Des chercheurs mettent au point la première antenne au monde pour la 6G ultra-sécurisée

Ils visent une transmission d'informations simplifiée, abordable, intégrée et écoénergétique

Des chercheurs mettent au point la première antenne au monde pour la 6G ultra-sécurisée,
ils visent une transmission d'informations simplifiée, abordable, intégrée et écoénergétique

Un groupe de chercheurs dirigé par le professeur Chan Chi-hou de la City University of Hong Kong a développé la première antenne au monde pour la 6G, qu'ils ont nommée « antenne universelle à métasurface micro-ondes ». Cette antenne révolutionnaire peut contrôler de manière dynamique cinq aspects cruciaux des ondes électromagnétiques grâce à un logiciel. Elle règle simultanément l'intensité, la synchronisation, la fréquence, la direction et les vibrations des ondes, marquant une avancée significative. Son utilisation potentielle dans des systèmes d'information avancés, la sécurité des données, le transfert d'énergie sans fil et la direction contrôlée des signaux en font une technologie polyvalente pour la 6G.

Les chercheurs espèrent qu'elle servira de transmetteur d'informations simplifié, à faible coût, à forte intégration et à faible consommation d'énergie, ouvrant la voie à des applications étendues dans la réalité augmentée, l'holographie, la détection, et les communications intégrées pour la 6G, ainsi que dans l'optique quantique et la science de l'information quantique.

Le professeur Chan Chi-hou (à gauche) et le professeur Wu Gengbo (à droite) présentent l'antenne universelle à métasurface mise au point à l'université CityU, qui permet une manipulation sans précédent des ondes électromagnétiques.

Le professeur Chan Chi-hou et son équipe ont réalisé une avancée sans précédent dans la technologie des antennes en rendant possible la manipulation des cinq propriétés fondamentales des ondes électromagnétiques par le biais d'une commande logicielle. En première mondiale, l'équipe a mis au point une antenne universelle à métasurface qui permet la manipulation indépendante et simultanée de l'amplitude, de la phase, de la fréquence, de la polarisation et de la direction du rayonnement électromagnétique.

« Un composant universel capable de manipuler toutes les propriétés fondamentales des ondes est le Saint Graal des physiciens et des ingénieurs », a déclaré le professeur Chan, qui est également directeur du State Key Laboratory of Terahertz and Millimeter Waves (SKLTMW).

Alors que la recherche sur les systèmes de communication sans fil 6G progresse dans le monde entier, l'antenne universelle à métasurface présente un immense potentiel pour diverses applications dans les systèmes 6G. Ses capacités avancées de manipulation des formes d'onde et ses fonctions de sécurité renforcées sont essentielles pour l'intégration de la détection et des communications.

L'Antenne Universelle à Métasurface : vers la révolution de la communication

Les chercheurs proposent et montrent une antenne de métasurface universelle à micro-ondes (UMA) capable de manipuler de manière dynamique, simultanée, indépendante et précise toutes les propriétés constitutives des ondes électromagnétiques d'une manière définie par logiciel.

Notre UMA facilite en outre les propriétés spatiales et temporelles des ondes, ce qui permet de générer des formes d'ondes plus complexes, de former des faisceaux et de manipuler directement des informations. En particulier, l'UMA peut générer directement les formes d'ondes modulées transportant des informations numériques, ce qui peut simplifier fondamentalement l'architecture des systèmes de transmission d'informations. L'UMA proposé, doté de capacités inégalées de manipulation des ondes électromagnétiques et des informations, suscitera une vague d'applications allant des systèmes sans fil de la prochaine génération, de la détection cognitive et de l'imagerie à l'optique quantique et à la science de l'information quantique.

L'antenne universelle de métasurface peut être utilisée pour les systèmes d'information de nouvelle génération, de grande capacité et de haute sécurité, l'imagerie en temps réel et le transfert d'énergie sans fil. Les propriétés de modulation de direction inhérentes à l'antenne renforcent également la confidentialité et la sécurité, ce qui en fait un candidat idéal pour les communications à l'épreuve des écoutes clandestines.

