Zuverlässigere Funkverbindungen Passive Oberfläche schützt gegen Störungen durch Mehrwegeausbreitung

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Ein Forschungsteam des Nagoya Institute of Technology hat eine neuartige Metasurface vorgestellt, die Funkstörungen durch Mehrwegeausbreitung ohne aktive Bauteile oder externe Energiequellen wirksam unterdrücken kann.

Mit zunehmender Frequenz und Dichte der Netze wächst ein altbekanntes Problem in der Hochfrequenztechnik: die Mehrwegeausbreitung. Dabei erreichen Funksignale den Empfänger nicht nur auf direktem Weg, sondern auch über Reflexionen und Streuungen, was zu Überlagerungen, Verzerrungen oder Ausfällen führen kann.

Um diese Herausforderung anzugehen, haben Forschende des Nagoya Institute of Technology zusammen mit der Osaka University und der Kyoto University eine neuartige Lösung entwickelt. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Physical Review Letters, beschreibt eine passive Metasurface, die zwischen dem ersten eintreffenden Signal und späteren Störungen unterscheiden kann – ohne aktive Steuerung und ohne zusätzliche Energiezufuhr.

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Zeitvariierende Struktur statt aufwendiger Elektronik

Klassische Ansätze, um Mehrwegeeffekte zu unterdrücken, setzen auf komplexe adaptive Antennensysteme oder rechenintensive Signalverarbeitung. Beide benötigen meist viel Energie und Hardware. Das japanische Team geht einen anderen Weg: Es nutzt eine passiv arbeitende Metasurface, deren Eigenschaften sich dynamisch verändern, ausgelöst allein durch das Eintreffen des ersten Funksignals.

Möglich machen das spezielle Halbleiterbauteile, genauer gesagt MOSFETs, die in jede Einheit der Metasurface integriert sind. Treffen Funksignale auf die Oberfläche, reagieren die MOSFETs wie Schalter: Das erste Signal sorgt dafür, dass die Resonanzeigenschaften der Oberfläche erhalten bleiben und der Empfang ungestört möglich ist. Gleichzeitig verändert es die Konfiguration benachbarter Bereiche so, dass nachfolgende Signale, die verzögert oder aus anderen Richtungen eintreffen, effektiv blockiert werden.

Erste Versuche zeigen deutliche Signalverbesserung

In einem experimentellen Aufbau nutzten die Forschenden ein sechseckiges Prisma, dessen Flächen jeweils mit der Metastruktur ausgestattet waren. Mehrere Sender strahlten Signale mit leichten Zeitverzögerungen auf die Struktur, ähnlich wie es bei Reflexionen an Gebäuden oder Wänden vorkommt. Die Ergebnisse zeigen, dass das erste Signal im Vergleich zu den nachfolgenden um etwa 10 Dezibel stärker empfangen wurde. Damit gelang es, spätere Störungen weitgehend auszublenden – und das völlig ohne externe Energiequellen oder komplexe Steueralgorithmen.

Der Ansatz könnte besonders für IoT-Geräte relevant sein, die aufgrund begrenzter Energie- und Rechenressourcen keine aufwendige Signalverarbeitung erlauben. Auch im Bereich kostengünstiger Sensoren oder kompakter Kommunikationsmodule eröffnen sich neue Möglichkeiten.

Perspektiven für zukünftige drahtlose Systeme

Während das aktuelle Demonstrationsmodell auf relativ einfachen Bauteilen basiert, sehen die Entwickler Potenzial für deutliche Leistungssteigerungen. Durch optimierte Halbleitertechnologien und verbesserte Anordnungen könnten noch höhere Unterdrückungsraten erreicht werden.

Darüber hinaus ist die Methode nicht auf Funkkommunikation beschränkt. Die zeitvariierende Metasurface könnte auch bei anderen elektromagnetischen Anwendungen eingesetzt werden, etwa bei Sensoren, Bildgebungsverfahren oder neuartigen intelligenten Oberflächen. In einer zunehmend vernetzten Welt könnte diese Technik dazu beitragen, Funkverbindungen robuster und zuverlässiger zu machen – ohne den Aufwand und Energiebedarf bisheriger Lösungen. (mc)

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