Das Potenzial von Metamaterialien in der mmWave 5G-Telekommunikation und darüber hinaus*

Dezember 16, 2022

Auf Metamaterialien basierende „Rekonfigurierbare Intelligente Oberflächen“ (RIS) können zur Verbesserung der Signalabdeckung in Städten eingesetzt werden, indem Signale um Hindernisse herum umgeleitet und die Signalstärke verbessert wird. Quelle: IDTechEx

Nachdem Metamaterialien viele Jahre lang weitgehend auf den akademischen Bereich beschränkt waren, stehen sie nun vor der Kommerzialisierung in mehreren wichtigen Anwendungen. Der IDTechEx-Bericht „Metamaterials Markets 2023-2043: Optical and Radio-Frequency“ untersucht die Möglichkeiten dieser aufstrebenden Materialtechnologie.

Eine besonders wichtige aufkommende Anwendung elektromagnetischer Metamaterialien ist die Unterstützung der Einführung von Hochfrequenz-Telekommunikation, wie Millimeterwellen (mmWave), 5G und sogar THz. Hohe Frequenzen können eine schnellere Datenübertragung und damit ein besseres Nutzererlebnis ermöglichen. Allerdings kommt es bei hohen Frequenzen über große Entfernungen zu einem starken Energieverlust. Diese Probleme können durch Hindernisse, wie sie in städtischen Umgebungen häufig auftreten, noch verschärft werden. Daher wird ein Gerät mit geringem Stromverbrauch benötigt, das die Übertragung von Hochfrequenzsignalen in überfüllten Umgebungen erleichtern kann.

Metamaterialien bieten eine potenzielle Lösung, indem sie die Entwicklung von „rekonfigurierbaren intelligenten Systemen“, kurz RIS, ermöglichen. In diese Systeme werden elektronische Komponenten integriert, um Funkwellen in bestimmte, konfigurierbare Richtungen zu reflektieren – so können Signale um Hindernisse herum reflektiert werden, wodurch das Problem der Signalblockade überwunden wird. RIS können potenziell sogar selbstständig Nutzer für eine gezielte Kommunikation verfolgen, was eine höhere Signalqualität und eine verbesserte Sicherheit ermöglicht, da die Wahrscheinlichkeit einer Verbindung durch unbefugte Nutzer verringert wird. Diese Vorteile, die RIS bieten, haben die Aufmerksamkeit von Telekommunikationsanbietern wie Verizon auf sich gezogen, die 2020 eine Partnerschaft mit dem RIS-Entwickler Pivotal Commware eingegangen sind, um dessen Produkte zur Unterstützung der mmWave-5G-Einführung einzusetzen.

Wenn es nur darum ginge, ein Signal in eine bestimmte Richtung zu leiten, könnte dies mit herkömmlichen Relaisstationen erreicht werden. RIS bieten jedoch zwei entscheidende Vorteile, nämlich ihren geringen Stromverbrauch und ihren kleinen Formfaktor. Dadurch können sie in großem Umfang in Bereichen eingesetzt werden, in die eine herkömmliche Relaisstation nicht passen würde, z. B. über Ampeln an überfüllten Kreuzungen oder unter der Decke eines Stadions, wodurch die 5G-Abdeckung in überfüllten Umgebungen erheblich verbessert wird. Durch den geringen Stromverbrauch werden auch die Kosten für den Betrieb eines weit verbreiteten Netzes erheblich gesenkt, und es könnte sogar möglich sein, einige RIS-Geräte über eingebaute Energiegewinnungssysteme wie Solar-Photovoltaik zu betreiben.

Ein groß angelegter Einsatz von RIS wäre nur möglich, wenn jedes Gerät kostengünstig hergestellt werden könnte – daher sind die verwendeten Materialien und der Herstellungsprozess von zentraler Bedeutung. RIS-Entwickler wie Greenerwave und Pivotal Commware haben daher ihre Geräte so konzipiert, dass sie mit herkömmlichen PCB-Komponenten und Fertigungsverfahren kompatibel sind. Die Tatsache, dass sie sich auf bewährte Industrien stützen, stellt sicher, dass die Herstellung in großem Maßstab kostengünstig erfolgen kann.

Die oben beschriebenen Geräte enthalten elektronische Komponenten zur aktiven Steuerung von Signalen; elektronische Komponenten sind jedoch keine Voraussetzung. Ein zentrales Merkmal von Metamaterialien ist ihre Fähigkeit, in sonst unerreichbaren Winkeln zu reflektieren, so dass sie als „Spiegel“ eingesetzt werden können, um Signale passiv um Ecken herum zu reflektieren. Transparente Metamaterialien, die zu dieser Funktion fähig sind, stellen eine bedeutende Materialmöglichkeit dar, da sie in bestehende Strukturen wie Fenster oder Wände integriert werden können. Ein Beispiel für ein solches Produkt wird von Meta Materials Inc. und Sekisui vorgestellt, die 2021 eine Zusammenarbeit zur Entwicklung einer transparenten, leitfähigen Reflektorfolie eingegangen sind, die Signale für eine verbesserte mmWellen-Signalabdeckung reflektieren kann.

Bisher wurde nur die Reflexion berücksichtigt – Metamaterialien können jedoch auch die Hochfrequenztelekommunikation verbessern, indem sie die Übertragung von Signalen durch Fenster verbessern. Glas mit niedrigem Emissionsgrad enthält eine sehr dünne, transparente Schicht aus Metalloxid, die UV- und Infrarotstrahlung blockiert; solches Glas findet sich in den Fenstern normaler Haushalte, in Unternehmen und in den Windschutzscheiben von Autos. Immer häufiger entscheiden sich Verbraucher für Glas mit niedrigem Emissionsgrad, um die Energieeffizienz zu verbessern und die Stromrechnungen zu senken. Diese haben jedoch auch den Effekt, dass sie drahtlose Kommunikationssignale blockieren und somit einen schlechten Telefonempfang verursachen. Durch den Einbau einer transparenten Metamaterialfolie kann die Stärke von Hochfrequenzsignalen innerhalb von Gebäuden erheblich verbessert werden. Tatsächlich erfahren solche Hochfrequenzsignale eine besonders starke Dämpfung, so dass Metamaterialien für einen brauchbaren Telefonempfang in Innenräumen erforderlich sein können.

5G wird seit 2019 kommerzialisiert, aber bis jetzt wurde mmWave durch die hohen Kosten für die Implementierung behindert. Die kurze Reichweite von mmWave erfordert die Installation einer großen Anzahl von Basisstationen, was sie teuer und unattraktiv macht. Das auf Metamaterialien basierende RIS könnte jedoch den Markt revolutionieren, indem es eine erschwingliche, weit verbreitete Abdeckung ermöglicht und den Weg für die zukünftige Hochfrequenztelekommunikation ebnet. Im IDTechEx-Bericht „Metamaterials Markets 2023-2043: Optical and Radio-Frequency“ wird das Potenzial von RIS auf Metamaterialbasis eingehend analysiert, um das Potenzial dieser aufkommenden Technologie für die Unterstützung der Hochfrequenztelekommunikation zu bewerten.

IDTechEx-Bericht „Metamaterials Markets 2023-2043: Optical and Radio-Frequency“ https://www.idtechex.com/en/research-report/metamaterials-markets-2023-2043-optical-and-radio-frequency/901

Autor: Brendan Beh, Technologieanalyst bei IDTechEx

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