Технологии псевдоповерхностей высших порядков на грани науки и фантастики

2.2 Терагерцовые фильтры и резонаторы.

Псевдоповерхности перспективны в терагерцовом диапазоне, где классические устройства сталкиваются с рядом фундаментальных и технологических ограничений: размеры элементов приближаются к длине волны, высокочастотная электроника становится резко неэффективной из-за потерь и тепловых шумов, а миниатюризация традиционных резонаторных структур требует дорогих наномасштабных технологий с ограниченной надёжностью. И именно в этом диапазоне геометрическая волновая инженерия (ГВИ) предлагает уникальное решение: поверхностная кривизна становится одновременно фильтром, резонатором и коммутационно-режимным узлом.

Одной из ключевых функций псевдопараболоидов и псевдоповерхностей является возможность пространственно частотной селекции: за счёт градиентной, переменной кривизны внутри тела структура разбивает входной широкий спектр на пространственно разделённые субдиапазоны. Конкретные длины волн автоматически фокусируются или «захватываются» в определённых зонах кривизны – например, в одном из двух симметричных «горлышек» или в экваториальной расширенной части псевдопараболоида.

Физический принцип заключается в следующем: поскольку волновой фронт «адаптируется» к метрическим свойствам среды, разные частоты взаимодействуют с искривлённой геометрией по-разному. Например:

– волны с определённой длиной резонансно захватываются в переменных радиальных узлах, где образуются устойчивые стоячие моды;

– длинноволновые колебания могут втягиваться в горловину и замыкаться в центральной ловушке;

– высокочастотные (коротковолновые) компоненты попадают в зоны разомкнутого выхода и продолжают движение, минуя внутренние узлы.

Таким образом, даже в полностью пассивном, физически статичном устройстве реализуется режим фильтрации и спектрального разделения – без использования дифракционных решёток, призм, интерферометров или массивов резонаторных колец.

Особенности

Особенность таких структур заключается также в том, что псевдопараболоид может выполнять сразу несколько частотно-зависимых операций:

– быть резонатором. Если длина волны совпадает с геометрически заданной длиной замкнутой (или частично замкнутой) моды в пространстве кривизны;

– быть ловушкой. Если определённая частота не имеет выхода из объёма на уровне сечения;

– быть фильтром-пропускателем. Если волна проходит сквозь тело без формирования устойчивых отражений и задержек;

– быть спектральным маршрутизатором. Разные частоты или гармоники возбуждают разные зоны поверхности и выходят из разных углов.

На практике это открывает дорогу к созданию терагерцовых устройств нового класса:

– Спектрально-чувствительных коммутаторов. За счёт геометрической настройки формируется уникальное распределение направлений выхода для разных частот;

– Геометрических мультиплексоров и демультиплексоров. Поверхность автоматически распределяет компоненты сигнала в разные пространственные области;

– Резонаторов с программируемой добротностью. Гауссова кривизна позволяет управлять временем удержания энергии – это особенно важно для создания быстро откликающихся сенсоров;

– Печатных фильтров. Вся структура может быть реализована в виде плоской или слегка объёмной геометрии, напечатанной на подложке (диэлектрической или гибкой), без использования активных элементов.

По своей структуре такие фильтры можно интегрировать в стандартные линии передачи и чипы, занимая минимальный объём. Использование печатных или литографированных геометрий на основе псевдопараболических профилей позволяет изготавливать фильтры и резонаторы на одном слое материала, фактически как пару контура из чисто геометрических мотивов без дополнительной компоненты – только форма поверхности диктует спектральную логику.

Преимущества по сравнению с традиционными ТГц-решениями:

– Миниатюризация. Размеры соответствуют локальной кривизне, а не длине волны или размерам волновода;

– Отсутствие необходимости в металлических или сверхпроводящих контактах, что критично для надёжности в суровой среде;

– Низкие потери. За счёт отсутствия резких границ, неоднородностей, дифракционных ступеней;

– Высокая согласуемость с метаматериалами и метаповерхностями;

– Возможность программируемого фокусирования без фазовых структур.

Применения:

– Терагерцовая спектроскопия и бесконтактное сканирование;

– Гибридные фотонно-электронные фильтры на чипе;

– ТГц-обработка информации: фильтрация, маршрутизация, накопление;

– Селективное возбуждение квантовых переходов на заданной частоте в фотонных и плазмонных системах;

– Биоимпедансная чувствительная фильтрация в медицинской диагностике (например, в "лазерном носе" или детекторе заболеваний по потоку ИК-излучения кожи).

