آنتن‌های متامتریال: قابل تغییر شکل و چاپ، تغییر شکل دادن به آینده ارتباطات بی‌سیم

سیگنال های متناوب وای فای خانه و ناتوانی در مرور صفحات وب در تلفن در طول کنسرت{0}}در پس این مزاحمت های ارتباطی روزمره، یک گلوگاه در فناوری آنتن نهفته است. اکنون، آنتن‌های فراماده‌ای در آزمایشگاه بی سر و صدا از این محدودیت‌ها عبور می‌کنند و از طریق نوآوری‌های ساختاری و پیشرفت‌های تولید، از ایستگاه‌های پایه 5G تا لوازم الکترونیکی مصرفی، مرزهای ارتباط بی‌سیم را تغییر می‌دهند.

[تصویر طرح وکتور آیکون WIFI__Other_Animation_Design Library_Nipic.com]

I. انقلاب ساختاری: طراحی بر روی مواد

پتانسیل مخرب آنتن های فراماده با تعریف مجدد «منبع عملکرد» آغاز می شود.

برخلاف آنتن‌های سنتی که بر خواص شیمیایی فلزاتی مانند مس و آلومینیوم متکی هستند، مزیت اصلی آن‌ها ناشی از طراحی دقیق ریزساختاری{0}}دستیابی به قابلیت‌های دستکاری امواج الکترومغناطیسی است که در طبیعت از طریق واحدهای تناوبی ساخته‌شده مصنوعی یافت نمی‌شوند.

تحقیقات تیم پروفسور وانگ هونگ در دانشگاه علم و صنعت جنوبی این راز را فاش کرده است: آنها واحدهای فراماده ای با ساختارهای متخلخل دوره ای مانند وافل و لانه زنبوری طراحی کردند و این را با نظریه دی الکتریک موثر ترکیب کردند تا یک مدل ریاضی ایجاد کنند که بتواند به طور دقیق ثابت دی الکتریک ماده را پیش بینی و کنترل کند.

این میکرو{0}}واحدها، از نظر اندازه و فاصله کمتر از طول موج امواج الکترومغناطیسی که آنها را دستکاری می‌کنند، مانند یک «سیستم ناوبری» اختصاصی برای سیگنال عمل می‌کنند و اثرات خمشی و تمرکزی را با مواد طبیعی غیرممکن می‌کنند.

قدرت این طراحی ساختاری به ویژه در پوشش باند فرکانسی مشهود است.

Cheng Zengqiang، کارآفرین پرینت سه بعدی متولد دهه 1990: رویاها فقط خالی نیستند بحث شبکه چاپ سه بعدی چین

این تیم با موفقیت کل باند X- 8-12 گیگاهرتز را با یک آنتن متامدیال ثابت دی الکتریک گرادیان که با استفاده از چاپ سه بعدی ساخته شده بود، پوشش داد و به پهنای باند 6.2 گیگاهرتز دست یافت که بسیار فراتر از حد بالای 1.7-4.2 گیگاهرتز برای دستگاه سنتی است. در میدان تراهرتز پیشرفته تر، ترکیبی از یک آرایه تشدیدگر حلقه تقسیم شده و یک ساختار باند فوتونیک می تواند تشدید در نقاط فرکانس چندگانه در محدوده 0.47-1.1 THz ایجاد کند، که معادل باز کردن همزمان چندین "کانال ارتباطی" با سرعت بالا، با پهنای باند 51H تا 45z است.

II. فناوری قابل تنظیم مجدد: ساخت آنتن ها "تغییر در صورت نیاز"

اگر طراحی ساختاری پایه و اساس آنتن‌های فراماده باشد، تغییر شکل و پیکربندی مجدد آن‌ها خیره‌کننده‌ترین پیشرفت‌های آن‌ها است. تیمی در MIT یک آنتن فراماده ای ساخته اند که عملکرد آن را می توان از طریق تغییر شکل فیزیکی تنظیم کرد و محدودیت آنتن های سنتی را به طور کامل تغییر می دهد که "یک نوع، یک طول عمر" هستند.

