Ученые утверждают, что новое, дешевое и простое в изготовлении устройство может привести к улучшению спутниковой связи, высокоскоростной передачи данных и дистанционного зондирования.

Группа инженеров под руководством исследователей из Университета Глазго разработала сверхтонкую двумерную поверхность, которая использует уникальные свойства метаматериалов для управления и преобразования радиоволн на частотах, наиболее часто используемых спутниками.

Метаматериалы — это структуры, которые были тщательно спроектированы с целью придания им свойств, которых нет у природных материалов.

Метаматериал, разработанный этой группой ученых и представленный сегодня в новой статье , опубликованной в журнале Communications Engineering, может позволить будущим поколениям спутников 6G передавать больше данных, улучшить их возможности дистанционного зондирования и получить выгоду от улучшенного качества сигнала.

Современные антенны связи предназначены для передачи и приема электромагнитных волн, ориентированных либо вертикально, либо горизонтально. Это свойство называется линейной поляризацией.

Несоосность передающих и принимающих антенн может привести к ухудшению сигнала, снижая его эффективность. Они также подвержены атмосферным эффектам, таким как затухание из-за дождя и ионосферные помехи, которые могут искажать сигналы.

Прорывной 2D-метаматериал команды преобразует линейно поляризованные электромагнитные волны в круговую поляризацию, что может улучшить качество связи между спутниками и наземными станциями. Спутниковая связь с круговой поляризацией обеспечивает повышенную надежность и производительность, сводя к минимуму ухудшение сигнала из-за несоответствия поляризации и многолучевых помех.

Круговая поляризация обладает высокой устойчивостью к атмосферным эффектам, таким как затухание из-за дождя и ионосферные возмущения, обеспечивая стабильные соединения. Это особенно полезно в мобильных приложениях , поскольку устраняет необходимость в точной настройке антенны.

Он также удваивает пропускную способность канала, используя как правую, так и левую круговую поляризацию. Эта гибкость упрощает конструкцию антенны для малых спутников, одновременно улучшая отслеживание спутников и обеспечивая надежные каналы связи в сложных условиях, что делает его идеальным для современных спутниковых систем.

Метаматериал, созданный командой, толщиной всего 0,64 мм, состоит из крошечных ячеек геометрически узорчатой ​​меди, которая накладывается на коммерческую печатную плату, обычно используемую в высокочастотной связи.

Поверхность метаматериала разработана для обеспечения сложного отражения и реполяризации электромагнитных волн. В лабораторных испытаниях поверхность 2D-метаматериала освещалась сигналами от рупорных антенн, а отраженная электромагнитная волна улавливалась с помощью сетевого анализатора, что позволило команде измерить эффективность преобразования устройства между линейной и круговой поляризацией. Экспериментальные результаты показали близкое сходство между смоделированными и экспериментальными измерениями для преобразования поляризации в круговую поляризацию.

Испытания также показали, что поверхность способна сохранять высокую производительность даже при падении на нее радиосигналов под углом до 45 градусов, что является ключевым фактором для космических приложений , где идеальное совмещение спутников с поверхностью может быть нестабильным.

Профессор Каммер Х. Аббаси из Инженерной школы Джеймса Уотта Университета Глазго является старшим и корреспондентом статьи. Он сказал: «Предыдущие разработки в области метаматериалов предоставили новые способы манипулирования электромагнитными волнами в устройствах с малыми форм-факторами. Однако они в значительной степени были ограничены узкими полосами спектра, что до сих пор ограничивало их практическое применение».

«Разработанная нами метаматериальная поверхность работает в широком диапазоне частот в диапазонах Ku, K и Ka, которые охватывают диапазон от 12 ГГц до 40 ГГц и широко используются в спутниковых приложениях и дистанционном зондировании .

«Такой вид двумерной метаматериальной поверхности, способной выполнять сложную задачу линейной и круговой поляризации, может позволить антеннам более эффективно взаимодействовать друг с другом в сложных условиях.

«Это может помочь спутникам обеспечивать лучшие сигналы для телефонов и более стабильные соединения для передачи данных. Это также может улучшить способность спутников сканировать поверхность Земли, улучшая наше понимание последствий изменения климата или нашу способность отслеживать миграцию диких животных».

Доктор Хумаюн Зубайр Хан был приглашенным постдокторантом в Школе инженерии Джеймса Уотта Университета Глазго во время разработки поверхности метаматериала. Сейчас он работает в Национальном университете наук и технологий в Пакистане и является первым автором статьи. Он сказал: «Это захватывающая разработка, которая значительно превосходит ранее разработанные технологии.

«Возможность манипулировать и преобразовывать электромагнитные волны с помощью одного устройства открывает целый ряд новых потенциальных приложений в секторе связи, но особенно в космической отрасли, где легкие, компактные материалы ценятся как способ снижения полезной нагрузки при запуске».

Профессор Мухаммад Имран возглавляет центр коммуникаций, зондирования и визуализации Университета Глазго и является соавтором статьи. Он сказал: «Одним из самых захватывающих аспектов разработанной нами метаповерхности является то, что ее можно легко производить массово, используя обычные технологии производства печатных плат».

«Это означает, что его можно легко и недорого изготовить, что может помочь ему в ближайшие годы стать широко распространенным в качестве ценного элемента бортового оборудования для спутников».