Таким образом, псевдопараболоиды и другие криволинейные псевдоповерхности в терагерцовом диапазоне становятся физической основой для совершенно нового типа функциональных фильтров и резонаторов, работающих без проводов, металлов и активной схемотехники – исключительно за счёт формы. Это квинтэссенция ГВИ: геометрия становится алгоритмом обработки частот и направлений, формируя волновую логику пассивно, с субволновой точностью.

2.3 Мультифокусные антенны следующего поколения

Концепция в контексте геометрической волновой инженерии (ГВИ) представляет собой прорывной подход к организации радиосвязи, оптической или акустической передачи информации. В отличие от классических антенн с жёсткой диаграммой направленности или фазированных решёток с электроникой управления, здесь функциональность закладывается в саму геометрическую форму объекта. Такие антенны могут одновременно излучать и/или принимать сигналы в нескольких направлениях, используя сложные формы кривизны, топологически структурированные резонансные зоны и пространственно-фазовую обратную связь.

Ниже приведено подробное описание всех аспектов этой технологии:

1. Определение и суть мультифокусной антенны нового поколения

Мультифокусная антенна – это антенная или резонаторная система, в которой благодаря специально спроектированной, искривлённой поверхности (например, псевдопараболоид 3-го порядка, псевдогиперболоид или псевдоэллипсоид) волновая энергия одновременно фокусируется, излучается или воспринимается сразу в нескольких априорно заданных фокусных направлениях.

Такие антенны могут принимать сигнал, приходящий из нескольких углов одновременно, без переключения, передавать энергию и данные мультиканально – с фазово-разделёнными каналами в разные точки пространства и быстро (и даже пассивно) переключаться между направлениями без использования схем фазового поворота.

2. Ключевые преимущества по сравнению с классическими антенными системами

По сравнению с традиционными антеннами (ячейками, диполями, решётками, микро полосковыми элементами) и особенно фазированными антенными решётками (ФАР), мульти фокусные геоантенны обладают рядом уникальных преимуществ:

– Без электронная перестройка диаграммы направленности: переключение/фокусировка осуществляется за счёт пространственного перераспределения возбуждения;

– Отсутствие фазовращателей: волновая форма естественно «выбирает» нужное направление в зависимости от точки ввода, частоты или угла;

– Нелокальная передача сигнала: одна волна может быть расщеплена в пространстве и направлена в несколько независимых фокусных узлов;

– Большая энергетическая эффективность: отсутствие паразитных элементов и активного управления снижает потери;

– Миниатюрность: полезная площадь антенны может быть уменьшена благодаря пространственно организованной форме.

3. Физика работы

Мульти фокусный эффект возникает за счёт наличия у псевдоповерхности нескольких зон с разной фокусной длиной, кривизной или критическим углом возбуждения. Волна, проходя после возбуждения через тело антенны. Интегрально перераспределяется по направлению: волну «ведёт» внутренняя геометрия, искривляя фронт изгибом поверхности. Создаёт стоячие или направленные моды в нескольких зонах одновременно. Запускает эффект модовой перекодировки – например, возбуждение кольцевой моды трансформируется в направленный линейный луч в конкретной фокусной зоне.

Фокусные зоны могут быть:

– Независимыми (каждая – отдельный канал связи);

– Геометрически связанными (например, через псевдогеодезические резонансные каналы);

– Спектрально-избирательными (разные частоты – разные фокусные направления);

– Зависимыми от точки возбуждения (модуляция приёма/излучения за счёт перемещения точки подачи сигнала на входной поверхности).

4. Режимы работы:

А) Передатчик – приёмник:

Подача сигнала на точку A приводит к формированию энергетического пучка в фокусной зоне B, C или D – в зависимости от частоты, амплитуды или локального возбуждения. Коэффициент направленной передачи может изменяться без фазовращателя.

Б) Мульти-приём:

Сигналы, пришедшие по разным направлениям, автоматически фокусируются в разных внутренних фокусных узлах и считываются пространственно-разделённо. Каждая фокусная зона может быть ассоциирована с отдельным демодулятором.

В) Эхо/обратная связь. Благодаря интерференционной фигуре, образованной сложной геометрией, антенна может «не пускать» некоторые волны обратно – формируя либо пассивное заглушение (для помех), либо стоячую волну для повторной ретрансляции.

5. Возможность перестройки без электроники.

Один из самых интересных аспектов: изменение направленности такой антенны может происходить за счёт:

– Механического воздействия (деформация оболочки);

– Термоактивации (жидкие кристаллы, термочувствительные полимеры);

– Управляемых поверхностных покрытий (например, графен, мембраны с переменным импедансом);

– Изменения точки или формы возбуждения (например, перемещающийся пьезоэлемент или переменная фазировка сигнала на входе).