راز اصلی این آنتن در طراحی مبتکرانه هندسه آن نهفته است. مروا علوی، رهبر تیم توضیح می دهد: "ساختار ویژه فرامواد می تواند پیچیدگی سیستم های مکانیکی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد." از طریق عملیات ساده مانند خم شدن، کشش یا فشرده سازی، آنتن می تواند فرکانس تشدید خود را تغییر دهد و به یک دستگاه اجازه می دهد تا با چندین استاندارد ارتباطی سازگار باشد. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که تغییر فرکانس تشدید نمونه اولیه می‌تواند به 2.6 درصد برسد، برای پشتیبانی از جابجایی هدفون بین حالت‌های مختلف کافی است و پس از 10000 تغییر شکل همچنان به طور معمول کار می‌کند.

با الهام از اوریگامی، سطوح قابل تنظیم مجدد پتانسیل کنترل پویا را بیشتر نشان می دهد. با دستیابی به تبدیل ساختاری دو بعدی به سه بعدی-از طریق تغییر شکل مکانیکی، می‌تواند بین قطبش خطی و حالت‌های قطبش دایره‌ای چپ- یا راست{4} جابجا شود و فرکانس عملیاتی را در محدوده 8.95-9.8 گیگاهرتز تنظیم کند، و یک محیط پیچیده بهینه‌سازی را در یک محیط پیچیده بهینه‌سازی ارائه می‌کند.

III. از آزمایشگاه تا محصول: اجرای جامع برنامه آنتن های متامتریال دیگر فقط یک مفهوم آزمایشگاهی نیستند. آنها ارزش عملی خود را در زمینه هایی مانند ارتباطات و پزشکی نشان داده اند و حتی وارد محصولات الکترونیکی مصرفی شده اند.

[تصویر اصلی.jpg]

در زمینه زیرساخت های ارتباطی، این شرکت به یک "مشارکت نامرئی" در افزایش سرعت شبکه های 5G تبدیل شده است. آنتن متاماده ثابت دی الکتریک گرادیان که توسط تیم وانگ هونگ توسعه داده شد، به عملکرد بهره بالای 14.7 دسی بل دست یافت که نه تنها تطابق امپدانس را بهبود بخشید، بلکه راندمان تابش و پایداری فرکانس را نیز به طور قابل توجهی افزایش داد.

تصویر 1.png

مقایسه مدل ساختار فراماده و نتایج شبیه سازی و محاسبه ثابت دی الکتریک

تصویر 2.png

آماده سازی متامتریال و آزمایش ثابت دی الکتریک

تصویر 3.png

آنتن رزونانس دی الکتریک بر اساس ثابت دی الکتریک قابل طراحی

پس از اینکه نوکیا بستری با فناوری مشابه را در ایستگاه پایه 5G خود در مونیخ آلمان به کار گرفت، راندمان تابش آنتن از 55 درصد به 70 درصد افزایش یافت، شعاع پوشش سیگنال تا 2 کیلومتر افزایش یافت و سرعت شبکه اندازه‌گیری شده از 800 مگابیت بر ثانیه به 1.2 گیگابیت در ثانیه افزایش یافت.

در سمت دستگاه ترمینال، آنتن متامتریال که به طور مشترک توسط Lenovo و دانشگاه Tsinghua توسعه داده شده است، روی تبلت YOGA Pad Pro اعمال شده است که عملکرد Wi{0}}Fi 7 را در باندهای 5G و 6G تا 10٪ بهبود می بخشد و فاصله ارتباطی را 10٪ افزایش می دهد، مشکل سیگنال همه دستگاه های پوشش پشتی را کاملاً حل می کند.

استفاده از باند تراهرتز امکانات جدیدی را باز کرده است. محققان آنتن‌های فراماده‌ای را با استفاده از پارچه کاپتون و کوارتز به‌عنوان بستر و نانولوله‌های کربنی تک جداره-به عنوان مواد رسانا ایجاد کرده‌اند. این آنتن‌ها باند فرکانس 0.47-1.1 THz را پوشش می‌دهند و راه‌حل‌هایی با کارایی بالا برای تصویربرداری زیست‌پزشکی، آزمایش‌های غیرمخرب و سایر زمینه‌ها ارائه می‌کنند. تیم وانگ هونگ همچنین در مدیریت حرارتی مواد به موفقیت هایی دست یافته است. سرامیک‌های مبتنی بر نیترید بور{9}}شان، که در دمای فوق‌العاده-150 درجه پخته شده‌اند، به رسانایی حرارتی 42 W m-1 K-1 دست می‌یابند که به طور موثر گلوگاه اتلاف گرما در تجهیزات فرکانس بالا را حل می‌کند.

