9 月 18 日消息，超材料具有同類天然材料不具備的特性。英國格拉斯哥大學(xué)研究人員現(xiàn)開發(fā)出了一種新型、廉價(jià)、易于制造的超薄二維（2D）超表面材料，能對衛(wèi)星最常用的電磁波進(jìn)行操縱和轉(zhuǎn)換，有望提升 6G 衛(wèi)星在通信、高速數(shù)據(jù)傳輸和遙感方面的能力。相關(guān)論文已發(fā)表于新一期《通信工程》（附 DOI:10.1038/s44172-024-00266-5）。

該團(tuán)隊(duì)通過這種突破性的 2D 超表面材料將“線偏振”的電磁波轉(zhuǎn)換為“圓偏振”，從而提高衛(wèi)星和地面站之間通信的質(zhì)量，提供更高的可靠性和性能，最大限度地減少由于偏振失配和多徑干擾而導(dǎo)致的信號降級。

注：電磁波的電場與磁場彼此相互垂直，電磁波的偏振方向一般指的是電場的偏振方向。在自由空間中，電磁波以橫波方式傳播，即電場與磁場又都垂直于電磁波的傳播方向。理論而言，只要垂直于傳播方向的方向，振蕩的電場可以呈任意方向。假若電場的振蕩只朝著單獨(dú)一個(gè)方向，則稱此為“線偏振”或“平面偏振”；假若電場的振蕩方向是以電磁波的波頻率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，并且電場矢量的矢端隨著時(shí)間流意勾繪出圓形，則稱此為“圓偏振”。

“圓偏振”對大氣影響（如雨衰和電離層干擾）具有很高的抵抗力，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的通訊連接，所以在移動(dòng)應(yīng)用中意義重大，因?yàn)樗藢_天線對準(zhǔn)的需求。

此外，這種材料還能通過不同圓偏振使得信道容量翻倍，從而簡化了小型衛(wèi)星的天線設(shè)計(jì)，同時(shí)改善了衛(wèi)星跟蹤并為具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境提供可靠的通信鏈路，使其成為現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)的理想選擇。

據(jù)介紹，這種超表明材料由幾何圖案化的銅制成，僅 0.64mm 厚，可鋪設(shè)在通常用于高頻通信的商用電路板上。

在實(shí)驗(yàn)室測試過程中，研究人員還發(fā)現(xiàn)，即使無線電信號以 45° 角掠過表面，該表面也能保持高性能 —— 這是太空應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵考量因素，因?yàn)樾l(wèi)星和表面之間的完美對準(zhǔn)時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)瞬即逝。

格拉斯哥大學(xué)詹姆斯?瓦特（即改良蒸汽機(jī)那位）工程學(xué)院教授 Qammer H. Abbasi（該論文的主要作者和通訊作者）表示：

超表明材料的發(fā)展已經(jīng)為電磁波在具有小尺寸的設(shè)備中進(jìn)行操縱提供了新的方法。然而，這種方法主要限制于頻譜的窄帶，導(dǎo)致其無法實(shí)際應(yīng)用。 我們開發(fā)的超表面材料可在 Ku、K 和 Ka 波段（12 GHz 至 40 GHz）的寬頻范圍內(nèi)工作，可廣泛用于衛(wèi)星應(yīng)用和遙感。 這種能夠進(jìn)行“線偏振”到“圓偏振”復(fù)雜轉(zhuǎn)換的 2D 超表面可以使天線在具有挑戰(zhàn)性的條件下更有效地完成通信，可以為手機(jī)提供更好的衛(wèi)星信號，并為數(shù)據(jù)傳輸帶來更穩(wěn)定的連接。它還可以提高衛(wèi)星掃描地球表面的能力，提高我們對氣候變化的影響或追蹤野生動(dòng)物遷徙的能力。

格拉斯哥大學(xué)通信、傳感和成像中心的負(fù)責(zé)人 Muhammad Imran 教授（論文合著者）表示：“我們開發(fā)的超表面最令人興奮一個(gè)地方在于，它可以使用傳統(tǒng)的印刷電路板制造技術(shù)輕松量產(chǎn)。這意味著它可以很容易實(shí)現(xiàn)低成本制造，有助于它在未來幾年成為一種有價(jià)值的衛(wèi)星機(jī)載設(shè)備并得到廣泛推廣。”