Une équipe de recherche co-dirigée par un scientifique de la City University of Hong Kong (CityU) a mis au point une nouvelle antenne qui permet de manipuler la direction, la fréquence et l’amplitude du faisceau rayonné, et devrait jouer un rôle important dans l’intégration de détection et communications (ISAC) pour les communications sans fil de 6e génération (6G).
La structure et les caractéristiques des antennes traditionnelles ne peuvent pas être modifiées une fois fabriquées. Cependant, la direction, la fréquence et l’amplitude des ondes électromagnétiques de cette antenne de nouvelle génération, appelée « antenne de métasurface à codage espace-temps (STC) sans bande latérale », peuvent être modifiées par codage espace-temps (c’est-à-dire , contrôle logiciel), permettant une grande flexibilité d’utilisation.
La clé de cette caractéristique innovante est que la réponse de la métasurface (matériau artificiel en feuille mince d’une épaisseur inférieure à la longueur d’onde et composé de plusieurs méta-atomes inférieurs à la longueur d’onde) peut être modifiée en commutant les méta-atomes sur sa surface entre les rayonnements et les états non rayonnants, comme allumer et éteindre les interrupteurs, en contrôlant le courant électrique.
Cela permet à l’antenne à métasurface STC de réaliser une manipulation compliquée des ondes dans les domaines spatial et fréquentiel grâce à un contrôle logiciel, et de créer un diagramme de rayonnement souhaité et un faisceau hautement dirigé.
Le professeur Chan Chi-hou, doyen par intérim et professeur titulaire de la chaire de génie électronique au département de génie électrique de CityU, qui a dirigé la recherche, a souligné que l’antenne repose sur la combinaison réussie de deux avancées de la recherche, à savoir les fuites modulées en amplitude (AM). -antennes ondulatoires et techniques de codage spatio-temporel.
Le Dr Wu Gengbo, chercheur postdoctoral au State Key Laboratory of Terahertz and Millimeter Waves (SKLTMW) à CityU, a proposé pour la première fois le nouveau concept d’antennes à ondes de fuite AM en 2020 dans son doctorat. études à CityU. « Le concept fournit une approche analytique pour synthétiser des antennes avec les diagrammes de rayonnement souhaités pour différentes utilisations spécifiques en modifiant simplement la forme et la structure des antennes », a expliqué le Dr Wu.
Mais comme pour les autres antennes, une fois l’antenne à ondes de fuite AM fabriquée, ses caractéristiques de rayonnement sont fixes. À peu près à cette époque, le Dr Dai Junyan, d’un groupe de recherche dirigé par l’académicien Cui Tiejun et le professeur Cheng Qiang, de l’Université du Sud-Est de Nanjing, en Chine, pionnier des technologies STC, a rejoint le groupe du professeur Chan à CityU.
« L’expertise du Dr Dai dans le codage spatio-temporel et les métasurfaces numériques pour reconfigurer dynamiquement les performances des antennes a ajouté une nouvelle dimension importante à la recherche sur les antennes au SKLTMW », a déclaré le professeur Chan, qui est également directeur du SKLTMW à CityU.
De plus, la modulation temporelle des ondes électromagnétiques sur les métasurfaces génère généralement des fréquences harmoniques indésirables, appelées bandes latérales. Ces bandes latérales transportent une partie de l’énergie des ondes électromagnétiques rayonnées et interfèrent avec les voies de communication utiles de l’antenne, entraînant une « pollution spectrale ».
Mais le professeur Chan et son équipe ont proposé une nouvelle conception, qui utilise un guide d’ondes (une ligne de transmission des ondes électromagnétiques par réflexion successive à partir de la paroi interne) et a supprimé avec succès les harmoniques indésirables, obtenant un faisceau à haute directivité et permettant une communication sécurisée.
« Avec l’antenne à ondes de fuite AM et les technologies de codage espace-temps, nous obtenons les caractéristiques de rayonnement désignées en contrôlant les séquences marche-arrêt et la durée des » interrupteurs « sur l’antenne via un logiciel », a déclaré le professeur Chan.
« Un faisceau à haute directivité peut être généré avec la nouvelle antenne, permettant une large gamme de performances de rayonnement sans avoir à reconcevoir l’antenne, sauf pour l’utilisation de différentes entrées STC », a ajouté le Dr Wu.
L’énergie du faisceau rayonné de l’antenne à métasurface STC peut être focalisée sur un point focal avec des longueurs focales fixes ou variables, qui peuvent être utilisées pour l’imagerie en temps réel et traitées comme un type de radar pour balayer l’environnement et les données de rétroaction. « L’invention joue un rôle important dans l’ISAC pour les communications sans fil 6G », a expliqué le professeur Chan.
« Par exemple, le faisceau rayonné peut scanner une personne et créer une image de la personne, permettant aux utilisateurs de téléphones portables de se parler grâce à l’imagerie holographique 3D. Il est également plus performant contre les écoutes clandestines que l’architecture d’émetteur conventionnelle. »
Les résultats ont été publiés dans la revue Électronique naturelle. Le Dr Wu et le Dr Dai sont les co-premiers auteurs de l’article, et le Dr Dai, le professeur Cheng, l’académicien Cui et le professeur Chan sont les auteurs correspondants.
« Sans la collaboration et l’expertise complémentaire des deux équipes de recherche de CityU et de l’Université du Sud-Est, nous n’aurions pas pu obtenir ces résultats de recherche », a poursuivi le professeur Chan. « Nous espérons que la technologie d’antenne de nouvelle génération deviendra plus mature à l’avenir et qu’elle pourra être appliquée à des circuits intégrés plus petits à moindre coût et dans un plus large éventail d’applications. »
Plus d’information:
Geng-Bo Wu et al, Antennes à métasurface à codage espace-temps sans bande latérale, Électronique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41928-022-00857-0