英国科学家研制出超薄二维表面材料，有望增强 6G 卫星通信能力

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IT之家 9 月 18 日消息，超材料具有同类天然材料不具备的特性。英国格拉斯哥大学研究人员现开发出了一种新型、廉价、易于制造的超薄二维（2D）超表面材料，能对卫星最常用的电磁波进行操纵和转换，有望提升 6G 卫星在通信、高速数据传输和遥感方面的能力。相关论文已发表于新一期《通信工程》（IT之家附 DOI:10.1038/s44172-024-00266-5）。



▲ 图源：格拉斯哥大学

该团队通过这种突破性的 2D 超表面材料将“线偏振”的电磁波转换为“圆偏振”，从而提高卫星和地面站之间通信的质量，提供更高的可靠性和性能，最大限度地减少由于偏振失配和多径干扰而导致的信号降级。

IT之家注：电磁波的电场与磁场彼此相互垂直，电磁波的偏振方向一般指的是电场的偏振方向。在自由空间中，电磁波以横波方式传播，即电场与磁场又都垂直于电磁波的传播方向。理论而言，只要垂直于传播方向的方向，振荡的电场可以呈任意方向。假若电场的振荡只朝着单独一个方向，则称此为“线偏振”或“平面偏振”；假若电场的振荡方向是以电磁波的波频率进行旋转动作，并且电场矢量的矢端随着时间流意勾绘出圆形，则称此为“圆偏振”。

“圆偏振”对大气影响（如雨衰和电离层干扰）具有很高的抵抗力，能够实现稳定的通讯连接，所以在移动应用中意义重大，因为它消除了对精确天线对准的需求。

此外，这种材料还能通过不同圆偏振使得信道容量翻倍，从而简化了小型卫星的天线设计，同时改善了卫星跟踪并为具有挑战性的环境提供可靠的通信链路，使其成为现代卫星系统的理想选择。

据介绍，这种超表明材料由几何图案化的铜制成，仅 0.64mm 厚，可铺设在通常用于高频通信的商用电路板上。

在实验室测试过程中，研究人员还发现，即使无线电信号以 45° 角掠过表面，该表面也能保持高性能 —— 这是太空应用的一个关键考量因素，因为卫星和表面之间的完美对准时机转瞬即逝。

格拉斯哥大学詹姆斯・瓦特（即改良蒸汽机那位）工程学院教授 Qammer H. Abbasi（该论文的主要作者和通讯作者）表示：

超表明材料的发展已经为电磁波在具有小尺寸的设备中进行操纵提供了新的方法。然而，这种方法主要限制于频谱的窄带，导致其无法实际应用。

我们开发的超表面材料可在 Ku、K 和 Ka 波段（12 GHz 至 40 GHz）的宽频范围内工作，可广泛用于卫星应用和遥感。

这种能够进行“线偏振”到“圆偏振”复杂转换的 2D 超表面可以使天线在具有挑战性的条件下更有效地完成通信，可以为手机提供更好的卫星信号，并为数据传输带来更稳定的连接。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的影响或追踪野生动物迁徙的能力。

格拉斯哥大学通信、传感和成像中心的负责人 Muhammad Imran 教授（论文合著者）表示：“我们开发的超表面最令人兴奋一个地方在于，它可以使用传统的印刷电路板制造技术轻松量产。这意味着它可以很容易实现低成本制造，有助于它在未来几年成为一种有价值的卫星机载设备并得到广泛推广。”

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二维材料转化电磁波偏振，听起来很厉害，但转换效率、材料成本如何？商业化落地还有哪些问题要解决？