Реконфигурируемые антенны — те, которые на расстоянии в режиме реального времени могут настраивать такие свойства, как частота, направленность и поляризация — являются неотъемлемой частью будущих систем сетей связи, таких как 6G. Но многие современные конструкции реконфигурируемых антенн могут не соответствовать требованиям: они выходят из строя при высоких или низких температурах, имеют ограничения по мощности или требуют регулярного обслуживания.

Чтобы устранить эти ограничения, ученые из Инженерного колледжа штата Пенсильвания объединили электромагниты с совместимым механизмом. Сегодня (13 февраля) в Nature Communications они опубликовали свое доказательство концепции реконфигурируемой патч-антенны с поддержкой совместимого механизма.

«Податливые механизмы — это инженерные конструкции, которые включают в себя элементы самих материалов для создания движения при приложении силы вместо традиционных механизмов с твердым телом, требующих шарниры для движения», — сказал автор проекта Галестан Маккертич-Сенгерди, который одновременно является докторантом и штатным научным сотрудником Школы электротехники и компьютерных наук (EECS) колледжа. «Податливые механические объекты спроектированы так, чтобы многократно изгибаться в определенном направлении и выдерживать суровые условия».

Применительно к реконфигурируемой антенне ее рычаги изгибаются предсказуемым образом, что, в свою очередь, меняет ее рабочие частоты — без использования шарниров или подшипников.

«Точно так же, как хамелеон приводит в движение крошечные выпуклости на своей коже, которые меняют свой цвет, реконфигурируемая антенна может изменять свою частоту с низкой на высокую и обратно, просто настраивая свои механические свойства, что обеспечивается соответствующим механизмом», — сказал соавтор проекта Сойер Кэмпбелл, адъюнкт-профессор EECS.

Конструкции с совместимыми механизмами заменяют существующие технологии проектирования оригами, названные в честь японского искусства складывания бумаги, которые можно реконфигурировать, но они не имеют таких же преимуществ в прочности, долгосрочной надежности и высокой мощности обработки.

«Конструкции антенн оригами известны своими компактными возможностями складывания и хранения, которые затем могут быть развернуты в приложении позже», — сказал Маккертич-Сенгерди. «Но как только эти складные конструкции оригами развернуты, им обычно требуется сложная конструкция жесткости, чтобы они не деформировались и не изгибались. Если плохо спроектировать, эти типы устройств будут иметь ограничения по условиям окружающей среды и эксплуатации в полевых условиях».

Команда проиллюстрировала и спроектировала прототип круглой патч-антенны в форме радужной оболочки, используя коммерческое программное обеспечение для электромагнитного моделирования. Затем они напечатали его на 3D-принтере и проверили на усталостные разрушения, а также точность частоты и диаграммы направленности в безэховой камере Penn State, помещении, изолированном материалом, поглощающим электромагнитные волны, который предотвращает помехи сигналам при тестировании антенны.

Хотя прототип, предназначенный для демонстрации определенной частоты, лишь немногим больше человеческой ладони, по словам исследователей, технология может быть масштабирована до уровня интегральной схемы для более высоких частот или увеличена в размерах для низкочастотных приложений.

По словам инженеров, исследования совместимых механизмов стали более популярными благодаря развитию 3D-печати, которая позволяет создавать бесконечные вариации дизайна. Именно опыт Маккертича-Сенгерди в области машиностроения натолкнул его на мысль применить этот особый класс податливых механизмов к электромагнетизму.

«Документ представляет совместимые механизмы как новую парадигму проектирования для всего сообщества электромагнетиков, и мы ожидаем, что она будет расти», — сказал соавтор Дуглас Вернер, Джон Л. и Женевьева Х. Маккейн, профессор EECS. «Это может стать отправной точкой для совершенно новой области дизайна с захватывающими приложениями, о которых мы еще не мечтали».