科学者らによると、安価で製造が容易な新しいデバイスは、衛星通信、高速データ伝送、リモートセンシングの改善につながる可能性があるという。

グラスゴー大学の研究者が率いるエンジニアのチームは、メタマテリアルのユニークな特性を利用して操作および変換する極薄 2D サーフェスを開発しました。電波衛星によって最も一般的に使用される周波数全体にわたって。

メタマテリアルは、天然の材料には存在しない特性を吹き込むために注意深く設計された構造です。

チームのメタマテリアルが本日新たに発表されました紙雑誌に掲載されました通信工学将来の世代の 6G 衛星は、より多くのデータを伝送し、リモート センシング能力を向上させ、信号品質の向上による恩恵を受けることができる可能性があります。

現在の通信アンテナは、垂直または水平方向の電磁波を送受信するように設計されています。これを直線偏波と呼びます。

送信アンテナと受信アンテナの間の位置がずれていると、信号の劣化が生じ、効率が低下する可能性があります。また、雨によるフェージングや電離層干渉などの大気の影響を受けやすく、信号が歪む可能性があります。

同チームの画期的な 2D メタマテリアルは、直線偏波の電磁波を円偏波に変換し、衛星と地上局間の通信の品質を向上させる可能性があります。円偏波を使用した衛星通信により、信頼性とパフォーマンスが向上し、偏波の不一致やマルチパス干渉による信号の劣化が最小限に抑えられます。

円偏波は雨のフェージングや電離層の乱れなどの大気の影響に強く、安定した接続を保証します。特に有益なのは、モバイルアプリケーション正確なアンテナの調整が不要になるためです。

また、右旋円偏波と左旋円偏波の両方を使用することにより、チャネル容量が 2 倍になります。この柔軟性により、小型衛星のアンテナ設計が簡素化され、同時にアンテナの性能も向上します。衛星困難な環境でも堅牢な通信リンクを追跡して提供するため、最新の衛星システムに最適です。研究チームのメタマテリアルは厚さわずか 0.64 mm で、幾何学模様の銅の小さなセルから作られており、高周波通信で一般的に使用される市販の回路基板の上に配置されています。

メタマテリアルの表面は、電磁波の高度な反射と再分極を可能にするように設計されています。

実験室テストでは、2D メタマテリアルの表面がホーン アンテナからの信号によって照射され、反射された電磁波がネットワーク アナライザーを使用して捕捉されました。これにより、チームはデバイスの直線偏波と円偏波の間の変換の有効性を測定できるようになりました。実験結果は、円偏光への偏光変換のシミュレーション測定と実験測定が非常に類似していることを示しました。

彼らのテストでは、無線信号が最大 45 度の角度で表面を横切る場合でも、表面が高性能を維持できることもわかりました。これは重要な考慮事項です。宇宙応用衛星と地表の間の完全な位置合わせは一時的なものになる可能性があります。

グラスゴー大学ジェームズ・ワット工学部のカマー・H・アッバシ教授は、この論文の上級著者兼責任著者である。同氏は、「これまでのメタマテリアルの開発は、小型フォームファクターのデバイスで電磁波を操作する新しい方法を提供してきた。しかし、それらは主にスペクトルの狭い帯域に限定されており、これまでのところ実用的な応用は限られている。」と述べた。

「私たちが開発したメタマテリアル表面は、12 GHz ～ 40 GHz の Ku バンド、K バンド、Ka バンドの幅広い周波数で機能し、衛星アプリケーションや衛星アプリケーションで一般的に使用されています。リモートセンシング。

「この種の 2D メタマテリアル表面は、直線偏波から円偏波への複雑なタスクを実行できるため、困難な状況でもアンテナがより効果的に相互通信できるようになります。

「これは、衛星が電話により良い信号を提供したり、データ送信により安定した接続を提供したりするのに役立つ可能性があります。また、衛星が地表をスキャンする能力も向上し、気候変動の影響や野生生物の移動を追跡する能力についての理解が向上する可能性があります」。」

フマユーン ズバイル カーン博士は、メタマテリアル表面の開発中にグラスゴー大学ジェームス ワット工学部の客員博士研究員として勤務しました。現在、パキスタンの国立科学技術大学に在籍している彼は、この論文の筆頭著者です。同氏は、「これはエキサイティングな開発であり、以前に開発された技術を大幅に上回ります。

「単一の機器で電磁波を操作および変換できることにより、通信分野全体に新たな応用の可能性が広がりますが、特に宇宙産業では、打ち上げペイロードを抑えるために軽量でコンパクトな材料が高く評価されています。」

ムハマド・イムラン教授はグラスゴー大学の通信、センシング、イメージングハブを率いており、この論文の共著者でもある。同氏は、「私たちが開発したメタサーフェスの最も興味深い点の 1 つは、従来のプリント基板製造技術を使用して簡単に大量生産できることです。

「これは、簡単かつ手頃な価格で製造できることを意味しており、今後数年で衛星用の貴重な搭載機器として広く採用される可能性がある。」