Это позволяет реализовать:

– Адаптивные «живые» антенны с геометрической логикой управления диаграммой;

– Системы многофокусной связи в компактных устройствах без активного фазирования;

– Интеграцию непосредственно в корпус БПЛА, спутников, носимой электроники.

6. Потенциальные применения:

– Мультиканальная связь на летательных аппаратах (одновременная фиксация нескольких объектов или базовых станций);

– Беспроводная передача сигналов в сложной среде: где обычные антенны дают много пере отражений, многолучевая направленность помогает обойти шум через пространственное разнесение;

– 6G-связь и терагерцовые каналы: псевдогеоантенны могут быть использованы как миниатюрные узлы распределённой сети;

– Скрытые передатчики: встраиваемые в архитектуру объекта, плоские и пассивные;

– Когнитивные радиосистемы: автоматическая адаптация к волновой среде без активного сканирования.

7. Форма = логика.

Эти антенны переходят от понятия «электронно управляемого устройства» к «геометрически программируемому интерфейсу». В них:

– Форма задаёт диаграмму направленности;

– Кривизна кодирует маршруты энергии;

– Поведение волны определяется материалом и топологией поверхности.

Можно сказать, что геометрия становится новым языком построения направленных систем связи.

8. Возможности дальнейшего развития:

– Интеграция с метаповерхностями с фазоизбирательными структурами;

– Реализация полностью гибких многоканальных геоантенн на основе полимеров или органических плёнок;

– Использование стохастически неравномерной кривизны для адаптации к случайным сигналам или нестационарной среде (город, вода, атмосфера);

– Комбинирование с сенсорикой: направление связи обнаруживает объект, усиливает на него сигнал и отслеживает его перемещение.

Заключение

Мультифокусные антенны, основанные на псевдоповерхностях, – это не просто шаг вперёд в радиотехнике, это переход к волновой геометрии как новому принципу связи. В них электронная логика уступает место «логике формы», где передача и приём идут не по проводам, а по пространственным кривизнам – и сама материя становится коммуникационным интеллектом.

2.4 THz и 6G-7G трансиверы

С переходом к сверхвысокочастотной (ТГц) связи и грядущим поколениям беспроводных стандартов связи (6G и 7G), традиционные архитектуры трансиверов (приёмопередатчиков) сталкиваются с рядом фундаментальных ограничений: высокая дисперсия, фазовые шумы, повышенные требования к синхронизации, сильное затухание в каналах передачи и высокая чувствительность к помехам. Геометрическая волновая инженерия (ГВИ) предлагает радикально новый подход к построению трансиверов, где вся или существенная часть функциональности реализуется пассивно, через специально спроектированную геометрию.

Основные принципы

1. Пространственная маршрутизация частотных каналов

Сложная геометрия с изменяемой кривизной и локальной анизотропией фронта позволяет физически разделять различные частотные компоненты входящего сигнала по пространственным траекториям.

Это означает:

– Частоты «раскладываются» по направлению: например, волны 0.9 ТГц идут налево, 1.3 ТГц – направо;

– Каждый канал получает собственную траекторию внутри структуры – как физический путь связи;

– Все маршруты реализуются без электронного спектроанализатора, только за счёт динамики волны на искривлённой поверхности.

Это превращает поверхность трансивера в функциональный аналог спектральной линзы или топологического маршрутизатора.

2. Пассивные коммутаторы и мультиплексоры

Псевдоповерхность позволяет переключать направления и обрабатывать множественные каналы без активных фазовращателей, схем модуляции или элементов управления.

Это достигается за счёт:

– Нелинейных траекторий волнового распространения по поверхности;

– Зон с переменной кривизной, где определённые частотные компоненты автоматически «выбирают» свою траекторию;

– Возможности взаимосвязи каналов через стоячие моды и мультифокусные узлы, придавая функции мультиплексирования/демультиплексирования.

В такой архитектуре коммутатор становится «вырезом» геометрического пространства, где поведение сигнала определяется фазой, длиной волны и материалом, а не логикой цифрового ключа.

3. Модуляция сигнала «формой» поверхности

Одной из самых уникальных функций является возможность модуляции параметров сигнала не классическим образом (амплитудой, фазой, частотой), а кинематически – через форму самой поверхности. Форма диктует фазовый градиент по фронту волны. Кривизна влияет на направление, динамику и структуру волнового пакета. Малейшее изменение геометрии – например, за счёт термоактивной мембраны, давления или поля – приводит к перенаправлению сигнала или изменению временной задержки (что может служить модулем). Псевдоповерхность может быть запрограммирована заранее на определённый набор форм-режимов – «модуляционных состояний».

