Billig lokalisering af venlige (og uvenlige) radiobølger

Elektriske ingeniører ved Duke University har udtænkt en billig metode til passivt at lokalisere kilder til radiobølger såsom Wi-Fi og mobilkommunikationssignaler.

Deres teknik kan føre til billige enheder, der kan finde radiobølgeenheder som mobiltelefoner eller Wi-Fi-sender, eller kameraer, der tager billeder ved hjælp af radiobølgerne, der allerede hopper rundt omkring os.

Resultaterne vises online den 12. maj i tidsskriftet Optica .

"I dette papir opnåede vi spektrale billeder af mikrobølgestøjkilder selv, hvilket betyder, at vi kan lokalisere radio- og mikrobølgekilder, som antenner, mens de samtidig karakteriserer, hvilke frekvenser de udsender over, " sagde Aaron Diebold, en elektrisk og computerteknisk forskningsassistent hos Duke, der ledede forskningen. "Ved optiske frekvenser, det ville være som at få et farvebillede af en varm genstand som en komfurbrænder. Selvom det er ret simpelt optisk, det kræver forskellige teknikker i radio- og mikrobølgeregimet."

Det er allerede muligt at lokalisere kilder til disse typer bølger, men de nødvendige teknikker og udstyr er komplekse. Sådanne enheder bruger traditionelt en række af mange små, strømkrævende antenner, der får disse enheder til at blive omfangsrige og dyre. Og fordi radiobølger er så meget større end lysbølger, de metoder, der anvendes i optiske frekvenser, er uoverkommeligt komplekse og vil resultere i ekstremt store detektorer og andre maskiner.

I det nye blad, forskerne henvender sig i stedet til metamaterialer. Metamaterialer er syntetiske materialer sammensat af mange individuelle konstruerede funktioner, som tilsammen producerer egenskaber, der ikke findes i naturen gennem deres struktur frem for deres kemi. I dette tilfælde, metamaterialet er en samling af firkanter, der indeholder indlagte ledninger i specifikke former, der kan indstilles dynamisk til at interagere med radiobølger, der passerer gennem dem.

Ved at have nogle firkanter tillader radiobølger at passere igennem og andre, der blokerer dem, forskerne kan skabe, hvad der er kendt som en kodet blænde.

"Vi bruger de forskellige mønstre til at kode data til en enkelt måling, som øger signalstyrken i forhold til hvad du ville få med kun en enkelt, lille antenne, " sagde Mohammadreza Imani, en forsker ved Duke, der senere på året vil slutte sig til Arizona State University som assisterende professor i elektro- og computerteknik. "Vi bruger også metamaterialerne til at 'stemple' de forskellige frekvenser af dataene, som giver os mulighed for at drille dem fra hinanden."

For at forstå, hvordan en kodet blænde booster signalet, overveje folkeskoleeksperimentet med at se på en solformørkelse ved at bruge et hul i pap til at skabe et billede på fortovet. Som enhver, der nogensinde har gjort dette, ved, jo mindre hul, jo skarpere detalje af formørkelsen. Men et mindre hul gør det også mørkere og sværere at se.

Løsningen er at lave mange små nålehuller for at skabe en række formørkelser, og derefter bruge en computer til at rekonstruere dem til et enkelt billede. På denne måde får du skarpheden af ​​det lille nålehul med lysstyrken af ​​et stort nålehul. Nøglen er at kende mønsteret af hullerne - også kendt som den kodede blænde - som forskerne kontrollerer med metamaterialerne.

Metamaterialerne modulerer også forskellige frekvenser forskelligt, når de passerer gennem den kodede blænde, som gør det muligt for forskerne at udlede frekvenserne af de bølger, der detekteres.

Forskerne demonstrerede nytten af ​​denne tilgang i papiret. De viste først, at de kan "se" og identificere formen af ​​radiobølger, der udsendes af en smiley-face-formet antenne. De viste derefter, at deres system kan fungere i den virkelige verden ved at lokalisere radiobølgekilder i tre dimensioner i forhold til hinanden.

Forskerne planlægger at fortsætte med at forfine deres metoder i håbet om til sidst at være i stand til at tage "billeder" af objekter og scener uden andet end radiobølgerne, der preller af fra dem.

"Passiv billeddannelse opstår i situationer, hvor du ikke kontrollerer kilden, som at tage et billede med lys fra solen eller pærer, " sagde David R. Smith, James B. Duke Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering ved Duke. "Ved mikrobølgefrekvenser, der er masser af signaler, der hopper rundt konstant. Disse omgivende RF-bølger kunne give tilstrækkelig belysning til, at en metasurface-imager kan rekonstruere billeder ved hjælp af de teknikker, der er beskrevet i denne forskning."