Интеллектуальный алгоритм помог спроектировать антенны для связи нового поколения
Физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и Центра нейрофизики и нейроморфных технологий совместно с зарубежными коллегами разработали интеллектуальный алгоритм для проектирования антенн, эффективно поглощающих терагерцовое излучение в сверхшироком диапазоне частот. Новый подход может существенно ускорить внедрение беспроводных технологий шестого поколения (6G). Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied. Работа поддержана грантом РНФ (№ 24-79-10081).
Терагерцовый диапазон частот еще недавно считался экзотикой, но сегодня становится практической необходимостью. Растущие объемы передаваемых данных требуют рабочих частот выше 100 ГГц, чтобы обеспечить скорости передачи свыше 100 Гбит/с. Именно в этом диапазоне будут работать будущие системы беспроводной связи 6G и межчиповые каналы передачи данных, где ключевую роль играет конструкция антенны.
Для эффективной работы приемника важно согласование системы «антенна—детектор». В идеале половина мощности принятого сигнала поглощается чувствительным элементом, а другая половина рассеивается антенной. Такой режим достигается при равенстве их сопротивлений — так называемом согласовании импедансов.
Однако современные терагерцовые детекторы на основе двумерных материалов — графена и черного фосфора — обладают импедансом от единиц до десятков килоом. В то же время типовые антенны имеют сопротивление порядка 50 Ом. Это сильное рассогласование приводит к потерям сигнала, сужению рабочего диапазона и росту шумов.
Чтобы преодолеть этот барьер, исследователи из России, Германии и Сингапура применили метод обратного проектирования. Вместо выбора заранее заданной формы антенны алгоритму сначала задавали требуемые характеристики — импеданс и полосу пропускания, — а затем он автоматически генерировал оптимальные геометрии.
«Мы отказались от традиционного подхода, при котором берут известную конструкцию и пытаются подстроить ее под задачу. Вместо этого мы формулируем требования к устройству и позволяем алгоритму самому найти подходящую форму», — пояснил Михаил Лукьянов, инженер лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.
Алгоритм собирает антенну из набора металлических «пикселей», что дает исключительную свободу проектирования. Такой подход позволяет находить формы, которые невозможно было бы получить, опираясь лишь на инженерную интуицию.
«Мы не заставляем детектор подстраиваться под несовершенную антенну. Напротив, мы оптимизируем геометрию антенны так, чтобы она естественным образом согласовывалась с характеристиками детектора», — отметил Дмитрий Мыльников, научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.
В отличие от существующих широкополосных терагерцовых антенн, которые обычно имеют низкий и нестабильный импеданс, новая конструкция обеспечивает почти постоянное сопротивление около 400 Ом во всем диапазоне от 100 ГГц до 2 ТГц. Это примерно на 40% эффективнее существующих аналогов и позволяет детектору работать сразу на нескольких частотах без потери чувствительности.
«Сначала нас смущало, что не удалось достичь импеданса в единицы килоом. Но затем стало ясно, что широкополосное согласование само по себе — огромное преимущество», — рассказал Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. — «Такие антенны упрощают архитектуру устройств и позволяют корректно измерять терагерцовую чувствительность новых материалов без искажений, связанных с плохим согласованием».
Предложенный метод обратного проектирования легко адаптируется под разные диапазоны частот, значения импеданса и требования конкретных устройств. Это открывает путь к созданию антенн, оптимизированных под конкретные задачи — от сенсорики до сверхскоростной беспроводной связи.
По словам авторов, работа закладывает основу для нового класса инструментов электромагнитного проектирования, в которых процедурная генерация форм и продвинутые алгоритмы оптимизации становятся ключевыми элементами разработки.