить от сотового телефона к маршрутизатору, вышке сотовой связи и далее к своему получателю — и все это при прохождении между стенами, зданиями и другими сооружениями. Когда он натыкается на препятствие, радиоволна рассеивается, уменьшая сигнал. Это, в свою очередь, уменьшает пропускную способность. В то же время сигнал должен соответствовать потребностям в полосе пропускания множества других устройств в этом районе. Все это уменьшает объем информации, которую может передавать сигнал.
Недавно разработанные небольшие, легкие отражающие поверхности могут революционизировать средства связи в условиях большого скопления людей, обеспечивая беспрецедентный контроль над электромагнитными сигналами, такими как радиоволны.
Исторически инженеры использовали ретрансляторы — электронные устройства, которые принимают сигнал и повторно передают его, — чтобы помочь этим коммуникационным сигналам преодолевать большие расстояния и обходить препятствия, но эта технология достигает своих пределов. Теперь инженеры стремятся изменить поведение самого коммуникационного сигнала. Введите реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS).
РИС — это программируемые поверхностные структуры, которые могут отражать, перенаправлять и модулировать электромагнитные сигналы для повышения скорости передачи данных и достижения других желаемых характеристик. Поскольку эта технология продолжает развиваться с головокружительной скоростью, ее перспективы были оценены по достоинству, но ее недостатки также были заметны.
Исследователи долгое время полагали, что метаповерхности — тип материала, который использует нанесение рисунка или микроструктурирование на поверхность для влияния на поведение электромагнитных волн, таких как свет и радиосигналы, — были бы идеальной технологией для реализации RIS. Но усилия до настоящего времени были ограничены нежелательными характеристиками метаповерхностей, включая потерю сигнала и необходимость включения резонансного материала в конструкцию.
Но теперь, впервые, технологи из Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса (APL) в Лореле, штат Мэриленд, разработали технологию метаповерхности, которая решает эти проблемы и улучшает отражательное поведение РИС. Это открывает путь для улучшения связи в условиях большого скопления людей и многообещающих достижений в области телекоммуникаций и маломощных сенсорных приложений. Их результаты недавно были опубликованы в журнале Physical Review Applied.
«Это действительно многообещающее решение для критически важных приложений, таких как передовые средства связи, новые датчики с низким энергопотреблением и позволяющие работать в самых сложных условиях», — сказал Джефф Маранчи, который возглавляет направление исследовательской программы в отделе исследований и опытно-конструкторских разработок APL.
«Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности — еще один фантастический пример способности нашей команды решать сложнейшие технические задачи, разрабатывать новый материал, моделировать и оптимизировать дизайн с использованием новейших сложных инструментов, создавать его, тестировать и быстро демонстрировать большой потенциал».
Использование как величины, так и фазы
Большинство метаповерхностей изменяют как величину (или силу), так и фазу (или положение во времени) электромагнитной волны. Но изменение одного обычно приводит к изменению другого.
«Когда вы можете раздельно управлять фазой и магнитудой, это дает вам абсолютный контроль над поведением метаповерхности при отражении», — сказал Тим Слисман, научный сотрудник APL и ведущий автор статьи.
Раздельное управление амплитудой и фазой позволяет метаповерхности различными способами адаптировать сигнал к требованиям конкретной ситуации.
Эта возможность до сих пор оставалась недостижимой.
Команда APL внимательно изучила особенности отражения двухслойной метаповерхности, внедрив ряд элементов, похожих на заплаты, ручки управления, варакторные диоды и резисторы, чтобы обеспечить больший контроль над ключевыми параметрами. Благодаря этому сложному дизайну они создали динамическую каскадную метаповерхность, которая может отдельно управлять величиной и фазой, устанавливаясь на небольшую, экономичную печатную плату.
«Когда сигнал проходит через метаповерхность, он взаимодействует с каждым из слоев на пути внутрь и при отражении наружу», — сказал Слисман. «Эти взаимодействия очень сложны. Слои, по сути, разговаривают друг с другом и ведут себя так, как будто они знают, что другие находятся рядом. По мере прохождения сигнала каждый из уровней воздействует на него, создавая желаемое поведение.»
Новый материал сглаживает неравномерные потери сигнала, которыми ранее славились метаповерхности, и включает в себя два резонансных материала, чтобы обойти недостатки использования только одного.
Полученная в результате метаповерхность не только обеспечивает широко востребованный контроль над поведением электромагнитных волн, но и является невероятно маленькой и легкой. Можно было бы прикрепить эти печатные платы к поверхностям по всему городу, например, чтобы увеличить пропускную способность сигналов сотовой связи или Wi-Fi.
Снижение энергопотребления за счет отражения
Повторная передача сигнала, как это делают традиционные ретрансляторы, требует большой мощности и сложного оборудования, такого как антенна или даже фазированная решетка из нескольких антенн, которая занимает значительное пространство.
Динамические каскадные метаповерхности команды APL усиливают сигналы, отражая их от своих узорчатых поверхностей. «Вы могли бы использовать эту технологию от девятивольтовой батареи или чего-то в этом роде», — сказал Слисман.
Другие потенциальные области применения технологий
Способность независимо контролировать величину и фазу электромагнитных волн имеет последствия, выходящие далеко за рамки телекоммуникаций.
«Хотя наше внимание было сосредоточено на применении радиочастот, концепции и методы, которые мы внедрили, имеют ценность в широком диапазоне электромагнитного спектра», — сказал Дэвид Шрекенхамер, который руководит программой физики, электронных материалов и устройств в APL. «На более высоких частотах материаловедение, подобное этой работе, становится решающим фактором».
Динамические каскадные метаповерхности также могли бы помочь в создании меньших по размеру и более легких датчиков, которые могли бы собирать и предоставлять данные, потребляя очень мало энергии.
«Возможно, у вас есть датчик на буе в океане, измеряющий соленость», — сказал Слисман. «Вы же не хотите заряжать эту штуку батарейками и заставлять ее активно передавать данные. Прикрепив одну из этих поверхностей, вы могли бы пролететь над ней на вертолете и отфильтровать данные, проверив метаповерхность, которая отразила бы информацию обратно».
Эта возможность могла бы быть полезна в других сценариях эксплуатации, когда постоянная передача сигнала может оказаться нежелательной, например, в конфликтной среде.
«Мы очень рады видеть, какой большой интерес вызвала эта технология как в коммерческих, так и в правительственных кругах», — сказал Слисман. «Мы планируем продолжить разработку этой концепции для широкого спектра применений».