Le professeur Wu Gengbo, du département de génie électrique et membre du SKLTMW, a expliqué que l'antenne universelle à métasurface peut manipuler des informations en générant directement la forme d'onde modulée dans l'espace libre. « Nous espérons que l'antenne universelle à métasurface pourra servir de transmetteur d'informations simplifié à faible coût, à forte intégration et à faible consommation d'énergie », a déclaré le professeur Wu, qui est le premier auteur de l'article intitulé A universal metasurface antenna to manipulate all fundamental characteristics of electromagnetic waves.

Manipulation complète de toutes les propriétés fondamentales des ondes électromagnétiques

L’UMA consiste en un réseau de méta-atomes anisotropes sub-longueur d'onde au sommet d'une structure de guidage d'ondes. Dans ce travail, est considéré l'antenne de métasurface fonctionnant à des fréquences micro-ondes et utilisons la diode positive-intrinsèque-négative (PIN) et le guide d'ondes intégré au substrat (SIW) comme élément actif et guide d'ondes, respectivement. Chaque méta-atome est constitué de deux fentes inclinées à ±45o pour rayonner deux états de polarisation propre orthogonaux |u〉 (polarisation linéaire +45o) et |v〉 (polarisation linéaire -45o) dans l'espace libre.

Chaque ouverture de fente peut être commutée indépendamment entre l'état rayonnant ('1') et l'état non rayonnant ('0') en temps réel par la diode PIN. Supposons que l'état rayonnant du méta-atome soit modulé temporellement avec un cycle temporel TM = 1/fM, et que la fréquence de l'onde monochromatique injectée soit f0, sous réserve que f0 ≫ fM. L'application de séquences de codage temporel indépendantes à tous les méta-atomes forme une matrice bidimensionnelle (2D) de codage espace-temps (STC) "0/1"42,43,44, qui est contrôlée par un réseau de portes programmables (FPGA). L’antenne de métasurface STC permet d'extraire et de convertir l'onde guidée (GW) dans le plan en onde de propagation (PW) hors plan avec des propriétés d'onde arbitraires.

Les métasurfaces ont un potentiel prometteur pour révolutionner une variété de technologies de dispositifs photoniques et électroniques. Cependant, les métasurfaces qui peuvent contrôler simultanément et indépendamment toutes les propriétés des ondes électromagnétiques (EM), y compris l'amplitude, la phase, la fréquence, la polarisation et la quantité de mouvement, avec une intégrabilité et une programmabilité élevées, représentent un défi et n'ont pas encore été essayées avec succès.


a Schéma de l'UMA. Des méta-atomes à fente sont placés au-dessus du guide d'ondes pour convertir le GW en PW avec des propriétés définies par logiciel. En appliquant des séquences de codage espace-temps de 1 bit "0/1" pour faire passer le méta-atome de l'état rayonnant ("1" à l'état non rayonnant ("0", nous pouvons contrôler toutes les propriétés fondamentales de l'onde rayonnée. Seule la quantité de mouvement de la fréquence harmonique cible (m = + 1 harmonique dans ce cas) correspond à celle de l'espace libre. En revanche, d'autres harmoniques d'ordre supérieur non désirées sont fortement supprimées à la fois dans le guide d'ondes et dans l'espace libre sans adaptation de phase. b Configuration du méta-atome anisotrope, constitué de deux ouvertures à fentes inclinées de ± 45o chargées de diodes PIN.

« L'expertise et les ressources conjointes des deux universités ont facilité le développement de l'antenne universelle à métasurface, en rassemblant des perspectives et des connaissances diverses », a déclaré le professeur Chan. Le professeur Chan a déclaré que l'invention introduisait de nouvelles caractéristiques pour intégrer la détection et les communications, ouvrant la voie à des possibilités passionnantes à l'avenir.

