Een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Glasgow heeft een innovatieve antenne voor draadloze communicatie ontwikkeld die de unieke eigenschappen van metamaterialen combineert met geavanceerde signaalverwerking om een nieuw prestatieniveau te leveren.
In een paper gepubliceerd in de IEEE Open Journal of Antennes en Propagatie, getiteld “60 GHz Programmable Dynamic Metasurface Antenna (DMA) for Next-Generation Communication, Sensing, and Imaging Applications: From Concept to Prototype”, demonstreren de onderzoekers hun ontwikkeling van een prototype van een digitaal gecodeerde dynamische metasurface antenne, of DMA, bestuurd via hoge -snelheid veldprogrammeerbare poortarray (FPGA).
Hun DMA is de eerste ter wereld die is ontworpen en gedemonstreerd op de werkfrequentie van de 60 GHz millimetergolfband (mmWave) – het deel van het spectrum dat door de internationale wetgeving is gereserveerd voor gebruik in industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) toepassingen.
Het vermogen van de antenne om in de hogere mmWave-band te werken, zou het mogelijk kunnen maken om een belangrijk stuk hardware te worden in het zich nog steeds ontwikkelende veld van geavanceerde bundelvormende metasurface-antennes.
Het zou toekomstige 6G-netwerken kunnen helpen ultrasnelle gegevensoverdracht met hoge betrouwbaarheid te leveren, hoogwaardige dienstverlening en naadloze connectiviteit te garanderen en nieuwe toepassingen op het gebied van communicatie, detectie en beeldvorming mogelijk te maken.
De hoogfrequente werking van de DMA wordt mogelijk gemaakt door speciaal ontworpen metamaterialen: structuren die zorgvuldig zijn ontworpen om hun vermogen om te interageren met elektromagnetische golven te maximaliseren op manieren die onmogelijk zijn in natuurlijk voorkomende materialen.
De DMA maakt gebruik van speciaal ontworpen, volledig afstembare metamateriaalelementen die zorgvuldig zijn ontworpen om elektromagnetische golven te manipuleren via softwarebesturing, waardoor een geavanceerde klasse van lekkende golfantennes ontstaat die in staat zijn tot hoogfrequente herconfigureerbare werking.
Het prototype ter grootte van een matchbook maakt gebruik van snelle verbindingen met gelijktijdige parallelle controle van individuele metamateriaalelementen via FPGA-programmering. De DMA kan zijn communicatiebundels vormgeven en meerdere bundels tegelijk creëren, waarbij in nanoseconden wordt geschakeld om ervoor te zorgen dat de netwerkdekking stabiel blijft.
Professor Qammer H. Abbasi, mededirecteur van de Communications, Sensing and Imaging Hub van de Universiteit van Glasgow, is een van de hoofdauteurs van het artikel. Hij zei: “Dit zorgvuldig ontworpen prototype is een zeer opwindende ontwikkeling op het gebied van adaptieve antennes van de volgende generatie, die verder gaat dan eerdere baanbrekende ontwikkelingen op het gebied van herconfigureerbare programmeerbare antennes.
“De afgelopen jaren zijn DMA’s door andere onderzoekers over de hele wereld gedemonstreerd in microgolfbanden, maar ons prototype zet de toon technologie veel verder, in de hogere mmWave-band van 60 GHz. Dat maakt het een potentieel zeer waardevolle opstap naar nieuwe gebruiksscenario’s van 6G-technologie en zou de weg kunnen vrijmaken voor werking op nog hogere frequenties in het terahertz-bereik.”
De mogelijkheden van het DMA-ontwerp zouden kunnen worden gebruikt bij het monitoren en verzorgen van patiënten, waar het zou kunnen helpen de vitale functies van patiënten direct te monitoren en hun bewegingen bij te houden.
Het zou ook verbeterde geïntegreerde detectie- en communicatieapparatuur mogelijk kunnen maken voor gebruik in radars met hoge resolutie en om autonome voertuigen zoals zelfrijdende auto's en drones te helpen veilig hun weg te vinden op de wegen en in de lucht.
De verbeterde snelheid van de gegevensoverdracht zou zelfs kunnen helpen bij het creëren van holografische beeldvorming, waardoor overtuigende 3D-modellen van mensen en objecten overal ter wereld in realtime kunnen worden geprojecteerd.
Dr. Masood Ur Rehman, van de James Watt School of Engineering van de Universiteit van Glasgow, die leiding gaf aan de antenneontwikkeling, zei: “6G heeft het potentieel om transformatieve voordelen voor de hele samenleving te bieden. Ons hoogfrequente intelligente en zeer adaptieve antenneontwerp zou een van de technologische fundamenten kunnen zijn van de volgende generatie mmWave-herconfigureerbare antennes. De programmeerbare bundelcontrole en bundelvorming van de DMA kunnen helpen bij fijnkorrelige mmWave-holografische beeldvorming, evenals bij de volgende generatie nabije veldcommunicatie, bundelfocussering en draadloze energieoverdracht.
“We zullen in de nabije toekomst werken aan de uitbreiding van dit ontwerp om flexibelere en veelzijdigere antenneprestaties te bieden en onze rol te blijven spelen om te voldoen aan de behoeften van onze steeds meer verbonden slimme wereld.”