2D-Metamaterialien: Durchbruch für Satellitenanwendungen in 6G-Netzen
Ein neues, billiges und leicht herzustellendes Bauteil könnte die Satellitenkommunikation, die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und die Fernerkundung verbessern, hat ein Forschungsteam(öffnet im neuen Fenster) unter der Leitung der Universität Glasgow erklärt.
Aktuelle Kommunikationsantennen sind so konzipiert, dass sie elektromagnetische Wellen entweder vertikal oder horizontal ausrichten. Diese Eigenschaft wird als lineare Polarisation bezeichnet. Eine Fehlausrichtung zwischen Sende- und Empfangsantennen kann zu einer Verschlechterung des Signals führen und ihre Effizienz verringern. Außerdem sind die Antennen anfällig für atmosphärische Effekte.
"Die Möglichkeit, elektromagnetische Wellen mit einem einzigen Gerät zu manipulieren und umzuwandeln, eröffnet eine Reihe neuer potenzieller Anwendungen im gesamten Kommunikationssektor, vor allem aber in der Raumfahrtindustrie, wo leichte, kompakte Materialien geschätzt werden, um die Startnutzlasten gering zu halten" , erläutert Humayun Zubair Khan (Universität Glasgow) in einer Pressemitteilung(öffnet im neuen Fenster) .
Neues Metamaterial: ultradünne und vielseitige Oberfläche
Das Team habe deshalb eine nur 0,64 mm dicke 2D-Oberfläche entwickelt, die sich die Eigenschaften von Metamaterialien zunutze mache, um Radiowellen in den von Satelliten am häufigsten genutzten Frequenzen zu manipulieren und umzuwandeln. Metamaterialien sind sorgfältig entwickelte Strukturen, die Eigenschaften haben, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht vorhanden sind.
Die winzigen Zellen bestehen aus geometrisch gemustertem Kupfer, das über eine handelsübliche Leiterplatte gelegt wird, wie sie üblicherweise in der Hochfrequenzkommunikation zum Einsatz kommt.
Das hergestellte 2D-Metamaterial wandelt die linear polarisierten elektromagnetischen Wellen in zirkulare Polarisation um, was die Qualität der Kommunikation zwischen Satelliten und Bodenstationen verbessern kann. In Labortests wurde die Oberfläche mit Signalen von Hornantennen beleuchtet und die reflektierte, elektromagnetische Welle wurde mit einem Netzwerkanalysator aufgezeichnet.
Das Metamaterial könne es künftigen Generationen von 6G-Satelliten ermöglichen, mehr Daten zu übertragen , ihre Fernerkundungsfähigkeiten zu verbessern und von einer besseren Signalqualität zu profitieren, heißt es in der Pressemitteilung.
Die Vorteile für die Satellitenkommunikation
Dadurch konnte das Team die Wirksamkeit der Umwandlung zwischen linearer und zirkularer Polarisation messen. Die Tests zeigten, dass die Oberfläche in der Lage ist, eine hohe Leistung aufrechtzuerhalten, selbst wenn Funksignale in einem Winkel von bis zu 45 Grad auf sie treffen.
Die Satellitenkommunikation mit zirkularer Polarisation biete eine höhere Zuverlässigkeit und Leistung, da die Beeinträchtigung des Signals durch Polarisationsfehlanpassungen und Mehrweginterferenzen minimiert werde. Außerdem sei die zirkulare Polarisation sehr widerstandsfähig gegenüber atmosphärischen Effekten und könne eine präzise Antennenausrichtung überflüssig machen.
"Die von uns entwickelte Metamaterial-Oberfläche funktioniert in einem breiten Frequenzbereich über die Ku-, K- und Ka-Bänder, die sich von 12 GHz bis 40 GHz erstrecken und üblicherweise in Satellitenanwendungen und der Fernerkundung eingesetzt werden" , erklärt Qammer H. Abbasi (Universität Glasgow) in einer Pressemitteilung.
Sie verdoppele zudem die Kanalkapazität durch die Verwendung von zirkularen Rechts- und Linkspolarisationen. Diese Flexibilität vereinfacht laut dem Forschungsteam das Antennendesign für Kleinsatelliten (Cubesats). Sie verbessere die Satellitenverfolgung und sorge für robuste Kommunikationsverbindungen in schwierigen Umgebungen.
Zur Studie
Die Studie wurde am 9. September 2024 in der Fachzeitschrift Communications Engineering veröffentlicht: Multi-Band Ultrathin Reflective Metasurface for Linear and Circular Polarization Conversion in Ku, K, and Ka Bands(öffnet im neuen Fenster) (Ultradünne, reflektierende Multiband-Metasurface für lineare und zirkulare Polarisationsumwandlung in Ku-, K- und Ka-Bändern).