9 月 18 日消息，超材料具有同類天然材料不具備的特性。英國格拉斯哥大學研究人員現(xiàn)開發(fā)出了一種新型、廉價、易于制造的超薄二維（2D）超表面材料，能對衛(wèi)星最常用的電磁波進行操縱和轉換，有望提升 6G 衛(wèi)星在通信、高速數(shù)據(jù)傳輸和遙感方面的能力。相關論文已發(fā)表于新一期《通信工程》（附 DOI:10.1038/s44172-024-00266-5）。

該團隊通過這種突破性的 2D 超表面材料將“線偏振”的電磁波轉換為“圓偏振”，從而提高衛(wèi)星和地面站之間通信的質量，提供更高的可靠性和性能，最大限度地減少由于偏振失配和多徑干擾而導致的信號降級。

注：電磁波的電場與磁場彼此相互垂直，電磁波的偏振方向一般指的是電場的偏振方向。在自由空間中，電磁波以橫波方式傳播，即電場與磁場又都垂直于電磁波的傳播方向。理論而言，只要垂直于傳播方向的方向，振蕩的電場可以呈任意方向。假若電場的振蕩只朝著單獨一個方向，則稱此為“線偏振”或“平面偏振”；假若電場的振蕩方向是以電磁波的波頻率進行旋轉動作，并且電場矢量的矢端隨著時間流意勾繪出圓形，則稱此為“圓偏振”。

“圓偏振”對大氣影響（如雨衰和電離層干擾）具有很高的抵抗力，能夠實現(xiàn)穩(wěn)定的通訊連接，所以在移動應用中意義重大，因為它消除了對精確天線對準的需求。

此外，這種材料還能通過不同圓偏振使得信道容量翻倍，從而簡化了小型衛(wèi)星的天線設計，同時改善了衛(wèi)星跟蹤并為具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境提供可靠的通信鏈路，使其成為現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)的理想選擇。

據(jù)介紹，這種超表明材料由幾何圖案化的銅制成，僅 0.64mm 厚，可鋪設在通常用于高頻通信的商用電路板上。

在實驗室測試過程中，研究人員還發(fā)現(xiàn)，即使無線電信號以 45° 角掠過表面，該表面也能保持高性能 —— 這是太空應用的一個關鍵考量因素，因為衛(wèi)星和表面之間的完美對準時機轉瞬即逝。

格拉斯哥大學詹姆斯?瓦特（即改良蒸汽機那位）工程學院教授 Qammer H. Abbasi（該論文的主要作者和通訊作者）表示：

超表明材料的發(fā)展已經(jīng)為電磁波在具有小尺寸的設備中進行操縱提供了新的方法。然而，這種方法主要限制于頻譜的窄帶，導致其無法實際應用。 我們開發(fā)的超表面材料可在 Ku、K 和 Ka 波段（12 GHz 至 40 GHz）的寬頻范圍內工作，可廣泛用于衛(wèi)星應用和遙感。 這種能夠進行“線偏振”到“圓偏振”復雜轉換的 2D 超表面可以使天線在具有挑戰(zhàn)性的條件下更有效地完成通信，可以為手機提供更好的衛(wèi)星信號，并為數(shù)據(jù)傳輸帶來更穩(wěn)定的連接。它還可以提高衛(wèi)星掃描地球表面的能力，提高我們對氣候變化的影響或追蹤野生動物遷徙的能力。

格拉斯哥大學通信、傳感和成像中心的負責人 Muhammad Imran 教授（論文合著者）表示：“我們開發(fā)的超表面最令人興奮一個地方在于，它可以使用傳統(tǒng)的印刷電路板制造技術輕松量產。這意味著它可以很容易實現(xiàn)低成本制造，有助于它在未來幾年成為一種有價值的衛(wèi)星機載設備并得到廣泛推廣。”