Плоские, лёгкие, умные: антенны нового поколения изменят мир

В НИЦ Телекоммуникаций МФТИ, ИТМО и компании «Мэтрикс вейв» разрабатывают революционный тип антенн, которые могут изменить правила игры в мире спутникового интернета. В основе этих антенн лежат метаповерхности — тонкие, словно паутина, структуры с особыми свойствами.

Но для начала предлагаю немного ознакомиться с развитием технологий антенн в прицнипе.

От искры Герца до спутников

История антенн неразрывно связана с развитием радиосвязи: первые антенны появились еще в конце XIX века, когда Генрих Герц проводил свои знаменитые эксперименты по изучению электромагнитных волн.

В своих опытах Герц использовал простейшие антенны — два металлических шара, между которыми проскакивала искра. Эта искра генерировала электромагнитные волны, которые затем улавливались другой антенной — разомкнутым проволочным кольцом.

Спустя несколько лет, в 1895 году, Гульельмо Маркони провёл первый сеанс радиосвязи, для которого использовал он антенны в виде длинных проводов, подвешенных на мачтах. В том же году русский физик Александр Попов (независимо от Маркони) изобрел радиоприёмник, также используя проволочные антенны.

В XX веке развитие радиосвязи шло семимильными шагами, и антенны становились всё более разнообразными и сложными.

В начале XX века радиосвязь использовалась в основном для морской навигации и военной связи. Антенны того времени были довольно примитивными — длинные провода, которые подвешены на мачтах.

Но уже в 1920-х годах началась эпоха радиовещания, и антенны стали неотъемлемой частью радиоприёмников. Тогда же появились первые направленные антенны, которые позволяли фокусировать радиоволны в определённом направлении, что привело к увеличению дальности связи и снизило помехи.

Чуть позже радиолюбители начали использовать короткие волны для связи на большие расстояния. Для этого требовались уже специальные антенны, например, дипольные и рамочные.

Вторая мировая война дала толчок развитию радиолокационных технологий. Тогда на радарах использовали антенные решётки из множества элементов, чтобы формировать узкие направленные лучи. Это позволяло обнаруживать самолёты и корабли противника на больших расстояниях.

Например, в 1939 году на вооружение Красной Армии был принят первый советский радиолокатор, который был предназначен для обнаружения воздушных целей – РУС-1 «Ревень». Эта станция, которая работала в частотном диапазоне 75–83 МГц, стала важным этапом в развитии отечественной радиолокационной техники.

Конструкция у РУС-1 была следующая: передатчик и двух приемника, которые смонтированы на грузовом шасси. Для того чтобы создать направленное излучение, элементы станции располагались на местности по прямой линии на расстоянии не более 35 км друг от друга. Эта «радиочастотная завеса» позволяла обнаруживать самолёты по биениям прямого и отраженного сигналов.

Регистрация сигналов осуществлялась на бумажной ленте специального прибора — ондулятора.

Но война закончилась, в 1950-х годах началось массовое производство телевизоров, и антенны стали неотъемлемой частью уже телевизионных приёмников. В это же время был запущен первый искусственный спутник Земли, и началась эра спутниковой связи. Для приёма сигналов со спутников использовались параболические антенны.

Спутниковая связь

Первые спутниковые антенны были довольно громоздкими и дорогими и использовались в основном для военных и научных целей.

В 1970-х годах с появлением геостационарных спутников спутниковое телевидение стало почти общедоступным. Однако спутниковые антенны того времени были всё ещё довольно большими — диаметром до 3 метров — и чтобы точно их настроить, нужно было повозиться.

К концу 1970-х годов наземные станции «Орбиты» (на картинке выше) оставались экономически невыгодными для малонаселённых пунктов. Это означало, что большие территории Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока оказались вне зоны телевещания.

Поэтому в СССР стали разрабатывать систему «Экран», которая работала на частотах 714 и 754 МГц. Запустили её 26 октября 1976 года, что позволило транслировать телеканалы на сравнительно небольшие и недорогие приёмники.

Так «Экран» фактически стал первой в мире системой непосредственного спутникового вещания (DBS), опередив аналогичные разработки в других странах.

