新型二维超材料增强6G网络的卫星通信

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科学家称，一种新型、廉价、易于制造的设备可以改善卫星通信、高速数据传输和遥感。
由格拉斯哥大学研究人员领导的工程师团队开发出了一种超薄二维表面，该表面利用超材料的独特性质来操纵和转换卫星最常用频率的无线电波。
超材料是经过精心设计的结构，使其具有自然材料中不存在的特性。
该团队的超材料今天在《通信工程》杂志上发表的一篇新论文中公布，它可以使未来几代 6G 卫星携带更多数据，提高其遥感能力，并从改善的信号质量中受益。
当前的通信天线设计用于发送和接收垂直或水平方向的电磁波，这种特性称为线性极化。
发射天线和接收天线之间的错位会导致信号衰减，降低其效率。它们还容易受到大气影响，例如雨衰和电离层干扰，这些都会使信号失真。
该团队的突破性二维超材料将线性极化电磁波转换为圆极化，这可以提高卫星和地面站之间的通信质量。采用圆极化的卫星通信可提高可靠性和性能，最大限度地减少极化不匹配和多径干扰造成的信号衰减。
圆极化对大气影响（如雨衰和电离层干扰）具有很强的抵抗力，可确保连接稳定。它在移动应用中尤其有用，因为它消除了精确天线对准的需要。
它还通过使用右旋和左旋圆极化使信道容量翻倍。这种灵活性简化了小型卫星的天线设计，同时改善了卫星跟踪并在具有挑战性的环境中提供了强大的通信链路，使其成为现代卫星系统的理想选择。
该团队的超材料厚度仅为 0.64 毫米，由几何图案的铜微小单元制成，铺设在常用于高频通信的商用电路板上。
超材料的表面设计允许电磁波进行复杂的反射和再极化。在实验室测试中，二维超材料表面被喇叭天线的信号照射，反射的电磁波被网络分析仪捕获，这使得团队能够测量该设备在线性和圆极化之间转换的有效性。实验结果表明，极化转换为圆极化的模拟测量和实验测量结果非常相似。
他们的测试还表明，即使无线电信号以高达 45 度的角度掠过表面，表面也能够保持高性能——这是太空应用的一个关键考虑因素，因为卫星和表面之间的完美对齐可能会转瞬即逝。
格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的 Qammer H. Abbasi 教授是这篇论文的资深作者和通讯作者。他表示：“超材料领域的先前发展为在小型设备中操控电磁波提供了新方法。然而，它们在很大程度上局限于频谱的窄带，这限制了它们迄今为止的实际应用。
“我们开发的超材料表面可在 Ku、K 和 Ka 波段的广泛频率范围内工作，频率范围从 12 GHz 到 40Ghz，常用于卫星应用和遥感。
“这种二维超材料表面能够完成从线性到圆极化的复杂任务，可以使天线在恶劣的条件下更有效地相互通信。
“它可以帮助卫星为手机提供更好的信号，并为数据传输提供更稳定的连接。它还可以提高卫星扫描地球表面的能力，提高我们对气候变化影响的理解或追踪野生动物迁徙的能力。”
在超材料表面的开发过程中，Humayun Zubair Khan 博士曾是格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的客座博士后。他目前在巴基斯坦国立科技大学任教，是这篇论文的第一作者。他说：“这是一个令人兴奋的进展，它的表现远远超过之前开发的技术。”
“能够使用一台设备操纵和转换电磁波，为整个通信领域开辟了一系列新的潜在应用，特别是在航天工业中，轻质、紧凑的材料因有助于降低发射有效载荷而受到青睐。”
穆罕默德·伊姆兰教授是格拉斯哥大学通信、传感和成像中心的负责人，也是这篇论文的合著者。他说：“我们开发的超表面最令人兴奋的方面之一是，它可以使用传统的印刷电路板制造技术轻松进行批量生产。
“这意味着它可以轻松且经济地制造，这可以帮助它在未来几年内成为卫星上有价值的机载设备并被广泛采用。”