Многорежимная антенна с ОАМ и уменьшенным расходимостью луча для сетей 6G

Почему будущей беспроводной связи нужен новый поворот

Потоковое видео, облачные игры, автономные автомобили и миллиарды подключённых устройств доводят возможности современных беспроводных сетей до предела. Инженеры изучают нетрадиционные свойства радиоволн, чтобы нести больше информации без выделения дополнительных частотных диапазонов. В этой работе рассматривается одно такое свойство — способность радиоволны закручиваться при распространении — и показано, как контролировать эту «кручёность», чтобы сигналы могли идти дальше и оставаться сильнее. Это умение может оказаться важным для сетей 6G завтрашнего дня.

Закрученные радиоволны как дополнительные каналы передачи данных

Большинство из нас представляет радиосигналы как простые волны, распространяющиеся в пространстве. На самом деле эти волны могут ещё и вращаться вокруг направления распространения, неся так называемый орбитальный угловой момент (OAM). Различные типы закрутки — по часовой стрелке, против часовой или её отсутствие — ведут себя как независимые каналы, которые могут совместно использовать одну и ту же частоту без взаимных помех. Это позволяет нескольким потокам данных передаваться в одном и том же участке спектра, обещая каналы с повышенной пропускной способностью для высокоскоростных соединений и точной навигации. Однако у OAM-лучей есть свой недостаток: при распространении они естественно расходятся в виде конуса, что ослабляет сигнал и ограничивает рабочую дальность.

Сочетание двух идей антенн в одном устройстве

Существуют два основных аппаратных подхода к формированию таких закрученных лучей. Равномерные круговые решётки из небольших излучателей легко перенастраивать: они могут переключаться между разными режимами закрутки, но их лучи склонны к сильному расходимости. Метаповерхности — тонкие паттернованные слои, способные направлять и перераспределять волны — способны формировать узкие мощные OAM-лучи, но их сложнее производить и труднее перенастраивать после изготовления. Авторы статьи объединили сильные стороны обоих подходов: они начали с круговой решётки, генерирующей три базовых режима OAM (без закрутки, левозакрученный и правозакрученный), и затем разместили специально разработанную прозрачную метаповерхность перед ней, играющую роль плоской линзы, которая сдерживает расходимость лучей.

Как плоская линза фокусирует закрутку

Круговая решётка использует маленькие L-образные щелевые излучатели, расположенные по кольцу и питаемые так, что смена активного порта меняет направление закрутки или убирает её вовсе. Перед этим кольцом исследователи установили двухслойную метаповерхность, выполненную в виде сетки 10 на 10 «паутинных» металлических узоров, вытравленных на печатных платах. Каждая такая мелкая фигура задерживает проходящую волну на свою величину, выбранную так, чтобы в сумме они имитировали оптический элемент, называемый аксиконом, который направляет фронты волн к более сфокусированному пути, сохраняя при этом их закрученный характер. Хотя одна и та же линза используется для всех режимов закрутки, сочетание радиального профиля линзы и спиральной структуры луча даёт для каждого режима свой отличительный сфокусированный фронт волны.

Проверка новой антенны на практике

Чтобы оценить работоспособность конструкции, команда изготовила как круговую решётку, так и метаповерхность с использованием стандартных технологий печатных плат и измерила их в ангаре с подавлением радиоизлучения с помощью точной системы сканирования. Они сравнили поведение одной только решётки с поведением решётки в сочетании с линзой, изучая пространственное распределение интенсивности и фазы луча. Измерения подтвердили, что антенна надёжно порождает три требуемых режима закрутки, каждый из которых проявляет характерное «пончиковое» распределение интенсивности и спиральную фазу. После установки метаповерхности эти паттерны заметно сузились: основной конус энергии сжался в меньший угол при сохранении центра и формы, хотя при этом наблюдались немного более выраженные боковые лепестки и умеренное снижение чистоты закрутки.

Более острые лучи для сетей следующего поколения

Для всех трёх режимов закрутки новая антенная система сократила угол расходимости луча примерно вдвое — с примерно 18 градусов до около 8–10 градусов — и увеличила пиковый коэффициент усиления, то есть большая часть передаваемой мощности оставалась сконцентрированной в полезном направлении. Для неспециалиста это означает, что радиоволны переносят свою закрученную информацию дальше и эффективнее, делая OAM-связь более практичной за пределами коротких лабораторных дистанций. Интегрируя универсальную круговую решётку с компактной плоской линзой, работа указывает путь к меньшим, более «умным» антеннам, которые могли бы помочь системам 6G превзойти нынешние ограничения по пропускной способности, при этом эффективнее используя тот же спектр.

Цитирование: Rao, M.V., Bhattacharyya, B., Ram, G.C. et al. Multimode OAM antenna with reduced beam divergence for 6G networks. Sci Rep 16, 8382 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34745-2

Ключевые слова: беспроводная связь 6G, орбитальный угловой момент, метаповерхностная линза, конструкция антенны, фокусировка луча