Siêu thiết bị tiết kiệm năng lượng cho mạng 6G

Bằng cách xoay siêu bề mặt (metasurface) của nó, thiết bị có thể nhanh chóng hướng tín hiệu 6G chỉ đến một người nhận được chỉ định đồng thời giảm thiểu rò rỉ điện năng và tăng cường quyền riêng tư. Siêu thiết bị được kỳ vọng sẽ cung cấp một phương tiện có thể điều chỉnh, định hướng và bảo mật cao cho mọi hệ thống liên lạc 6G trong tương lai.

Giáo sư Tsai Din-Ping, Chủ tịch Khoa Kỹ thuật Điện tại CityU.

Tiềm năng công nghệ băng tần THz là không giới hạn, vì nó có nguồn phổ tần dồi dào để hỗ trợ 100 Gbps (gigabit/ giây) - và thậm chí tốc độ dữ liệu siêu cao cấp Tbps (terabit/ giây) cho truyền thông không dây, tức là hàng trăm đến hàng nghìn, nhanh hơn nhiều lần so với tốc độ truyền dữ liệu 5G.

Tuy nhiên, các hệ thống THz thông thường sử dụng mạng thấu kính và gương phản xạ điện môi nặng, cồng kềnh, chỉ có thể dẫn sóng đến một máy phát hoặc máy dò cố định hoặc truyền chúng đến một máy thu duy nhất đặt tại một vị trí cố định hoặc bao phủ một khu vực hạn chế. Điều này cản trở sự phát triển của các ứng dụng 6G trong tương lai, vốn yêu cầu định vị chính xác và cường độ tín hiệu tập trung.

Các hệ thống cồng kềnh hiện tại cản trở các ứng dụng 6G

Với nỗ lực chung của 2 nhóm nghiên cứu tại CityU - dẫn đầu là Giáo sư Tsai Din-Ping, Chủ tịch Khoa Kỹ thuật Điện; và Giáo sư Chan Chi-hou, Giám đốc Phòng thí nghiệm Trọng điểm Nhà nước về Sóng Terahertz và Milimet (SKLTMW) - một siêu thiết bị mới có thể điều chỉnh, kiểm soát hoàn toàn hướng truyền và vùng phủ sóng của chùm THz gần đây đã được phát triển để vượt qua những thách thức này.

Giáo sư Tsai, chuyên gia trong lĩnh vực siêu bề mặt và lượng tử ánh sáng, giải thích: “Sự ra đời của siêu thiết bị THz giúp điều chỉnh mang đến triển vọng thú vị cho mọi hệ thống liên lạc 6G. Thiết bị meta của chúng tôi cho phép truyền tín hiệu đến người dùng hoặc máy dò cụ thể và có thể linh hoạt điều chỉnh hướng truyền khi cần”.

Giáo sư Chan, người chuyên nghiên cứu về công nghệ terahertz, cho biết thêm: “Phát hiện của chúng tôi mang lại nhiều lợi ích cho mọi hệ thống truyền thông THz tiên tiến - bao gồm bảo mật, tính linh hoạt, tính định hướng cao và mức độ tập trung tín hiệu”.

Metasurface quay với hàng ngàn ăng-ten siêu nhỏ

Siêu thiết bị bao gồm 2 hoặc 3 siêu bề mặt quay (vật liệu nhân tạo, tấm mỏng có độ dày dưới bước sóng), hoạt động như những máy chiếu hiệu quả để điều khiển tiêu điểm của chùm tia THz trên mặt phẳng 2 chiều hoặc 3 chiều. Với đường kính 30mm, mỗi metasurface có khoảng 11.000 ăng-ten siêu nhỏ, có kích thước chỉ 0,25mm x 0,25mm và khác nhau.

Giáo sư Tsai báo cáo: “Bí quyết thành công của siêu thiết bị nằm ở sự tính toán và thiết kế tỉ mỉ của từng ăng-ten siêu nhỏ. Chỉ cần xoay các siêu bề mặt mà không yêu cầu thêm không gian, tiêu điểm chùm THz sẽ được điều chỉnh và hướng tới các tọa độ X, Y và Z đã chỉ định của điểm đến tương ứng”.

Với siêu thiết bị tiên tiến và có độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm và xác minh rằng 2 loại thiết bị siêu tiêu cự thay đổi mà họ phát triển - thiết bị siêu nhân đôi và 3 tiêu cự - có thể chiếu điểm hội tụ của sóng THz thành một điểm tùy ý tương ứng trong mặt phẳng 2D và không gian 3D với độ chính xác cao. Thiết kế sáng tạo này đã chứng minh khả năng của một siêu thiết bị trong việc hướng tín hiệu 6G đến một vị trí cụ thể trong không gian 2 và 3 chiều.

Vì chỉ người dùng hoặc máy dò ở một điểm cụ thể mới có thể nhận tín hiệu và tín hiệu tập trung cao độ có thể được chuyển linh hoạt sang người dùng hoặc máy dò khác mà không lãng phí năng lượng cho máy thu gần đó hoặc làm giảm quyền riêng tư. Siêu thiết bị còn giúp tăng khả năng định hướng, bảo mật và tính linh hoạt trong truyền thông 6G trong tương lai với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn.

Sơ đồ các siêu thiết bị đa tiêu cự: thiết bị meta bộ 2 (trái) và bộ 3.

Dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất với chi phí thấp

Các siêu bề mặt được chế tạo bằng nhựa chịu nhiệt độ cao và phương pháp in 3D do nhóm phát triển. Chúng nhẹ, nhỏ và có thể dễ dàng sản xuất ở quy mô lớn với chi phí thấp cho những ứng dụng thực tế. Siêu thiết bị cho phép điều chỉnh THz mới lạ dự kiến sẽ có tiềm năng ứng dụng lớn cho mọi hệ thống liên lạc 6G - bao gồm truyền năng lượng không dây, chụp ảnh thu phóng và viễn thám. Nhóm nghiên cứu có kế hoạch thiết kế thêm một số ứng dụng siêu thiết bị dựa trên hình ảnh đa tiêu cự THz.

Diên San (Tổng hợp)