IV. پیشرفت در تولید: حرکت از طراحی دقیق به تولید انبوه پیشرفت در فناوری تولید یک محرک کلیدی در آوردن آنتن های فراماده از آزمایشگاه به بازار بوده است. بلوغ فناوری چاپ سه بعدی، تکثیر دقیق ریزساختارهای پیچیده را ممکن کرده است.

تیم وانگ هونگ از فناوری چاپ مستقیم{0}}نوشتن سه بعدی برای تهیه نمونه های ثابت دی الکتریک استفاده کرد و خطای بین مقادیر اندازه گیری شده و پیش بینی شده را تا 5% کنترل کرد. این ساخت{4}}با دقت بالا راه را برای تولید آنتن سفارشی هموار می کند. با این حال، تیم MIT رویکرد متفاوتی را در پیش گرفت و فرآیندی را توسعه داد که برش لیزری و اسپری رسانا را به همراه ابزارهای طراحی اختصاصی ترکیب می‌کرد. کاربران می توانند آنتن ها را بر اساس نیازهای خاص خود سفارشی کنند و مانع تولید را به میزان قابل توجهی کاهش دهند.

در کاربردهای صنعتی، این نوآوری در فرآیند تولید مزایای قابل توجه تری را به همراه داشته است. ایستگاه‌های پایه ZTE از ماژول‌های اتلاف حرارت کامپوزیت فرامواد استفاده می‌کنند و از طراحی ساختار سه لایه از فیلم PI و گرافن برای تثبیت دمای تراشه در 72 درجه استفاده می‌کنند و کاهش سرعت شبکه را از 18٪ در محلول‌های سنتی به 3٪ کاهش می‌دهند. یک مدل ایستگاه پایه هواوی، پس از استفاده از مواد کامپوزیت مبتنی بر PI، وزن خود را از 80 کیلوگرم به 56 کیلوگرم کاهش داد و هزینه های حمل و نقل را تا 25 درصد کاهش داد در حالی که مقاومت ضربه ای را تا 40 درصد افزایش داد. این پیشرفت‌ها نشان می‌دهد که کاربرد آنتن‌های فراماده در مقیاس بزرگ، پایه‌ای واقع‌بینانه دارد.

V. چشم انداز آینده: آنتن ها به عنوان "واحدهای تعاملی هوشمند"
با تکامل 5G و پیشرفت تحقیقات 6G، آنتن های فراماده از فرستنده های سیگنال غیرفعال به "دستگاه های هوشمند" تبدیل می شوند که می توانند فعالانه با محیط خود سازگار شوند. محققان در حال کار بر روی فناوری آنتن متامتریال سه بعدی برای بهبود بیشتر دوام و انعطاف‌پذیری ساختار هستند و آن را قادر می‌سازد تا با سناریوهای استفاده پیچیده‌تر سازگار شود.

پیکربندی مجدد و تنظیم پذیری به جهت های توسعه واضح تبدیل شده اند. آنتن‌های تغییر شکل‌پذیر MIT از قبل می‌توانند در موارد روزمره ادغام شوند: پرده‌های هوشمند می‌توانند نور را از طریق آنتن تنظیم کنند، هدفون‌ها می‌توانند حالت‌های لغو{1} نویز را تغییر دهند، و در آینده، حتی ممکن است ایده «خم کردن تلفن برای افزایش سیگنال» محقق شود. در سطح ایستگاه پایه، فیلم‌های PI فلوئوردار ثابت دی الکتریک مواد را به 2.8@100GHz کاهش می‌دهند و راه را برای ارتباط تراهرتز 6G هموار می‌کنند.

از مدل‌های ساختاری در آزمایشگاه تا کاربردهای عملی در لوازم الکترونیکی مصرفی، آنتن‌های فراماده، با منطق مبتکرانه «ساختار تعیین‌کننده عملکرد»، سقف عملکرد ارتباطات بی‌سیم را شکسته‌اند. وقتی طراحی دقیق با تولید پیشرفته روبرو شود، مشکلات سیگنالی که زمانی ما را آزار می‌داد به تدریج از بین می‌رود و دنیای بی‌سیم سریع‌تر و پایدارتر در افق است.

!