Будущее беспроводной связи должно совершить гигантский скачок с появлением беспроводной технологии шестого поколения (6G). Исследовательская группа из Городского университета Гонконга (CityU) изобрела новаторское настраиваемое терагерцовое (ТГц) метаустройство, которое может контролировать направление излучения и зону охвата терагерцовых лучей.

Поворачивая свою метаповерхность, устройство может быстро направить сигнал 6G только назначенному получателю, сводя к минимуму утечку энергии и повышая конфиденциальность. Ожидается, что он обеспечит хорошо регулируемые, направленные и безопасные средства для будущих систем связи 6G.

Потенциал технологии терагерцового диапазона безграничен, так как она имеет богатые ресурсы спектра для поддержки сверхвысокой скорости передачи данных на уровне 100 Гбит/с (гигабит в секунду) и даже терабит в секунду (терабит в секунду) для беспроводной связи, которая составляет от сотен до тысяч раз быстрее, чем скорость передачи данных 5G.

Однако в обычных ТГц системах используются громоздкие, тяжелые диэлектрические линзы и отражатели, которые могут направлять волны только к фиксированному передатчику или детектору или передавать их на один приемник, расположенный в фиксированном положении или покрывающий ограниченную область. Это препятствует развитию будущих приложений 6G, которые требуют точного позиционирования и высокой мощности сигнала.

Существующие громоздкие системы мешают приложениям 6G

Благодаря совместным усилиям двух исследовательских групп CityU под руководством профессора Цай Дин-Пин, профессора кафедры электротехники, и профессора Чан Чи-хоу, исполняющего обязанности ректора и директора Государственной ключевой лаборатории терагерцовых и миллиметровых волн ( SKLTMW), новое настраиваемое метаустройство, которое может полностью контролировать направление распространения терагерцового луча и зону покрытия, было недавно разработано для преодоления этих проблем.

«Появление настраиваемого терагерцового мета-устройства открывает захватывающие перспективы для систем связи 6G», — сказал профессор Цай, эксперт в области метаповерхностей и фотоники. «Наше мета-устройство позволяет доставлять сигнал конкретным пользователям или детекторам и имеет возможность гибко регулировать направление распространения по мере необходимости».

«Наши результаты предлагают ряд преимуществ для передовых систем связи на ТГц, включая безопасность, гибкость, высокую направленность и концентрацию сигнала», — добавил профессор Чан, специализирующийся на исследованиях в области терагерцовых технологий.

Вращающаяся метаповерхность с тысячами микроантенн

Метаустройство состоит из двух или трех вращающихся метаповерхностей (искусственный тонколистовой материал субволновой толщины), которые работают как эффективные проекторы для направления фокального пятна ТГц-лучей в двухмерной плоскости или в трехмерной. космос. При диаметре 30 мм каждая метаповерхность имеет около 11 000 микроантенн размером всего 0,25 x 0,25 мм, отличающихся друг от друга.

«Секрет успеха метаустройства заключается в тщательном расчете и проектировании каждой микроантенны», — сказал профессор Цай. Просто вращая метаповерхности без дополнительных требований к пространству, фокус терагерцового луча можно отрегулировать и направить на указанные координаты X, Y и Z пункта назначения соответственно.

Используя высокоточное и передовое оборудование SKLTMW, исследовательская группа провела эксперименты и подтвердила, что два типа разработанных ими варифокальных метаустройств — дуплетные и триплетные метаустройства — могут проецировать точку фокусировки терагерцовой волны в произвольную точку. в 2D-плоскости и 3D-пространстве соответственно с высокой точностью.

Этот инновационный дизайн продемонстрировал способность метаустройства направлять сигнал 6G в определенное место в двух- и трехмерном пространстве.

Поскольку только пользователь или детектор в определенном месте может принимать сигнал, а высококонцентрированный сигнал можно гибко переключать на других пользователей или детекторы, не тратя энергию на близлежащие приемники и не нарушая конфиденциальности, метаустройство может повысить направленность, безопасность и гибкость. в будущем связь 6G с более низким энергопотреблением.

Легко масштабировать производство при низких затратах

Метаповерхности изготовлены из высокотемпературной смолы и метода 3D-печати, разработанного командой. Они легкие и маленькие, и их можно легко производить в больших масштабах по низкой цене для практического применения.

Ожидается, что новое перестраиваемое метаустройство в ТГц будет иметь большой потенциал для применения в системах связи 6G , включая беспроводную передачу энергии, масштабирование изображения и дистанционное зондирование. Исследовательская группа планирует разработать дополнительные приложения для метаустройств на основе вариофокальной визуализации в терагерцовом диапазоне.