Японски учени разработиха метаматериал, който ще избави света от комуникационните смущения завинаги

Японски учени са разработили революционен начин за борба с радиосмущенията в безжичните комуникации. Те са създали „интелигентна повърхност“, способна самостоятелно да филтрира нежеланите сигнали без използването на допълнителна енергия и сложни изчисления.

Миниатюризацията на електронните схеми и развитието на дистанционното предаване на информация промениха из основи съвременния свят. Преходът към все по-високи честоти обаче се оказа доста голямо предизвикателство поради един важен нюанс – многолъчевото разпространение на вълните. Същността се състои в това, че електромагнитните вибрации достигат до приемащото устройство по различни начини: някои от тях директно, а други се отразяват от сгради, земя и други обекти.

Оттук произтичат и многото неприятни ефекти. В епохата на аналоговото телевизионно излъчване това явление предизвикваше ефекта на призрачни двойни изображения на екрана. В съвременните комуникационни системи то причинява избледняване на данните и загуба на информация.

Досега инженерите не можеха да се справят с проблема поради две основни ограничения. Първо, отразените вълни имат същата честота като основното излъчване, така че традиционните методи за честотно филтриране няма да помогнат. Второ, ъглите на падане на лъжливите сигнали постоянно се променят и не могат да бъдат предвидени.

Материалите с линейни характеристики не могат да се справят с тази задача. В такива LTI (линейно неизменни във времето) системи отговорът на електромагнитни вълни с определена честота остава непроменен, независимо от това кога пристигат. Активните филтриращи схеми, макар и ефективни, изискват постоянно захранване и скъпа електроника.

Изследователски екип, ръководен от доцент Хироки Вакацучи от Технологичния институт в Нагоя е предложил необикновено решение. Техният проект се основава на метаматериал – специална структура, съставена от множество еднакви елементи.

Всяка клетка съдържа MOSFET, който действа като автоматичен превключвател. В зависимост от потенциалната разлика между контактите микроклетката образува или прекъсване, или късо съединение. По този начин комплексът променя характеристиките си без външна намеса.

Начинът, по който функционира алгоритъмът може да се сравни с автоматичен портал. Когато пристигне първоначалният сигнал, повърхността се настройва към неговите параметри, като осигурява максимална проводимост. В същото време електромагнитните трептения предизвикват поредица от трансформации в съседните участъци. Разпределението на електрическото съпротивление – ключов параметър, който определя взаимодействието на веществото с последващите радиовълни, се променя.

Пренареждането на електрическите свойства на материала блокира нежеланите отражения, идващи от различни посоки. Този принцип на защита от смущения напомня и за работата на нашата имунна система: след като се е сблъскал с патоген, организмът не само се бори с него, но и запомня характеристиките му, за да разпознава бързо и неутрализира подобни заплахи в бъдеще.

По същия начин метаповърхността „запомня“ характеристиките на основния сигнал и прекъсва неговите забавени копия.

За да проверят ефективността на разработката, учените създават експериментална инсталация под формата на шестоъгълна призма. Всяко лице било покрито с метаматериал, съставен от двойки свързани помежду си клетки. В центъра на структурата е поставено приемно устройство. Към различните лица на призмата се насочвало излъчване от няколко предавателя с малко времево закъснение, пресъздавайки реална картина на многопътно разпространение на радиовълни.

Практическите тестове надминаха теоретичните изчисления. Системата усилваше първичния сигнал с 10 децибела, като потискаше всички следващи вълни, независимо от тяхната траектория. За първи път бе възможно да се реализира пасивен филтър, който да различава електромагнитни колебания с една и съща честота, идващи от различни посоки.

За разлика от адаптивните антенни системи, използвани днес, новата технология не изисква свързване към електрическата мрежа. Въпреки че настоящият модел използва стандартни полупроводници и опростена архитектура на приемните елементи, изследователите са уверени, че въвеждането на усъвършенствана електронна база ще подобри многократно производителността.

В същото време обхватът на разработката се простира далеч отвъд защитата от смущения. „Създадената концепция за пасивна филтрация отваря пътя за иновативни радиочестотни технологии“, обяснява ръководителят на проекта. Сред перспективните области той изтъква разработването на антени от ново поколение, високочувствителни сензори, устройства за визуализация и програмируеми отразяващи панели. Технологията е особено ценна за евтините комуникационни системи, където традиционните методи за цифрова обработка са трудни за прилагане поради високите разходи.