科学家表示，一种新型、廉价、易于制造的设备可能会改善卫星通信、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了一种超薄二维表面，该表面利用超材料的独特属性来操纵和转换无线电波跨越卫星最常用的频率。

超材料是经过精心设计的结构，赋予其天然材料所不存在的特性。

该团队的超材料今天以新的形式亮相纸发表在期刊上通讯工程，可以让未来几代6G卫星携带更多数据，提高遥感能力，并从改善的信号质量中受益。

当前的通信天线设计用于发射和接收垂直或水平方向的电磁波，这种特性称为线性极化。

发射和接收天线之间的未对准可能会导致信号衰减，从而降低其效率。它们还容易受到雨衰和电离层干扰等大气影响，从而导致信号失真。

该团队突破性的二维超材料将线偏振电磁波转换为圆偏振，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失配和多径干扰造成的信号衰减。

圆偏振对雨衰和电离层干扰等大气影响具有很强的抵抗力，可确保稳定的连接。它特别有益于移动应用程序，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加倍。这种灵活性简化了小型卫星的天线设计，同时改进了卫星在充满挑战的环境中跟踪并提供强大的通信链路，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，由几何图案铜的微小单元制成，覆盖在高频通信中常用的商用电路板上。

超材料的表面被设计成允许电磁波的复杂反射和重新极化。

在实验室测试中，二维超材料表面被来自喇叭天线的信号照亮，并使用网络分析仪捕获反射的电磁波，这使得团队能够测量设备在线性和圆极化之间转换的有效性。实验结果表明，偏振转换为圆偏振的模拟测量与实验测量非常相似。

他们的测试还表明，即使无线电信号以高达 45 度的角度扫过该表面，该表面也能够保持高性能——这是空间应用，卫星和表面之间的完美对准可能转瞬即逝。

格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的 Qammer H. Abbasi 教授是该论文的资深作者和通讯作者。他说：“超材料的先前发展为在小尺寸设备中操纵电磁波提供了新的方法。然而，它们在很大程度上仅限于窄频带，这限制了它们的实际应用。

“我们开发的超材料表面适用于 Ku、K 和 Ka 频段的广泛频率，涵盖 12 GHz 至 40 GHz，通常用于卫星应用和遥感。

“这种二维超材料表面能够完成线性到圆极化的复杂任务，可以使天线在具有挑战性的条件下更有效地相互通信。

“它可以帮助卫星为电话提供更好的信号，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”。

Humayun Zubair Khan 博士是格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的访问博士后，致力于超材料表面的开发。现供职于巴基斯坦国立科技大学，他是该论文的第一作者。他说：“这是一项令人兴奋的发展，其性能显着优于以前开发的技术。

“能够用单台设备操纵和转换电磁波，在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、紧凑的材料有助于降低发射有效载荷。”

穆罕默德·伊姆兰教授领导格拉斯哥大学通信、传感和成像中心，也是该论文的合著者。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批量生产。

“这意味着它可以轻松且经济地制造，这可能有助于它在未来几年作为有价值的卫星机载设备得到广泛采用。”