В Гонконге изобрели новаторское устройство для связи 6G

Будущее беспроводной связи совершит гигантский скачок с появлением беспроводной технологии шестого поколения, то есть 6G. Исследовательская группа из Городского университета Гонконга (CityU) изобрела новаторское перестраиваемое терагерцевое (ТГц) метаустройство, которое может контролировать направление излучения и зону покрытия терагерцевых лучей. Результаты опубликовали в журнале Science Advances («Научные достижения»).


На заглавной иллюстрации: два мета-устройства сверху предназначены для 2D-манипуляций. Одно внизу слева предназначено для тестирования, а то, что внизу справа, представляет собой метаповерхность триплетного метаустройства. Вращая метаповерхность, устройство может быстро направлять сигнал 6G только назначенному получателю, сводя к минимуму утечку электроэнергии и повышая конфиденциальность. Ожидается, что они обеспечат высокорегулируемое, направленное и безопасное средство для будущих систем связи 6G.

Потенциал технологии ТГц-диапазона не ограничен, поскольку у него большой спектр для поддержки сверхскоростной передачи данных на уровне 100 Гбит/с (гигабит в секунду) и даже Тбит/с (терабит в секунду) для беспроводной связи, что в сотни и тысячи раз превышает скорость передачи данных 5G.

Однако в обычных ТГц-системах используются громоздкие, тяжёлые диэлектрические линзы и отражатели, которые могут направлять волны только на стационарный передатчик или детектор или передавать их на один приёмник, расположенный в фиксированном положении или охватывающий ограниченную площадь. Это препятствует разработке будущих приложений 6G, которые требуют точного позиционирования и концентрированного сигнала.

Существующие громоздкие системы препятствуют применению 6G. Совместными усилиями двух исследовательских групп CityU, возглавляемых профессором Цай Дин-Пином, профессором кафедры электротехники, и профессором Чан Чи-Хоу, исполняющим обязанности проректора и директором Государственной лаборатории терагерцевых и миллиметровых волн (SKLTMW), были созданы новые настраиваемые метаустройства, которые могут полностью контролировать направление распространения и зону покрытия ТГц-луча.


— Цай Дин-Пин, профессор, эксперт в области метаповерхностей и фотоники.

Метаустройство состоит из двух или трёх вращающихся метаповерхностей, то есть искусственного тонколистового материала с субволновой толщиной. Матаповерхности работают как эффективные проекторы для управления фокусным пятном ТГц-лучей на двумерной плоскости или в трёхмерном пространстве. При диаметре 30 мм каждая метаповерхность имеет около 11 тыс. микроантенн, которые имеют размеры всего 0,25 мм х 0,25 мм и отличаются друг от друга.

Секрет успеха мета-устройства заключается в тщательном расчёте и проектировании каждой микроантенны, пояснил профессор Цай. Простым вращением метаповерхностей без дополнительных требований к пространству фокус ТГц-луча может быть отрегулирован и направлен соответственно на указанные координаты X, Y и Z пункта назначения.

С помощью высокоточного и современного оборудования в SKLTMW исследовательская группа провела эксперименты и убедилась, что два вида разработанных ими метаустройств с переменным фокусным расстоянием — дублетные и триплетные метаустройства — могут проецировать пятно фокусировки ТГц-волны в произвольное пятно на 2D-плоскости и в 3D-пространстве соответственно с высокой точностью.



Инновационная разработка показала способность метаустройства направлять сигнал 6G в определённое место в двух- и трёхмерном пространстве. Поскольку сигнал может принимать только пользователь или детектор в определённом месте, а высококонцентрированный сигнал можно гибко переключать на других пользователей или детекторы, не тратя энергию на близлежащие приёмники или не нарушая конфиденциальность, метаустройство может повысить направленность, безопасность и гибкость будущих коммуникаций 6G при меньшем потреблении энергии.

Метаповерхности изготавливаются с использованием высокотемпературной смолы и метода 3D-печати, разработанного командой учёных. Они лёгкие и небольшие, и их можно легко производить в больших масштабах при низких затратах.

Ожидается, что новое терагерцевое настраиваемое метаустройство будет иметь большой потенциал для применения в системах связи 6G, включая беспроводную передачу энергии, масштабирование изображений и дистанционное зондирование. Исследовательская группа планирует разработать дополнительные приложения для метаустройств на основе терагерцевой варифокальной визуализации.