Невидимый вышибала для радиоволн: японский метаматериал навсегда избавит мир от помех связи

Японские учёные разработали революционный способ борьбы с радиопомехами в беспроводных коммуникациях. Они создали "умную поверхность", способную самостоятельно отфильтровывать нежелательные сигналы без использования дополнительной энергии и сложных вычислений.

Миниатюризация электронных схем и эволюция дистанционной передачи информации кардинально изменили современный мир. Однако переход на всё более высокие частоты оказался довольно проблематичной задачей из-за одного важного нюанса — многолучевого распространения волн. Суть в том, что электромагнитные колебания достигают приёмного устройства разными путями: часть попадает напрямую, а другая — отражаясь от зданий, земли и прочих объектов.

Отсюда - множество неприятных эффектов. В эпоху аналогового телевещания это явление вызывало эффект призрачных двойников картинки на экране. В современных системах коммуникации из-за него происходит затухание данных и потеря информации.

До настоящего времени инженеры не могли справиться с проблемой из-за двух фундаментальных ограничений. Во-первых, отражённые волны обладают той же частотой, что и основное излучение, поэтому традиционные методы частотной фильтрации никак не спасут. Во-вторых, углы падения паразитных сигналов постоянно меняются и не поддаются прогнозированию.

Материалы с линейными характеристиками с поставленной задачей не справляются. В таких LTI-системах (linear time-invariant) реакция на электромагнитные волны определённой частоты остаётся неизменной вне зависимости от момента их поступления. Активные схемы фильтрации, хотя и демонстрируют эффективность, нуждаются в постоянном питании и дорогостоящей электронике.

Научная группа под началом доцента Хироки Вакацути из Нагойского технологического института предложила неординарное решение. Разработанная ими конструкция базируется на метаматериале — особой структуре из множества одинаковых элементов. В каждой ячейке размещён полевой МОП-транзистор (MOSFET), выполняющий роль автоматического переключателя. В зависимости от разности потенциалов между контактами микроэлемент формирует либо разрыв, либо замыкание электрической цепи. Таким образом комплекс меняет свои характеристики без стороннего вмешательства.

То, как алгоритм функционирует, можно сравнить с автоматическим шлюзом. При поступлении исходного сигнала поверхность настраивается на его параметры, обеспечивая максимальную проводимость. В то же время электромагнитные колебания запускают последовательность трансформаций в прилегающих секциях. Модифицируется распределение электрического сопротивления — ключевой параметр, определяющий взаимодействие вещества с последующими радиоволнами.

Перестройка электрических свойств материала блокирует нежелательные отражения, поступающие с разных направлений. Ещё такой принцип защиты от помех напоминает работу нашей иммунной системы: встретившись с возбудителем заболевания, организм не только борется с ним, но и запоминает его характеристики, чтобы в будущем быстро распознавать и нейтрализовать похожие угрозы. Аналогичным образом метаповерхность "запоминает" характеристики основного сигнала и отсекает его запоздавшие копии.

Для проверки эффективности разработки ученые создали экспериментальную установку в форме шестигранной призмы. На каждую грань нанесли метаматериал из парных взаимосвязанных ячеек. В центре конструкции разместили приёмное устройство. К различным граням призмы направили излучение от нескольких передатчиков с небольшой временной задержкой, воссоздавая реальную картину многолучевого распространения радиоволн.

Практические испытания превзошли теоретические расчёты. Система усиливала первичный сигнал на 10 децибел, подавляя все последующие волны независимо от их траектории. Впервые удалось реализовать пассивный фильтр, различающий электромагнитные колебания одинаковой частоты, приходящие с разных сторон.

"Предложенный нами метод фундаментально отличается от существующих разработок", — комментирует профессор Вакацути. Главным преимуществом он считает отсутствие необходимости в сложных алгоритмах обработки данных. Это открывает путь к созданию доступных устройств, к примеру, для интернета вещей.

В отличие от применяемых сегодня адаптивных антенных комплексов новая технология не требует подключения к электросети. Хотя действующий образец использует стандартные полупроводники и упрощённую архитектуру приёмных элементов, исследователи уверены: внедрение передовой электронной базы в разы улучшит показатели.

При этом область применения разработки простирается далеко за рамки защиты от помех. "Созданная концепция пассивной фильтрации открывает дорогу инновационным радиочастотным технологиям", — поясняет руководитель проекта. Среди перспективных направлений он выделяет разработку антенн нового поколения, высокочувствительных датчиков, устройств визуализации, программируемых отражающих панелей. Особую ценность технология представляет для бюджетных систем связи, где традиционные методы цифровой обработки сложно реализовать из-за высокой стоимости.