Un'antenna a forma di faccina (a sinistra) è identificata correttamente da un nuovo metodo per localizzare passivamente le sorgenti di onde radio (a destra). Credit: Duke University

Introduzione

Gli ingegneri elettrici della Duke University hanno ideato un metodo a basso costo per localizzare passivamente le fonti di onde radio come il Wi-Fi e i segnali di comunicazione cellulare.

La loro tecnica potrebbe portare a dispositivi economici in grado di trovare dispositivi a onde radio come telefoni cellulari o emettitori Wi-Fi o telecamere che catturano immagini utilizzando le onde radio che rimbalzano già intorno a noi.

I risultati appaiono online il 12 maggio sulla rivista Optica.

Localizzare le fonti radio

In questo articolo abbiamo ottenuto immagini spettrali delle stesse fonti di rumore delle microonde, il che significa che possiamo localizzare le fonti radio e microonde, come le antenne, e allo stesso tempo caratterizzare le frequenze su cui stanno emettendo“, ha affermato Aaron Diebold, assistente di ricerca in ingegneria elettrica e informatica presso la Duke, che ha guidato la ricerca. “Alle frequenze ottiche, sarebbe come ottenere un’immagine a colori di un oggetto caldo come il bruciatore di una stufa. Sebbene ciò sia abbastanza semplice otticamente, ci vogliono diverse tecniche nel regime radio e microonde”.

Individuare le fonti di questi tipi di onde è già possibile, ma le tecniche e le attrezzature richieste sono complesse. Tali dispositivi usano tradizionalmente una serie di molte piccole antenne affamate di energia che rendono questi dispositivi ingombranti e costosi. E poiché le onde radio sono molto più grandi delle onde luminose, i metodi utilizzati nelle frequenze ottiche sono proibitivamente complessi e comporterebbero rilevatori e altri macchinari estremamente grandi.

Ricorrere ai metamateriali

Nel nuovo documento, i ricercatori si rivolgono invece ai metamateriali. I metamateriali sono materiali sintetici composti da molte caratteristiche progettate individualmente, che insieme producono proprietà non trovate in natura attraverso la loro struttura piuttosto che la loro chimica. In questo caso, il metamateriale è una raccolta di quadrati contenenti fili intarsiati in forme specifiche che possono essere sintonizzati dinamicamente per interagire con le onde radio che li attraversano.

Un banco da laboratorio con un'antenna rivolta verso un paio di quadrati sottili orizzontali
Il dispositivo metamateriale sperimentale verde che “imprime” le onde radio in entrata per aiutare i ricercatori a trovare la loro fonte.

Avendo alcuni quadrati che consentono il passaggio delle onde radio e altri che le bloccano, i ricercatori possono creare quella che è nota come un’apertura codificata.

Utilizziamo i diversi modelli per codificare i dati in un’unica dimensione, il che aumenta la potenza del segnale rispetto a ciò che otterresti con una sola piccola antenna“, ha dichiarato Mohammadreza Imani, ricercatore della Duke che si unirà alla Arizona State University come professore assistente di ingegneria elettrica e informatica entro la fine dell’anno. “Utilizziamo anche i metamateriali per “timbrare” le diverse frequenze dei dati, il che ci consente di separarli“.

Come in un esperimento elementare

Per capire come un’apertura codificata aumenta il segnale, considera l’esperimento elementare per guardare un’eclissi solare usando un buco nel cartone per creare un’immagine sul marciapiede. Come chiunque lo abbia mai fatto, più piccolo è il buco, più nitido è il dettaglio dell’eclissi. Ma un foro più piccolo lo rende anche più scuro e più difficile da vedere.

La soluzione è creare molti piccoli fori di spillo per creare una serie di eclissi e quindi utilizzare un computer per ricostruirli in una singola immagine. In questo modo si ottiene la nitidezza del piccolo foro stenopeico con la luminosità di un grande foro stenopeico. La chiave sta nel conoscere il modello dei fori – noto anche come apertura codificata – che i ricercatori controllano con i metamateriali.

I metamateriali modulano anche varie frequenze in modo diverso mentre passano attraverso l’apertura codificata, il che consente ai ricercatori di dedurre le frequenze delle onde rilevate.

Computer grafica sfondo blu con motivi ondulati di giallo e rosso
Esempi di onde radio che sono “stampate” da un’apertura codificata in metamateriale, che consente ai ricercatori di effettuare misurazioni con meno dati e di identificare la frequenza delle onde radio.

I ricercatori hanno dimostrato l’utilità di questo approccio nel documento. Per prima cosa hanno dimostrato di poter “vedere” e identificare la forma delle onde radio emesse da un’antenna a forma di faccina. Hanno quindi dimostrato che il loro sistema può funzionare nel mondo reale localizzando le sorgenti di onde radio in tre dimensioni l’una rispetto all’altra.

I ricercatori hanno in programma di continuare a perfezionare i loro metodi nella speranza di poter finalmente “fotografare” oggetti e scene con nient’altro che le onde radio che rimbalzano su di loro.

L’imaging passivo si verifica in situazioni in cui non si controlla la fonte, come scattare una foto usando la luce del sole o delle lampadine“, ha affermato David R. Smith, James B. Duke, illustre professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Duke. “Alle frequenze delle microonde, ci sono molti segnali che rimbalzano costantemente. Queste onde RF 2ambientali” potrebbero fornire un’illuminazione sufficiente per un riproduttore di metasuperfici per ricostruire le immagini usando le tecniche descritte in questa ricerca“.

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