Терагерцовая связь считается ключевой технологией для будущих беспроводных сетей, обеспечивающей большую непрерывную полосу пропускания для сверхвысокой скорости передачи данных и низкой задержки. Однако терагерцовые волны подвержены высоким потерям при распространении, дифракции и проникновении, что делает связь ненадежной в условиях отсутствия прямой видимости. Традиционные пассивные отражающие поверхности основаны на зеркальном отражении и не могут адаптироваться к динамичному расположению пользователей, в то время как активные реконфигурируемые интеллектуальные поверхности на основе полупроводников часто требуют больших затрат и сопряжены с трудностями при производстве на терагерцовых частотах.
Согласно исследованию, опубликованному в Engineering, была предложена новая двухширокополосная жидкокристаллическая программируемая метаповерхность (LCPM) для поддержки беспроводной связи на терагерцовой частоте в условиях отсутствия прямой видимости. Устройство обеспечивает гибкое манипулирование лучом в двух частотных диапазонах и помогает поддерживать стабильные линии связи, когда пути прямой видимости заблокированы, поддерживая высокоскоростную передачу данных при различных схемах модуляции.
В метаповерхности используется анизотропная структура метаатомов, которая по-разному реагирует на ортогональные поляризации. Она работает в диапазоне W, охватывающем частоту 94 ГГц для x-поляризованного излучения, и в диапазоне D, охватывающем частоту 140 ГГц для y-поляризованного излучения. Структура метаатомов поддерживает 1-битное фазовое кодирование с разницей фаз в пределах 180°±20° в целевых широкополосных диапазонах. Полный массив метаповерхности состоит из 50×50 метаатомов, объединенных в 25×25 независимо управляемых суперэлементов. Численное моделирование и экспериментальные измерения подтверждают, что LCPM может осуществлять управление двумя лучами, сканирование одним лучом и независимое управление двумя лучами в разных диапазонах с помощью схем кодирования.
Исследователи создали систему беспроводной связи на терагерцовом диапазоне для оценки работы LCPM в условиях блокировки канала связи. В ходе испытаний, когда прямая видимость была нарушена, LCPM динамически регулировала беспроводные каналы в трехмерном пространстве, изменяя схемы кодирования, и устанавливала стабильные соединения, которые не удалось бы поддерживать с помощью фиксированной пассивной отражающей поверхности. Система поддерживала модуляции QPSK, 16-QAM и 64-QAM в обоих рабочих диапазонах, обеспечивая высокоскоростную передачу видео в режиме реального времени. Широкополосная производительность была подтверждена при использовании полосы пропускания 10 ГГц в диапазоне D с постоянными значениями вектора ошибки во всем рабочем диапазоне. Измерения на больших расстояниях показали надежность связи при увеличенной длине распространения сигнала, что свидетельствует о способности метаповерхности расширять зону покрытия и повышать стабильность связи.
Экспериментальные результаты подтверждают возможность использования жидкокристаллической программируемой метаповерхности для беспроводной связи в терагерцовом диапазоне. Двухдиапазонная работа, программируемое управление лучом и стабильные каналы связи вне прямой видимости создают основу для развития повсеместных сетей в терагерцовом диапазоне. В дальнейшем мы сосредоточимся на улучшении фазового кодирования для повышения разрядности, уменьшении толщины жидкокристаллического слоя для ускорения отклика и интеграции функций обнаружения и связи в интеллектуальные метаповерхностные системы.