Elektrotechnici van de Duke University hebben een goedkope methode bedacht voor het passief lokaliseren van bronnen van radiogolven, zoals wifi en cellulaire communicatiesignalen.

Hun techniek zou kunnen leiden tot goedkope apparaten die radiogolfapparaten zoals mobiele telefoons of wifi-zenders kunnen vinden, of camera's die beelden vastleggen met behulp van de radiogolven die al overal om ons heen weerkaatsen.

De resultaten verschijnen op 12 mei online in het tijdschrift optiek .

"In dit artikel hebben we spectrale beelden van microgolfruisbronnen zelf gemaakt, wat betekent dat we radio- en microgolfbronnen kunnen lokaliseren, zoals antennes, terwijl ze tegelijkertijd karakteriseren over welke frequenties ze uitzenden, " zei Aaron Diebold, een onderzoeksassistent elektrotechniek en computertechniek bij Duke, die het onderzoek leidde. "Bij optische frequenties, dat zou hetzelfde zijn als het krijgen van een kleurenafbeelding van een heet object zoals een kachelbrander. Hoewel dat optisch vrij eenvoudig is, het vereist verschillende technieken in het radio- en microgolfregime."

Het lokaliseren van bronnen van dit soort golven is al mogelijk, maar de benodigde technieken en apparatuur zijn complex. Dergelijke apparaten gebruiken traditioneel een reeks van vele kleine, energieverslindende antennes die ervoor zorgen dat deze apparaten omvangrijk en duur worden. En omdat radiogolven zoveel groter zijn dan lichtgolven, de methoden die worden gebruikt in optische frequenties zijn onbetaalbaar complex en zouden resulteren in extreem grote detectoren en andere machines.

In de nieuwe krant de onderzoekers wenden zich in plaats daarvan tot metamaterialen. Metamaterialen zijn synthetische materialen die zijn samengesteld uit vele individuele technische kenmerken, die samen eigenschappen produceren die niet in de natuur voorkomen door hun structuur in plaats van door hun chemie. In dit geval, het metamateriaal is een verzameling vierkanten met ingelegde draden in specifieke vormen die dynamisch kunnen worden afgestemd om te interageren met radiogolven die er doorheen gaan.

Door sommige vierkanten radiogolven door te laten en andere juist te blokkeren, de onderzoekers kunnen een zogenaamd gecodeerd diafragma creëren.

"We gebruiken de verschillende patronen om gegevens te coderen in een enkele meting, die de signaalsterkte verhoogt ten opzichte van wat je zou krijgen met slechts een enkele, kleine antenne, " zei Mohammadreza Imani, een onderzoekswetenschapper aan Duke die later dit jaar als assistent-professor in elektrische en computertechniek aan de Arizona State University zal werken. "We gebruiken de metamaterialen ook om de verschillende frequenties van de gegevens te 'stempelen', waardoor we ze uit elkaar kunnen halen."

Om te begrijpen hoe een gecodeerd diafragma het signaal versterkt, overweeg het experiment op de basisschool om naar een zonsverduistering te kijken door een in karton geperforeerd gat te gebruiken om een ​​afbeelding op het trottoir te creëren. Zoals iedereen die dit ooit heeft gedaan weet, hoe kleiner het gat, hoe scherper het detail van de eclips. Maar een kleiner gat maakt het ook zwakker en moeilijker te zien.

De oplossing is om veel kleine gaatjes te maken om een ​​reeks eclipsen te creëren, en vervolgens een computer te gebruiken om ze te reconstrueren tot een enkel beeld. Zo krijg je de scherpte van het kleine gaatje met de helderheid van een groot gaatje. De sleutel is om het patroon van de gaten te kennen - ook bekend als de gecodeerde opening - die de onderzoekers controleren met de metamaterialen.

De metamaterialen moduleren ook verschillende frequenties anders als ze door de gecodeerde opening gaan, waarmee de onderzoekers de frequenties van de gedetecteerde golven kunnen afleiden.

De onderzoekers demonstreerden het nut van deze aanpak in het artikel. Ze lieten eerst zien dat ze de vorm van radiogolven kunnen "zien" en identificeren die worden uitgezonden door een smiley-vormige antenne. Vervolgens toonden ze aan dat hun systeem in de echte wereld kan werken door radiogolfbronnen in drie dimensies ten opzichte van elkaar te lokaliseren.

De onderzoekers zijn van plan hun methoden te blijven verfijnen in de hoop uiteindelijk 'foto's' te kunnen maken van objecten en scènes met niets meer dan de radiogolven die erop worden teruggekaatst.

"Passieve beeldvorming komt voor in situaties waarin je de bron niet onder controle hebt, zoals het maken van een foto met licht van de zon of gloeilampen, " zei David R. Smith, de James B. Duke Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering aan Duke. "Bij microgolffrequenties, er zijn veel signalen die constant rondkaatsen. Deze RF-golven in de omgeving kunnen voldoende verlichting bieden voor een metasurface-imager om afbeeldingen te reconstrueren met behulp van de technieken die in dit onderzoek zijn beschreven."