Потенциал технологии ТГц-диапазона неограничен, поскольку она обладает обширными ресурсами спектра для поддержки сверхскоростной передачи данных на уровне 100 Гбит/с (гигабит в секунду) и даже Тбит/с (терабит в секунду) для беспроводной связи, что в сотни и тысячи раз превышает скорость передачи данных 5G. Однако в обычных ТГц-системах используются громоздкие, тяжелые диэлектрические линзы и отражатели, которые могут направлять волны только на фиксированный передатчик или детектор или передавать их на единственный приемник, расположенный в фиксированном положении или покрывающий ограниченную площадь. Это препятствует разработке будущих приложений 6G, которые требуют точного позиционирования и концентрированной мощности сигнала.

Существующие громоздкие системы препятствуют применению 6G

Совместными усилиями двух исследовательских групп CityU, возглавляемых профессором Цай Дин-Пин, заведующим кафедрой электротехники, и профессором Чан Чи-Хоу, исполняющим обязанности проректора и директора Государственной ключевой лаборатории терагерцовых и миллиметровых волн (SKLTMW), были созданы новые настраиваемые метаустройства. для решения этих проблем недавно было разработано устройство, способное полностью контролировать направление распространения ТГц-луча и зону покрытия.

"Появление настраиваемого терагерцового метаустройства открывает захватывающие перспективы для систем связи 6G", - сказал профессор Цай, который является экспертом в области метаповерхностей и фотоники. "Наше мета-устройство позволяет доставлять сигнал конкретным пользователям или детекторам и обладает гибкостью для регулировки направления распространения по мере необходимости".

"Наши результаты предлагают ряд преимуществ для передовых терагерцовых систем... связи, включая безопасность, гибкость, высокую направленность и концентрацию сигнала", - добавил профессор Чен, который специализируется на исследованиях терагерцовых технологий.

Вращающаяся метаповерхность с тысячами микроантенн

Метаустройство состоит из двух или трех вращающихся метаповерхностей (искусственный тонколистовой материал с субволновой толщиной), которые работают как эффективные проекторы для направления фокусного пятна ТГц-лучей на двумерную плоскость или в трехмерное пространство. При диаметре 30 мм каждая метаповерхность имеет около 11 000 микроантенн, которые имеют размер всего 0,25 мм х 0,25 мм и отличаются друг от друга. "Секрет успеха мета-устройства заключается в тщательном расчете и проектировании каждой микроантенны", - сказал профессор Цай. Простым вращением метаповерхностей без дополнительных требований к пространству можно регулировать фокусировку ТГц-луча и направлять его соответственно в указанные координаты X, Y и Z пункта назначения.

Используя высокоточное и передовое оборудование SKLTMW, исследовательская группа провела эксперименты и убедилась, что два вида разработанных ими метаустройств с переменным фокусным расстоянием - дублетные и триплетные метаустройства - могут проецировать пятно фокусировки ТГц-волны в произвольное место в 2D плоскости и 3D пространстве соответственно, с высокой точностью.

Этот инновационный дизайн продемонстрировал способность метаустройства направлять сигнал 6G в определенное место в двух- и трехмерном пространстве.

Поскольку только пользователь или детектор в определенном месте может принимать сигнал, а высококонцентрированный сигнал может быть гибко переключен на других пользователей или детекторы, не тратя энергию на близлежащие приемники и не нарушая конфиденциальность, метаустройство может повысить направленность, безопасность и гибкость будущих коммуникаций 6G при меньшем потреблении энергии.

Простое масштабирование производства при низких затратах

Метаповерхности изготовлены с использованием высокотемпературной смолы и метода 3D-печати, разработанного командой. Они легкие и компактные и могут быть легко изготовлены в больших масштабах при низких затратах для практического применения.

Ожидается, что новое ТГц-перестраиваемое метаустройство будет иметь большой потенциал применения в системах связи 6G, включая беспроводную передачу энергии, масштабирование изображений и дистанционное зондирование. Исследовательская группа планирует разработать дополнительные приложения для метаустройств, основанные на терагерцовой варифокальной визуализации.

Результаты были опубликованы в научном журнале Научные достижения под названием "Мета-устройство 6G для 3D с переменным фокусным расстоянием".

Профессор Цай и профессор Чан являются соавторами-корреспондентами. Соавторами являются г-н Чжан Цзинчэн, аспирант под руководством профессора Цая, д-р Ву Генгбо, научный сотрудник SKLTMW, и д-р Чэнь Му-Ку, доцент кафедры электротехники в CityU. Мисс Лю Сяоюань, аспирант кафедры электротехники, и доктор Чан Ка-Фай из SKLTMW также внесли свой вклад в исследование.

Исследование было поддержано Комитетом по университетским грантам и Советом по исследовательским грантам САРГ, Комиссией по науке, технологиям и инновациям муниципального образования Шэньчжэнь, Департаментом науки и техники провинции Гуандун и CityU.