Инженеры из Юго-Восточного университета в Китае разработали программируемую метаповерхность, способную выполнять вычисления непосредственно во время распространения электромагнитных волн. Вместо того чтобы сначала преобразовывать радиосигнал в цифровые данные и обрабатывать его процессором, система использует саму волну как вычислительную среду. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Современные системы связи и радиолокации работают по привычной схеме: антенна принимает радиоволну, затем сигнал переводится в цифровую форму, после чего его анализирует процессор. Именно этот этап требует сложной электроники и больших затрат энергии.
Китайские ученые предложили отказаться от части этой цепочки. Они разработали программируемую метаповерхность. Это сверхтонкий материал со специальной структурой, который способен изменять свойства проходящих через него электромагнитных волн. Разработанная метаповерхность программируется при помощи временных последовательностей. Меняя их, ученые заставляют один и тот же материал выполнять разные математические операции.
Исследователи реализовали две ключевые функции обработки сигналов. Преобразование Фурье — математическая операция позволяет разложить сложный сигнал на составляющие частоты. В радиолокации она используется для определения скорости движущихся объектов по эффекту Доплера. Свертка — помогает находить совпадения между известным сигналом и принятым отражением. Благодаря этому радары могут вычислять расстояние до объекта.
Главное преимущество разработки в том, что обе операции выполняет одна и та же поверхность. Для переключения между ними достаточно изменить программу управления — физически менять оборудование не требуется. Работу системы проверили как в лаборатории, так и на открытом воздухе в условиях реальных радиопомех. Во время испытаний исследователи смоделировали отраженный сигнал от объекта, движущегося со скоростью 200 м/с. Метаповерхность рассчитала скорость как 201 м/с при одной конфигурации и 199,5 м/с при другой — оба результата уложились в пределы точности системы. Затем устройство протестировали на определении расстояния до целей, расположенных на удалении от 4 до 28 км. Ошибка измерений не превышала 300 метров, что соответствует расчетному разрешению установки.
Электроника по-прежнему необходима для программирования метаповерхности, синхронизации ее работы и отображения результатов. Однако технология позволяет существенно сократить объем цифровой обработки сигнала. Это потенциально уменьшит требования к дорогостоящим аналого-цифровым преобразователям и вычислительным процессорам.
По мнению авторов исследования, первыми областями применения могут стать:
радиолокационные системы нового поколения;
спутниковая связь;
сети 6G;
автомобильные радары;
интеллектуальные системы беспроводной связи.
Следующей задачей разработчики называют увеличение скорости переключения метаповерхности при сохранении высокой точности и энергоэффективности.
Также недавно в России нашли способ повысить точность инфракрасных сенсоров.