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
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