Китай създаде метаповърхност „3 в 1“: комуникация, радар и събиране на енергия в един панел

Екип от Сианския университет по електроника и технологии (Xidian University, Китай) показа прототип на преконфигурируема метаповърхност за 6G антени, която може едновременно да функционира като управляема антенна решетка, като рефлектор за комуникации извън зоната на пряката видимост и като приемник за улавяне на безжичната енергия. В сценариите за приложение това означава комуникационна инфраструктура, която не само „изготвя“ радиоканал за задачата, но и частично захранва сензорите и ретранслаторите чрез фоновото излъчване – а в по-смелите интерпретации, обсъждани в азиатските медии, теоретично позволява на военните платформи да събират енергия от вражеските радарни импулси.

В основата на работата е класическата идея за RIS (reconfigurable intelligent surface) за бъдещите мрежи: плосък панел с много „мета-атоми“, които по команда променят фазата и амплитудата на отразената или излъчената вълна, като по този начин контролират фронта на вълната почти като леща, но при радиочестотите. Във версията на Xidian един и същ елемент може да превключва между режим на „излъчване“ (панелът всъщност се превръща в програмируема антенна решетка) и режим на „разсейване“ (контролирано отразяване на падащата вълна). Това е постигнато със сравнително евтин хардуер – метаатомът използва излъчващ елемент тип „patch“ и 3 DB отвеждащ елемент, а превключването на режимите и 1-битовото управление на фазата се реализират само с два PIN диода на отвеждащия елемент – състоянието на диодите определя дали сигналът се излъчва или повърхността работи като отражател.

Ключов инженерен трик е борбата с паразитните пикове и страничните дялове, които са особено забележими при простите 1-битови решения: грубото фазово квантуване обикновено влошава модела и ефективността. Авторите са добавили четири „начални“ фази, като са променяли капацитивното натоварване на плаката (в статията се посочват стойности до 0,5 pF), и по този начин са потиснали решетъчните ленти без тежка оптимизация на разположението на елементите.

На практика панел с 12×12 елемента, изработен като печатна платка, показа сканиране на лъча в рамките на ±45° при 5,8 GHz и приемливо ниво на страничните ленти; в режим на излъчване се посочват усилвания от порядъка на 18,8-21,3 dBi, а в експеримента – близки стойности.

Най-обсъжданата част е мощността. В експеримента Wireless Energy Harvesting (WEH) изследователите подават 0 dBm сигнал на 5,8 GHz към предавателна рупорна антена и поставят панела на разстояние 1,5 метра. Те измерили максимална стойност от -32,42 dBm и минимална стойност от -38,6 dBm при девет портала за приемане на енергия, след което посочват, че чрез свързване на изправител радиочестотната енергия може да се преобразува в постоянен ток за захранване на електрониката. Преведено в „човешки“ стойности, това е част от микроват на порт: т.е. не става дума за поток от „безплатна енергия“ за сложни системи, а за възможност за точково захранване на маломощни сензори, идентификатори, спомагателна електроника или съхранение на енергия със значителен брой елементи и близки източници на излъчване.

В този случай работата се вписва добре в логиката на 6G, където все повече се говори за интегриране на комуникацията и радарното „засичане“ на околната среда (integrated communication and sensing) и прехвърляне на част от интелекта в самия радиоканал – стени, фасади, прегради, елементи на градската инфраструктура.

Статията на Xidian илюстрира това с нагледен сценарий за комуникация отвъд пряката видимост: в Г-образен коридор инсталирането на RIS в зоната на завой увеличава средната плътност на мощността от „сляпата“ страна с около 8 dB при изчисленията и с около 7 dB при полевия експеримент с подходяща настройка на ъгъла на отклонение. Точно това е класът проблеми, заради които RIS се популяризира активно като начин за „разширяване“ на покритието в местата, където базовата станция се сблъсква с бетон, метал и геометрия на улицата.

По-нататък започва област на тълкуване, в която се смесват цивилните и военните интерпретации. В редица публикации се обсъжда концепцията за „електромагнитно кооперативно скриване“ – когато множество платформи управляват отразяването по координиран начин, намалявайки общата забележимост, като същевременно „събират“ енергията от сондиращите сигнали. В строг смисъл работата на Ксидиан все още се отнася до метаповърхността за 6G комуникации/сценарии и събиране на енергия в контролиран експеримент, докато прехвърлянето към самолетния стелт се основава на честотните диапазони на радарите, мощността и импулсното излъчване, топлинните и структурните ограничения и, най-важното, на факта, че ефективното поглъщане и контролираното повторно излъчване са в различни физични режими и различни компромиси.

Но самата тенденция е показателна: границата между „комуникации“ и „електронна война“ технологично става все по-тънка, защото и двете решават един и същ проблем – кой и как контролира електромагнитната среда.

Геополитическият контекст около 6G също засилва интереса към такива разработки. Според оценки, често цитирани в индустриалните медии, на Китай се падат около 40,3% от заявките за патенти в областта на 6G, докато на САЩ – около 35,2%. Паралелно с това Пекин прокарва своята програма за стандартизация, а търговската перспектива за 6G все още се определя от много участници като 2030 г. – това съвпада както със сроковете на индустрията, така и с изявленията на китайските промишлени органи.

Като оставим настрана големите заглавия, практическата гледна точка на подобни „комбинаторни повърхности“ е икономиката на инфраструктурата. Колкото повече функции могат да бъдат събрани в един плосък модул (контролирано излъчване, контролирано отражение, приемане, зареждане на спомагателни устройства), толкова по-лесно е да се превърнат сградите, тунелите, промишлените съоръжения и транспортните възли в контролирана радиосреда – и толкова по-близки са сценариите, при които мрежата не само предава данни, но и „вижда“ пространството, адаптира се към него и захранва сензорите. На ниво прототип това все още са микроватни мощности, но именно от такива „некрасиви“ инженерни решения обикновено възникват големите стандарти.