В девяностых появились более компактные и доступные спутниковые антенны: это привело к буму спутникового телевидения DTH (Direct-to-Home), когда сигнал со спутника принимает непосредственно пользователем.

Типичная спутниковая антенна DTH имеет форму «тарелки» диаметром от 60 до 90 см. Она фокусирует радиоволны на конвертер, который преобразует их в электрический сигнал.

Современные же системы, которые заточены на предоставления интернета куда угодно, предъявляют уже новые требования к антеннам.

В поисках идеальной антенны

В последние годы системы спутникового интернета активно развиваются во всем мире, ярким примером чему служит проект Starlink Илона Маска. В рамках федерального проекта «Сфера» в России также реализуют подобные инициативы.

По классике используется зеркальная параболическая антенна в форме тарелки. Однако, обычно они громоздкие и дорогие, к тому же их сложно установить на всякие подвижные объекты – вроде автомобилей, поездов и самолётов.

Более того, новые спутниковые сети строятся из низкоорбитальных космических аппаратов, которые постоянно перемещаются по небу. Это означает, что даже если сам терминал неподвижен, зеркальную антенну требуется постоянно поворачивать, чтобы отслеживать спутник.

Альтернативой зеркальным антеннам могут стать фазированные антенные решетки, которые обладают не только впечатляющими техническими характеристиками, но и стоимость у них не из дешевых. Так, например, пользовательский терминал на основе фазированной антенной решетки может стоить несколько миллионов рублей.

И тут на сцену выходят метаповерхности, именно на них и обратили внимание наши учёные.

Метаповерхностная антенна — полная противоположность «классике»: она плоская, лёгкая и может быть незаметно встроена в корпус устройства.

Секрет кроется в наноструктурах, из которых состоит метаповерхность. Эти элементы, в десятки раз меньше длины волны, управляют радиосигналами: если изменить их расположение, то можно сформировать луч любой формы и направить его в нужную сторону.

Пригодится это и для космических аппаратов.

Потенциал у этой технологии впечатляющий.

Во-первых, метаповерхностные антенны могут сделать интернет более доступным. Учёные утверждают, что производство метаповерхностей обходится значительно дешевле, чем создание громоздких «тарелок». А это значит, что большое число людей сможет подключиться к сети, независимо от их местоположения.

По словам Алексея Космынина, сотрудника НИЦ Телекоммуникаций МФТИ и генерального директора ООО «Мэтрикс вейв», стоимость оборудования, необходимого для подключения к сети с использованием метаповерхностных антенн, будет в несколько раз дешевле зарубежных аналогов, цена которых превышает 1 млн рублей.

Во-вторых, технология открывает новые возможности для создания мобильных терминалов. Благодаря компактности и лёгкости, метаповерхностные антенны можно устанавливать на автомобили, поезда, самолеты и даже дроны. Следовательно, непрерывный доступ к интернету в движении сохранится даже в движении!

Ну и ко всему прочему, направление луча можно менять электронным способом, без необходимости физического поворота антенны.

Ещё один плюс — новые антенны можно полностью производить в России. А это означает технологическую независимость и снижает риски, которые связаны с использованием зарубежного «железа». Вполне себе в духе времени.

Сейчас учёные готовятся к испытаниям пользовательской системы с использованием этой разработки. Тестовый экземпляр антенны для спутника будет несколько сложнее и дороже пользовательского, также на первом этапе пройдут лабораторные испытания. Создатели уже ведут переговоры с несколькими потенциальными заказчиками спутникового варианта антенны.

Стоит отметить, что метаповерхностные антенны уже успешно используются в наземных сетях связи, в частности в сетях 5G. Более того, метаповерхностные излучающие структуры — одни из наиболее вероятных кандидатов для широкого внедрения в сетях 6G.

В общем, метаповерхностные антенны — не просто новый тип оборудования, а ключ к построению будущего, где высокоскоростной интернет станет доступен каждому, независимо от его местонахождения.

И кто знает, быть может, именно российские технологии сыграют решающую роль в новой эре связи.