Городские стены заговорят на метаязыке: ученые придумали способ усилить радиосигнал

Связь в городских условиях — непростая задача. Радиосигналы должны преодолевать препятствия в виде стен, зданий и других сооружений, что приводит к их рассеиванию и уменьшению пропускной способности. Группа ученых из Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса (Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, APL) разработала технологию , которая переворачивает представления о передаче данных в местах большого скопления устройств.

Исследователи воплотили в жизнь концепцию метаповерхностей — это особые структуры, способные отражать, перенаправлять и модулировать электромагнитные сигналы для усиления пропускной способности. Ранее применение таких поверхностей было ограничено недостатками материала: потерями сигнала и необходимостью использования резонансных компонентов в дизайне. Технология команды APL преодолевает эти ограничения и усиливает отражательные свойства.

«Разработка найдет применение в таких сферах, как передовые коммуникации, новые низкоэнергетичные датчики и работа в наиболее тяжелых условиях» — подчеркнул Джефф Маранчи, руководитель исследовательской программы.

Ключевая особенность конструкций — возможность отдельного контроля величины (силы) и фазы (позиции во времени) электромагнитной волны.

«Когда сигнал проходит через метаповерхность, он взаимодействует с каждым из слоев на входе и на выходе. Эти взаимодействия очень сложны. Каждый слой, по сути, «общается» с остальными, они все будто знают друг о друге. Слои взаимодействуют, создавая желаемый эффект», — объяснил Тим Слисман, ведущий автор исследования.

Система управления сигналом состоит из набора патчевидных элементов, регулирующих ручек, варикапных диодов и резисторов. Динамическая каскадная метаповерхность балансирует величину и фазу. И все это умещается на маленькой, недорогой печатной плате.

Новая схема решает проблему неравномерной потери радиоволн, характерной для классических конструкций, и включает несколько резонансных материалов.

Возможности изобретения не ограничиваются только телекоммуникациями. «Хотя наша работа была сосредоточена на использовании в радиочастотном диапазоне, представленные нами концепции и методы имеют ценность в широком диапазоне электромагнитного спектра», — заявил Дэвид Шрекенхамер, руководитель программы по физике, электронным материалам и устройствам в APL.

Так, разработка будет полезна для создания более компактных и легких датчиков, потребляющих минимум энергии. Слисман привел пример: «У вас может быть датчик на буе в океане, измеряющий соленость воды. Вы не хотите загружать его батареями и активно принимать информацию. С помощью одной из этих поверхностей, вы можете пролететь над объектом на вертолете и извлечь данные, обратившись к метаповерхности, которая отразит сигнал обратно».

«Мы очень рады видеть, сколько интереса эта технология вызывает как в коммерческой сфере, так и в правительственных структурах», — заявил Слисман. «Мы планируем продолжить разработку концепта для разных приложений».