Zeitmodulierte 1-Bit-Amplitudenkodierte Metasurface für Raum-Frequenz-Strahlformung

MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Entwicklung von Metamaterialien hat in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte gemacht, insbesondere im Bereich der drahtlosen Kommunikation. Mit der Einführung von zeitmodulierten, amplitudenkodierten Metasurfaces wird ein neuer Weg beschritten, um elektromagnetische Wellen effizienter zu steuern.

Die Nutzung von zweidimensionalen, raumkodierten Metamaterialien hat die Funktionalität zur Steuerung elektromagnetischer Wellen erheblich erweitert. Insbesondere im Mikrowellenbereich sind Phasenkodierungen durch kompakte Steuerungselemente wie Dioden und Varaktoren weit verbreitet. Doch mit dem Ziel, Frequenzen über 100 GHz zu erreichen, stoßen diese Technologien an ihre Grenzen. Hier setzt die neue Entwicklung von zeitmodulierten, amplitudenkodierten Metasurfaces an, die auf Graphen basieren und eine flexible Steuerung durch Bias-Spannung ermöglichen.

Graphen, ein Material aus einer einzigen Atomlage von Kohlenstoffatomen, bietet aufgrund seiner überlegenen elektronischen und optischen Eigenschaften eine ideale Grundlage für die Integration in Metasurfaces. Die Modulation der Leitfähigkeit von Graphen ermöglicht eine Anpassung über ein breites Spektrum, was es zu einem einzigartigen Material für die Implementierung rekonfigurierbarer Metasurfaces macht. Diese Eigenschaften sind besonders wertvoll für Frequenzen über 100 GHz, wo herkömmliche aktive Elemente wie Dioden und Varaktoren nur eingeschränkt einsetzbar sind.

Die theoretischen und numerischen Untersuchungen zeigen, dass die Amplitudenmodulation in zeitmodulierten Metasurfaces eine effektive Methode zur Strahlformung darstellt. Durch die periodische Umschaltung der Reflexionsamplitude zwischen zwei Zuständen kann eine gewünschte Amplitudenverteilung erreicht werden, die für eine niedrige Seitenkeulenstrahlung sorgt. Diese Technik ermöglicht es, die Strahlrichtung dynamisch zu steuern und gleichzeitig die Strahlbreite zu optimieren.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode liegt in der Reduzierung der Komplexität der Metaatom-Struktur. Während herkömmliche Metasurfaces eine Vielzahl von Zuständen erfordern, um die gewünschte Strahlformung zu erreichen, genügt bei der zeitmodulierten Amplitudenkodierung eine 1-Bit-Quantisierung. Dies vereinfacht das Design erheblich und reduziert die Herstellungskosten.

Die praktische Umsetzung dieser Technologie erfolgt durch die Integration von Graphenbändern in die Metaatome, die durch eine externe Gleichspannung gesteuert werden. Die Simulationen zeigen, dass die Reflexionsamplituden bei Frequenzen über 100 GHz effektiv zwischen einem hohen und einem niedrigen Zustand wechseln können, was eine flexible Anpassung der Strahlformung ermöglicht.

Die Einführung dieser Technologie könnte die drahtlose Kommunikation revolutionieren, indem sie eine effizientere Nutzung des Frequenzspektrums ermöglicht. Die Fähigkeit, Strahlen präzise zu steuern und unerwünschte Strahlungen zu minimieren, ist entscheidend für die nächste Generation von Kommunikationssystemen. Diese Entwicklungen könnten auch in anderen Bereichen wie der Bildgebung und Sensorik von Bedeutung sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die zeitmodulierte Amplitudenkodierung in Metasurfaces eine vielversprechende Technologie für die Zukunft der drahtlosen Kommunikation darstellt. Sie bietet eine innovative Lösung für die Herausforderungen, die mit der Nutzung höherer Frequenzen verbunden sind, und könnte eine Schlüsselrolle in der Entwicklung von 6G und darüber hinaus spielen.

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