Реконфігуровані антени — ті, які можуть налаштовувати такі властивості, як частота або промені випромінювання в реальному часі, здалеку — є невіддільна частина майбутніх систем зв’язку, таких як 6G. Але багато сучасних конструкцій реконфігурованих антен можуть не виправдати: вони не функціонують за високих або низьких температур, мають обмеження по потужності або вимагають регулярного обслуговування.
Щоб усунути ці обмеження, інженери-електрики з Інженерного коледжу штату Пенсільванія об’єднали електромагніти з відповідним механізмом, який є тією самою концепцією машинобудування, що стоїть за скобами або луком зі стрілами. Сьогодні (13 лютого 2023 р.) вони опублікували свою перевірену концепцію реконфігурованої сумісної патч-антени з підтримкою механізму сьогодні (13 лютого 2023 р.) у журналі Nature Communications.
«Сумісні механізми — це інженерні конструкції, які включають елементи самих матеріалів для створення руху під час застосування сили, замість традиційних механізмів твердого тіла, які потребують шарнірів для руху», — сказав автор-кореспондент Галестан Маккертіч-Сенгерді, який є докторантом і штатний дослідник у Школі електротехніки та комп’ютерних наук (EECS) коледжу. «Сумісні об’єкти з механізмами сконструйовані так, щоб багаторазово згинатися в певному напрямку та витримувати суворі умови».
При застосуванні до реконфігурованої антени її плечі з механізмом скарги згинаються передбачуваним чином, що, своєю чергою, змінює її робочі частоти — без використання шарнірів або підшипників.
«Подібно до того, як хамелеон змушує крихітні нерівності на своїй шкірі рухатися, що змінює її колір, реконфігурована антена може змінювати свою частоту з низької на високу і назад, просто налаштувавши свої механічні властивості, увімкнені сумісним механізмом», — сказав співавтор – автор Сойєр Кемпбелл, доцент-дослідник EECS.
Сумісні конструкції з підтримкою механізмів замінюють існуючі технології дизайну оригамі, названі на честь японського мистецтва складання паперу, які можна змінювати, але не мають таких же переваг у міцності, довгостроковій надійності та потужності.
«Конструкції антен оригамі відомі своїми компактними можливостями складання та зберігання, які потім можна розгорнути пізніше в додатку», — сказав Макертіч-Сенгерді. «Але після розгортання цих складених оригамі структур зазвичай потрібна складна структура жорсткості, щоб вони не деформувалися і не згиналися. Якщо не бути ретельно спроєктований, ці типи пристроїв зазнають обмежень щодо навколишнього середовища та експлуатації в польових умовах».
Команда проілюструвала та розробила круглий прототип патч-антени у формі райдужної оболонки за допомогою комерційного програмного забезпечення для електромагнітного моделювання. Потім вони надрукували його на 3D-принтері та перевірили на наявність втомних збоїв, а також на точність частоти та діаграми випромінювання в безеховій камері штату Пенсільванія, кімнаті, ізольованій матеріалом, що поглинає електромагнітні хвилі, який запобігає перешкоджанню сигналів тестуванню антени.
Незважаючи на те, що прототип, розроблений для націлювання на конкретну частоту для демонстрації, лише трохи більший за людську долоню, за словами дослідників, технологію можна масштабувати до рівня інтегральної схеми для більш високих частот або збільшити в розмірі для додатків з низькими частотами.
За словами дослідників, дослідження сумісного механізму зросли в популярності завдяки поширенню 3D-друку, який дає можливість нескінченних варіацій дизайну. Саме досвід Макертіча-Сенгерді в галузі машинобудування дав йому ідею застосувати цей специфічний клас сумісних механізмів до електромагнетики.
«Ця стаття представляє сумісні механізми як нову парадигму проєктування для всієї електромагнітної спільноти, і ми очікуємо, що вона буде розвиватися», — сказали співавтори Дуглас Вернер, Джон Л. і професор кафедри EECS Женев’єв Х. Маккейн. «Це може стати відгалуженням для абсолютно нової галузі дизайну із захоплюючими застосуваннями, про які ми ще не мріяли».