Учёные из Юго-Восточного университета Китая представили программируемую метаповерхность, способную выполнять часть вычислений непосредственно при распространении радиоволн. Такой подход позволяет обрабатывать сигнал без его полной предварительной оцифровки на обычном процессоре. Результат вычислений формируется в исходящей электромагнитной волне.
Разработка основана на тонкой искусственно созданной поверхности с микроструктурами, которые управляемо меняют параметры электромагнитного излучения. Её можно перепрограммировать электронным способом, изменяя воздействие на поступающую радиоволну во времени и пространстве. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Авторы использовали метаповерхность для выполнения преобразования Фурье и свёртки — базовых операций при обработке сигналов. Преобразование Фурье помогает выделять составляющие сигнала, а свёртка позволяет находить в нём заданные шаблоны. В радиолокации эти операции применяются, в частности, для определения скорости и расстояния до объекта.
Для переключения между задачами исследователям не потребовалось менять оборудование. Достаточно было задать иной временной код, управляющий работой поверхности. При попадании радиосигнала на метаповерхность его компоненты изменяются и объединяются таким образом, что вычисление выполняется физически, а не поэтапно цифровым процессором.
Систему проверили в лаборатории и на открытом воздухе при условиях многолучевого распространения сигнала и помех. При имитации радиолокационного отражения от цели, движущейся со скоростью 200 м/с, устройство показало значения 201 м/с при 500 точках выборки и 199,5 м/с при 1 000 точках. При моделировании целей на расстоянии от 4 до 28 км погрешность не выходила за пределы разрешения системы в 300 м.
Обычная электроника при этом остаётся необходимой для создания и загрузки временных кодов, управления метаповерхностью, синхронизации и вывода результатов. В дальнейшем технология может упростить цепочку обработки радиочастотных сигналов и уменьшить зависимость от высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей и цифровых процессоров. Следующей задачей станет повышение скорости модуляции при сохранении точности, устойчивости работы и энергоэффективности; возможными областями применения названы радиолокация, связь 6G, спутниковые системы и автомобильные радары.
