Dieser innovative Designansatz ermöglicht es Metamaterialien, elektromagnetische, akustische und andere Wellenarten zu beeinflussen und eröffnet damit neue Möglichkeiten in Bereichen von der Optik bis zur Telekommunikation. Der IDTechEx-Bericht „Metamaterialmärkte 2024–2034: Optische und Hochfrequenz-Metamaterialien“ bietet eine detaillierte Analyse des sich entwickelnden Feldes der elektromagnetischen Metamaterialien. Der Bericht prognostiziert, dass der kombinierte Markt für optische und Hochfrequenz-Metamaterialien bis 2034 ein Volumen von 15 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Dieser Artikel beleuchtet die wichtigsten Anwendungen, die das Wachstum des Marktes für Hochfrequenz-(HF-)Metamaterialien vorantreiben.

Wie groß wird der Markt für Hochfrequenz-Metamaterialien im Jahr 2034 sein und was wird seine wichtigste Anwendung sein?

Radiofrequenz-Metamaterialien sind für die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich von 600 MHz bis 1 THz konzipiert. Ihre potenziellen Anwendungsgebiete erstrecken sich über Telekommunikation, Sicherheit, Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Gesundheitswesen. Die Analyse von IDTechEx hebt wichtige Anwendungen in den einzelnen Kategorien hervor, darunter rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS), Radar-Beamforming, elektromagnetische Abschirmung und medizinische Detektion. IDTechEx prognostiziert, dass der Markt für HF-Metamaterialien bis 2034 ein Volumen von 2 Milliarden US-Dollar erreichen wird, wobei rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS) 98 % dieses Wachstums generieren werden.

materials-rf-w

Was sind rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS)?

RIS (Reconfigurable Intelligent Surfaces) ist ein zweidimensionales Array von Metasurfaces, das dynamisch angepasst werden kann, um die Ausbreitung von Hochfrequenzwellen in Echtzeit durch programmierbare Steuerung zu beeinflussen. Dies ermöglicht eine präzise Interaktion mit den Signalwellen und deren gezielte Lenkung zu den gewünschten Nutzern oder Empfängern. Diese Oberflächen bieten eine kostengünstige und energieeffiziente Methode zur signifikanten Verbesserung der Energieeffizienz (EE) und der spektralen Effizienz (SE) drahtloser Kommunikationssysteme.

Ein typisches RIS besteht aus drei Schichten. Die äußere Schicht enthält zahlreiche Metallflächen auf einem dielektrischen Substrat, die direkt mit den einfallenden Wellen interagieren. Eine Kupferplatte dient als Zwischenschicht und verhindert Signalverluste. Die innere Schicht beherbergt die Steuerschaltung, die die Reflexionsamplitude und Phasenverschiebung jedes Elements regelt. Diese Einstellungen werden von einem intelligenten Controller gesteuert, der mit dem RIS verbunden ist und Komponenten wie FPGAs, PIN-Dioden, Widerstände und andere integrierte Schaltungen verwendet.

 

materials-rf2-2-2w

Anwendungen von RIS in verschiedenen Umgebungen

RIS-Systeme lassen sich in verschiedensten Umgebungen zur Verbesserung der drahtlosen Kommunikation einsetzen. Beispielsweise ermöglicht die RIS-Technologie an Basisstationen die Mehrstrahlübertragung, wodurch der Bedarf an Antennen reduziert und die Kapazität der Basisstation durch Multiplexing der Signale mehrerer Nutzer erhöht wird. Darüber hinaus können RIS-Systeme auf zentralen Beamforming-Türmen im urbanen Raum installiert werden, um Mobilfunksignale präzise auf bestimmte Nutzer auszurichten und so Signalstärke und Sicherheit durch fokussiertere elektromagnetische Strahlung zu verbessern. Transparente RIS-Varianten, die an Fenstern und Wänden montiert werden, lenken die Strahlen effektiv um Hindernisse herum und verbessern so die Signalausbreitung. In Innenräumen verbessert die Integration von RIS-Systemen in Wände und Decken die Signalabdeckung, beseitigt Funklöcher und optimiert die Signalqualität durch die Ausrichtung der Strahlen auf die Nutzer, wodurch eine zuverlässige Verbindung gewährleistet wird. Die RIS-Technologie bietet somit eine vielseitige Lösung zur Optimierung der drahtlosen Kommunikationsleistung in unterschiedlichsten Umgebungen.

Warum ist die RIS-Technologie die Vorzeigeanwendung?

Hochfrequenzkommunikation, wie beispielsweise 5G-mmWave-Netze und die kommenden 6G-Netze, bietet immense Datenübertragungsraten und geringe Latenzzeiten, leidet jedoch unter Reichweitenproblemen und Schwierigkeiten beim Durchdringen von Hindernissen wie Gebäuden und dichter Vegetation. Die Aufrechterhaltung von Signalstärke und -qualität ist entscheidend, um das volle Potenzial dieser fortschrittlichen drahtlosen Technologien auszuschöpfen.

RISs erweisen sich als Schlüsseltechnologie zur Bewältigung dieser Herausforderungen. Strategisch eingesetzte RISs können Signale um Hindernisse herumleiten, wodurch Funklöcher effektiv beseitigt und die Signaldurchdringung von Gebäuden kosteneffektiv verbessert wird.

Zu den Vorteilen von RISs (Remote Signal Interfaces) gehört die Fähigkeit, Signalphasen und -amplituden dynamisch anzupassen und so Ausbreitungsverluste über große Entfernungen auszugleichen. Dies verbessert die Effizienz und Zuverlässigkeit der Signalübertragung in Hochfrequenzbändern. Darüber hinaus tragen SIFs (Signal Interface Functions) zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SINR) bei, wodurch die Signalstärke erhöht, die Reichweite erweitert und die Gesamtleistung des Netzwerks gesteigert wird. Dank ihrer Fähigkeit, die Signalausbreitung zu beeinflussen, sind sie unverzichtbare Werkzeuge zur Optimierung der Leistung von Hochfrequenz-Kommunikationsnetzen.

Neben ihren technischen Vorteilen zeichnen sich SIFs durch geringen Stromverbrauch und den Bedarf an wenigen aktiven Komponenten aus und sind somit energieeffiziente Alternativen zu herkömmlichen Relais-Systemen. Ihre Integration in bestehende Infrastrukturen, wie beispielsweise Gebäudeoberflächen, vereinfacht die Installation zusätzlich und senkt die Kosten für den Aufbau robuster Hochfrequenz-Telekommunikationsnetze.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass RISs eine Schlüsseltechnologie für die Hochfrequenzkommunikation in 5G- und 6G-Netzen darstellen, da sie Ausbreitungsprobleme lösen und die Signalqualität optimieren, um das volle Potenzial fortschrittlicher drahtloser Technologien in Bezug auf Geschwindigkeit, Kapazität und Zuverlässigkeit auszuschöpfen.

Autor: Yu-Han Chang, leitender Technologieanalyst bei IDTechEx