В таких системах кодирование сигнала = перемещение по геометрически определённым траекториям. Распределение мощности = функция кривизны и локального импеданса. Чтение/считывание = определение, в какую точку пространства (или к какому датчику) приходит сигнал.

Это создаёт архитектуру, подобную аналоговому волновому CPU, где форма тела выполняет функции маршрутизации, фокусировки, фильтрации и логики.

Возможности реализации

– Метаповерхности на кремниевой, графеновой или диэлектрической подложке – с пространственно изменяемыми фазовыми элементами (метаатомами);

– Гибкие псевдолинзы для THz-девайсов (на ПДМС, поликарбонате, вариофазных полимерных материалах);

– Комбинированные структуры: сигнал возбуждается через порт питания (гидридный волновод), а далее распределяется по форме на множественные зоны излучения или приёма.

Преимущества по сравнению с традиционными ТГц и 6G-компонентами:

– Минимальные энергетические потери: нет активных компонентов – меньше тепла, выше стабильность;

– Улучшенная когерентность передачи: меньше фазовых сдвигов, создаваемых цифровыми элементами;

– Компактность: один объект с геометрией замещает целую цепочку усилителей, фильтров, коммутаторов;

– Инженерная надёжность и термическая стабильность: можно изготавливать из материалов, устойчивых к экстремальным условиям (космос, промышленность, медицина).

Потенциальные применения:

– Миниатюрные THz- и 6G/7G-антенны с направленной адаптивной связью;

– Беспроводные интерконнекты и каналы в интегральных чипах будущего (chip-to-chip связи);

– Волновые мультиплексоры в дата-центрах и сетевых наносерверных системах;

– Устройства защищённой связи. Прохождение сигнала возможно только при определённой форме возбуждения и геометрии поверхности;

– Платформы для энергоэффективной связи в распределённых интеллектуальных системах

– интерфейсы роботов, БПЛА, вещей IoT-нового поколения.

Заключение

THz и 6G–7G трансиверы, построенные на принципах геометрической волновой маршрутизации и модуляции, – это шаг в сторону постэлектронных архитектур связи: систем, в которых сигнал не передаётся по проводу или каналу, а «скользит» по пространственной логике самой формы. Это не просто физика – это начало новой формы коммуникационного мышления. В этих трансиверах связь впервые становится формой.

2.5 Волновая маршрутизация в открытом пространстве

Один из самых инновационных и перспективных аспектов геометрической волновой инженерии (ГВИ) – это реализация волновой маршрутизации в открытом пространстве, без использования традиционных волноводов, отражающих поверхностей или направляющих структур. Это технология, при которой волна (акустическая, радиочастотная, терагерцовая, оптическая) передаётся строго по заранее запрограммированной геометрии, встроенной в распределённую метафизику пространства – формой, которая задаёт траекторию волнового фронта.

Здесь речь идёт не об излучении в широком смысле, как у стандартных антенн, а об управлении распространением волны таким образом, что она перемещается по узкому «геометрически привязанному каналу», встроенному в открытую среду – как будто пространство «гнётся» под волну, ведя её по заданному маршруту, без заметного рассеяния в стороны. Это и есть гео-линия связи – формообразованная волновая траектория.

Основные принципы

1. Геометрически заданный тракт передачи

Маршрут сигнала задаётся не активной направляющей аппаратурой, а пассивной или квазипассивной геометрией. Пространственные фрагменты (мембраны, метаповерхности, псевдокривизны) формируют «коридор распространения» . Результирующая волна следует не оптической прямой, а геодезической линии, сформированной кривизной или изменением метапараметров среды. Такая линия может изгибаться, огибать препятствия, заглубляться, выходить вертикально – при этом волна строго удерживается в этом коридоре за счёт внутренней динамики среды и пространственного программирования импеданса/кривизны/фазовых характеристик.

2. Невидимая передача сигнала – ограниченное излучение

В классических антеннах излучение распространяется сферически (или в соответствии с диаграммой направленности), что делает сигнал легко перехватываемым и уязвимым.

В геометрической маршрутизации:

– Волновое поле практически не излучается вне заданной линии (зона направленного возбуждения сильно ограничена);

– Энергия остаётся в пределах гео-тракта благодаря пространственной фокусировке и локализации;

– Маскируется физическое присутствие канала: извне нет излучающей антенны, только возмущение продолжается по пространственно задуманной траектории;

– Чистый сигнал фиксируется только в целевой зоне – остальная область свободна от прохождения носителя.