La recherche a été soutenue par le Hong Kong Research Grants Council dans le cadre du Theme-Based Research Scheme et par le Guangdong-Hong Kong Joint Laboratory for Big Data Imaging and Communication (laboratoire commun de Guangdong et de Hong Kong pour l'imagerie et la communication de données massives).

Comparaison aux technologies de communication sans fil existantes telles que la 5G et la 4G

Le développement de la première antenne pour la 6G par le professeur Chan Chi-hou et son équipe à la City University of Hong Kong constitue indubitablement une avancée technologique significative. Cette antenne universelle à métasurface micro-ondes semble offrir des fonctionnalités remarquables, notamment la capacité à contrôler dynamiquement cinq aspects cruciaux des ondes électromagnétiques. Pour mieux appréhender cette avancée, il peut être intéressant de la comparer aux technologies de communication sans fil existantes telles que la 5G et la 4G.

La 5G est la cinquième génération de la technologie cellulaire. Elle est conçue pour augmenter la vitesse, réduire la latence et améliorer la flexibilité des services sans fil. La technologie 5G a une vitesse de pointe théorique de 20 Gbps, alors que la vitesse de pointe de 4G n’est que de 1 Gbps. La 5G a fait la une des journaux, pour des raisons tant positives que négatives. Des questions ont été posées sur sa faisabilité et certains fournisseurs d'infrastructure de réseau ont été soumis à un examen minutieux en raison de fausses rumeurs de confiance et de sécurité.

Alors que les inquiétudes concernant les impacts du réseau mobile sur la santé publique persistent, une étude menée par l'association américaine des opérateurs de télécommunications indique que, dans cette compétition technologique, la Chine occupe la première place, suivie de près par la Corée du Sud et les États-Unis. Les pays européens tels que la France, l'Allemagne et le Royaume-Uni se positionnent en arrière-plan. Quand il s'agit de la santé de la population, la priorité est accordée aux préoccupations sanitaires plutôt qu'à la course technologique. En 2018, par exemple, le conseil municipal d'une petite ville californienne, proche de San Francisco, avait unanimement approuvé l'interdiction de l'installation d'antennes 5G dans les zones résidentielles en raison de préoccupations liées à la santé publique.

« Une catastrophe sanitaire en devenir. » C’est ainsi que la 5G est présentée par certains opposants. En cours d’expérimentation dans différentes villes françaises, la technologie 5G pour devrait supplanter la 4G dans les années à venir. Mais à mesure que l’on s’approche de son déploiement, des voix de plus en plus nombreuses de scientifiques et de militants se font entendre. Comme la 4G avant elle et les ondes téléphoniques en général, la 5G comporterait des risques pour la santé. Sauf que ces accusations reposent sur des argumentaires bien fragiles.

Comparativement à la 5G, la nouvelle antenne pour la 6G semble promettre une amélioration considérable dans la gestion des ondes électromagnétiques. La possibilité de régler simultanément l'intensité, la synchronisation, la fréquence, la direction et les vibrations des ondes représente un bond en avant par rapport aux capacités plus limitées des antennes actuelles. Cela suggère des applications potentielles dans des domaines tels que la réalité augmentée, l'holographie, la détection et les communications intégrées, mettant ainsi en évidence les avantages de la 6G par rapport à la 5G.

Par rapport à la 4G, la nouvelle technologie semble révolutionnaire. Les améliorations notables dans la direction contrôlée des signaux et la capacité à ajuster dynamiquement plusieurs aspects des ondes électromagnétiques ouvrent des perspectives inédites pour des applications avancées. L'objectif de servir de transmetteur d'informations simplifié, à faible coût, à forte intégration et à faible consommation d'énergie souligne également une évolution par rapport aux exigences de la 4G, qui a posé les bases des communications mobiles à haut débit mais pourrait être surpassée en termes de polyvalence et d'efficacité par la 6G.

Cependant, il convient de noter que ces avancées potentielles dans la technologie 6G nécessitent des développements concrets et des essais approfondis pour...