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

該團隊通過這種突破性的 2D 超表面材料將“線偏振”的電磁波轉換為“圓偏振”，從而提高衛星和地面站之間通信的質量，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一個方向，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行旋轉動作，并且電場矢量的矢端隨著時間流意勾繪出圓形，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，能夠實現穩定的通訊連接，所以在移動應用中意義重大，因為它消除了對精確天線對準的需求。

此外，這種材料還能通過不同圓偏振使得信道容量翻倍，從而簡化了小型衛星的天線設計，同時改善了衛星跟蹤并為具有挑戰性的環境提供可靠的通信鏈路，使其成為現代衛星系統的理想選擇。

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

在實驗室測試過程中，研究人員還發現，即使無線電信號以 45° 角掠過表面，該表面也能保持高性能 —— 這是太空應用的一個關鍵考量因素，因為衛星和表面之間的完美對準時機轉瞬即逝。

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

超表明材料的發展已經為電磁波在具有小尺寸的設備中進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，導致其無法實際應用。 我們開發的超表面材料可在 Ku、K 和 Ka 波段（12 GHz 至 40 GHz）的寬頻范圍內工作，可廣泛用于衛星應用和遙感。 這種能夠進行“線偏振”到“圓偏振”復雜轉換的 2D 超表面可以使天線在具有挑戰性的條件下更有效地完成通信，可以為手機提供更好的衛星信號，并為數據傳輸帶來更穩定的連接。它還可以提高衛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物遷徙的能力。

格拉斯哥大學通信、傳感和成像中心的負責人 Muhammad Imran 教授（論文合著者）表示：“我們開發的超表面最令人興奮一個地方在于，它可以使用傳統的印刷電路板制造技術輕松量產。這意味著它可以很容易實現低成本制造，有助于它在未來幾年成為一種有價值的衛星機載設備并得到廣泛推廣。”