Это подходит для задач скрытной связи, миниатюрной направленной передачи, волновой навигации в условиях повышенной шумности, военных и антивзломных коммуникаций.

3. Защищённые каналы, реализованные через форму

Информация может направляться исключительно по определённому каналу формы.

Это позволяет реализовать:

– Геометрически закрытую архитектуру связи: «если нет доступа к геометрии – нет сигнала»;

– Нелинейные условия маршрута: только при совпадении входных характеристик (частота, угол, амплитуда) с формой канала возможно возбуждение;

– Псевдогеодезическую идентификацию: сигнал «разрешается» к прохождению, если он соответствует внутренним условиям траектории.

Таким образом, защита сигнала обретается не шифрованием содержимого, а самой физикой распространения. Это смещение защиты на более фундаментальный уровень – сопротивление не на логическом, а на пространственно-волновом уровне.

Возможные реализации

1. Метаповерхности и открытые резонансные структуры:

– Тонкие слои с локально переменной фазовой функцией или диаграммой импеданса;

– Элементы с наложенными фракциями псевдоотрицательной кривизны;

– Структуры без физического канала, но с эффектом пространственного путеводного поля (мета-архитектурная линза или «лотосовая геометрия»).

2. Псевдообъёмные маршрутизаторы:

– Изогнутые оболочки, вмонтированные в поверхность объектов;

– Свободностоящие формы в городской или природной среде, направляющие волны (например, по изгибу зданий или дорожной инфраструктуре).

3. Гибкие мембранные волноводы и сетки. Ультратонкие активные слои, реагирующие на давление/нагрев/электрическое поле, образующие направленный канал на момент передачи.

Применения

– Беспроводные системы нового поколения (TНz, 6G–7G), в которых возможна разнесённая, высоконаправленная связь без излучающих элементов;

– Военные и разведывательные системы связи: «невидимые каналы», передающие информацию между точками на фиксированной практически неотслеживаемой траектории;

– Встраивание в поверхности транспортных систем – автомобили, аэрокосмические оболочки, подвижные роботы для сверхлокальной связности;

– Информационные архитектурные элементы – здания, стены, тоннели с волновыми маршрутами, встроенными в геометрию праздников, интерьеров, общественных структур;

– Средства связи в экстремальной среде: вода, плотные облака, радиационно нестабильные зоны, где невозможна классическая передача из-за переотражений и искажений.

Преимущества перед классической направленной связью:

– Не требует ни фокусирующих антенн, ни линз, ни поворотных зеркал;

– Энергия сосредоточена в псевдоканале – отсутствие утечек;

– Высокая согласуемость с внешней средой – можно «гибко вписать» геоформу в практически любой ландшафт или объект;

– Абсолютно новая парадигма защищённости без шифрования – «форма как ключ доступа».

Заключение

Геометрическая волновая маршрутизация в открытом пространстве – это начало новой логики пространства передачи. Здесь передача сигнала перестаёт быть просто волной, распространяющейся в среде, и становится направленным актом пространственного мышления. Это физика конфиденциальности, архитектура взаимодействия и форма функционального доверия, в которой сигнал существует только там, где его ждёт геометрия. Если пространства нет – нет и связи.

Это не просто технология связи, это топологическая линия взаимопонимания – волновой след мысли, прошедший по изгибу реализованного пространства

3. Сенсорика и измерение

3.1 Гео-оптические телескопы.

Псевдоповерхности необычайно перспективны в области пассивной оптики, формируя основу для гео-оптических телескопов – инновационных наблюдательных систем, в которых геометрия самого объектива становится главным механизмом сбора, фокусировки и пространственной организации света. В традиционных телескопах вся собранная световая информация концентрируется в единой фокусной плоскости – размер изображения, масштаб и разрешение регулируются кривизной одной или нескольких оптических поверхностей. Однако если применить принципы геометрической волновой инженерии (ГВИ), можно получить объектив совершенно нового типа: гео-оптическую псевдоповерхность с переменной отрицательной кривизной, способную одновременно фокусировать лучи, приходящие из разных углов, в самостоятельные, отдельные фокусные области.

В основе такого объектива – псевдопараболоид, псевдогиперболоид или псевдоэллипсоид , например, третьего порядка, спроектированный таким образом, что угловое распределение входящего излучения (естественного светового потока, лазеров, звёздного излучения и т. д.) автоматически «сортируется» по собственной траектории взаимодействия с криволинейной метрикой поверхности. Разные углы падения попадают в локальные кривизны, каждая из которых избирательно фокусирует конкретную часть фронта в собственную фокусную зону, не влияя на остальные.