Новая антенна с пространственно-временным кодированием обеспечивает 6G и безопасную беспроводную связь.

Исследовательская группа, совместно возглавляемая ученым из Городского университета Гонконга (CityU), разработала новую антенну, которая позволяет манипулировать направлением, частотой и амплитудой излучаемого луча и, как ожидается, сыграет важную роль в интеграции датчиков и коммуникаций (ISAC) для 6-го поколения. (6G) беспроводная связь.

Структура и характеристики традиционных антенн не могут быть изменены после их изготовления. Однако направление, частота и амплитуда электромагнитных волн от этой антенны нового поколения, которая называется «метаповерхностной антенной без боковых полос с пространственно-временным кодированием (STC)», могут быть изменены с помощью пространственно-временного кодирования (т.е. программного управления), что обеспечивает большую гибкость пользователя.

Ключом к этой инновационной функции является то, что отклик метаповерхности (искусственного тонколистового материала субволновой толщины, состоящего из нескольких субволновых мета-атомов) может быть изменен путем переключения мета-атомов на его поверхности между излучающим и не излучающим состояниями, например, включение и выключатели, регулируя электрический ток.

Это позволяет метаповерхностной антенне STC осуществлять сложную манипуляцию волнами в пространственной и частотной областях с помощью программного управления и создавать желаемую диаграмму направленности излучения и высоконаправленный луч.

Профессор Чан Чи-Хоу, исполняющий обязанности проректора и заведующий кафедрой электронной инженерии факультета электротехники университета СитьЮ, который руководил исследованием, подчеркнул, что антенна основана на успешном сочетании двух научных достижений, а именно антенн с амплитудной модуляцией (AM) и методов пространственно-временного кодирования.

Д-р. Ву Генгбо, аспирант Государственной ключевой лаборатории терагерцовых и миллиметровых волн (SKLTMW) в CityU, впервые предложил новую концепцию антенн AM с утечкой волн в 2020 году в своих докторских исследованиях в CityU. «Концепция обеспечивает аналитический подход к синтезу антенн с желаемыми диаграммами направленности для различных конкретных применений путем простого изменения формы и структуры антенн», — пояснил доктор Ву.

Но, как и в случае с другими антеннами, как только антенна с утечкой AM изготовлена, ее характеристики излучения фиксируются. Примерно в то же время доктор Дай Цзюньян из исследовательской группы, возглавляемой академиком Цуй Тецзюнем и профессором Чэн Цяном из Юго-Восточного университета в Нанкине, Китай, которые были пионерами технологий STC, присоединились к группе профессора Чана в CityU.

«Опыт доктора Дай в области пространственно-временного кодирования и цифровых метаповерхностей для динамической перенастройки характеристик антенны добавил новое, важное измерение к исследованию антенн в SKLTMW», — сказал профессор Чан, который также является директором SKLTMW в CityU.

Источник: https://phys.org/news/2022-12-space

A novel, space-time coding antenna developed at CityU promotes 6G and secure wireless communications
A significant feature of the new-generation antenna is that the direction, frequency,

Более того, временная модуляция электромагнитных волн на метаповерхностях обычно генерирует нежелательные гармонические частоты, называемые боковыми полосами. Эти боковые полосы пропускают часть энергии излучаемых электромагнитных волн и создают помехи полезным каналам связи антенны, что приводит к «загрязнению спектра».

Но профессор Чен и его команда предложили новую конструкцию, в которой используется волновод (линия для передачи электромагнитных волн путем последовательного отражения от внутренней стенки) и успешно подавляются нежелательные гармоники, достигая высокой направленности луча и обеспечивая безопасную связь.

«С помощью антенны AM leak-wave и технологий пространственно-временного кодирования мы достигаем заданных характеристик излучения, управляя последовательностями включения-выключения и длительностью «переключений» на антенне с помощью программного обеспечения», — сказал профессор Чан.

«С помощью новой антенны можно генерировать луч высокой направленности, обеспечивая широкий диапазон характеристик излучения без необходимости перепроектировать антенну, за исключением использования различных входов STC», — добавил доктор Ву.

Энергия от излучаемого пучка метаповерхностной антенны STC может быть сфокусирована в фокусной точке с фиксированным или изменяющимся фокусным расстоянием, которая может использоваться для получения изображений в реальном времени и рассматриваться как тип радара для сканирования окружающей среды и получения данных обратной связи. «Изобретение играет важную роль в ISAC для беспроводной связи 6G», — пояснил профессор Чен.

«Например, излучаемый луч может сканировать человека и создавать его изображение, позволяя пользователям мобильных телефонов разговаривать друг с другом с помощью 3D-голограммы. Он также лучше защищает от подслушивания, чем обычная архитектура передатчика».

Результаты были опубликованы в журнале Nature Electronics. Доктор Ву и доктор Дай являются соавторами статьи, а доктор Дай, профессор Ченг, академик Цуй и профессор Чан являются соответствующими авторами.

«Без сотрудничества и взаимодополняющего опыта двух исследовательских групп в СитьЮ и Юго-Восточном университете мы не смогли бы достичь этих результатов исследований», — продолжил профессор Чан. «Мы надеемся, что антенная технология нового поколения станет более зрелой в будущем и что ее можно будет применять к интегральным схемам меньшего размера с меньшими затратами и в более широком спектре применений».

More information: Geng-Bo Wu et al, Sideband-free space–time-coding metasurface antennas, Nature Electronics (2022). DOI: 10.1038/s41928-022-00857-0

Journal information: Nature Electronics