科學家表示，一種新型、廉價、易於製造的設備可能會改善衛星通訊、高速資料傳輸和遙感。

由格拉斯哥大學研究人員領導的工程師團隊開發了一種超薄二維表面，該表面利用超材料的獨特屬性來操縱和轉換無線電波跨越衛星最常用的頻率。

超材料是經過精心設計的結構，賦予其天然材料所不存在的特性。

該團隊的超材料今天以新的形式亮相紙發表在期刊上通訊工程，可以讓未來幾代6G衛星攜帶更多數據，提高遙感能力，並從改善的訊號品質中受益。

目前的通訊天線設計用於發射和接收垂直或水平方向的電磁波，這種特性稱為線性極化。

發射和接收天線之間的未對準可能會導致訊號衰減，從而降低其效率。它們也容易受到雨衰和電離層幹擾等大氣影響，導致訊號失真。

該團隊突破性的二維超材料將線偏振電磁波轉換為圓偏振，這可以提高衛星和地面站之間的通訊品質。採用圓極化的衛星通訊可提高可靠性和性能，最大限度地減少極化失配和多路徑幹擾造成的訊號衰減。

圓偏振對雨衰和電離層幹擾等大氣影響具有很強的抵抗力，可確保穩定的連接。它特別有益於行動應用程式，因為它消除了精確天線對準的需要。

它還透過使用右旋和左旋圓極化使通道容量加倍。這種靈活性簡化了小型衛星的天線設計，同時也改進了衛星在充滿挑戰的環境中追蹤並提供強大的通訊鏈路，使其成為現代衛星系統的理想選擇。團隊的超材料厚度僅為 0.64 毫米，由幾何圖案銅的微小單元製成，覆蓋在高頻通訊中常用的商用電路板上。

超材料的表面被設計成允許電磁波的複雜反射和重新極化。

在實驗室測試中，二維超材料表面被喇叭天線的訊號照亮，並使用網路分析儀捕捉反射的電磁波，這使得團隊能夠測量設備在線性和圓極化之間轉換的有效性。實驗結果表明，偏振轉換為圓偏振的模擬測量與實驗測量非常相似。

他們的測試還表明，即使無線電訊號以高達 45 度的角度掃過該表面，該表面也能夠保持高性能——這是空間應用，衛星和表面之間的完美對準可能轉瞬即逝。

格拉斯哥大學詹姆斯·瓦特工程學院的 Qammer H. Abbasi 教授是該論文的資深作者和通訊作者。他說：「超材料的先前發展為在小尺寸設備中操縱電磁波提供了新的方法。然而，它們在很大程度上僅限於窄頻帶，這限制了它們的實際應用。

「我們開發的超材料表面適用於 Ku、K 和 Ka 頻段的廣泛頻率，涵蓋 12 GHz 至 40 GHz，通常用於衛星應用和遙感。

「這種二維超材料表面能夠完成線性到圓極化的複雜任務，可以使天線在具有挑戰性的條件下更有效地相互通訊。

“它可以幫助衛星為電話提供更好的信號，並為數據傳輸提供更穩定的連接。它還可以提高衛星掃描地球表面的能力，提高我們對氣候變遷影響的理解或追蹤野生動物遷徙的能力” 。

Humayun Zubair Khan 博士是格拉斯哥大學詹姆斯瓦特工程學院的訪問博士後，致力於超材料表面的開發。現任職於巴基斯坦國立科技大學，他是該論文的第一作者。他說：「這是一項令人興奮的發展，其性能顯著優於以前開發的技術。

“能夠用單台設備操縱和轉換電磁波，在通信領域開闢了一系列新的潛在應用，特別是在航太工業中，輕質、緊湊的材料有助於降低發射有效載荷。”

穆罕默德·伊姆蘭教授領導格拉斯哥大學通訊、感測和成像中心，也是論文的合著者。他說：「我們開發的超表面最令人興奮的方面之一是它可以使用傳統的印刷電路板製造技術輕鬆大量生產。

“這意味著它可以輕鬆且經濟地製造，這可能有助於它在未來幾年作為有價值的衛星機載設備得到廣泛採用。”