Rekonfigurierbare Antennen – solche, die Eigenschaften wie Frequenz oder Strahlungskeulen in Echtzeit aus der Ferne einstellen können – sind ein wesentlicher Bestandteil zukünftiger Kommunikationsnetzwerksysteme wie 6G. Viele aktuelle rekonfigurierbare Antennendesigns können jedoch zu kurz kommen: Sie funktionieren bei hohen oder niedrigen Temperaturen nicht, haben Leistungsbeschränkungen oder erfordern regelmäßige Wartung.
Um diese Einschränkungen zu beheben, kombinierten Elektroingenieure des Penn State College of Engineering Elektromagnete mit einem nachgiebigen Mechanismus, der das gleiche mechanische Konstruktionskonzept hinter Bindeklammern oder Pfeil und Bogen ist. Sie veröffentlichten heute (13. Februar) in Naturkommunikation.
„Nachgiebige Mechanismen sind technische Konstruktionen, die Elemente der Materialien selbst integrieren, um bei Krafteinwirkung Bewegung zu erzeugen, anstatt herkömmliche Starrkörpermechanismen, die Scharniere für die Bewegung benötigen“, sagte der korrespondierende Autor Galestan Mackertich-Sengerdy, der sowohl Doktorand als auch a Vollzeit-Forscher an der School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) des Colleges. „Objekte mit konformen Mechanismen sind so konstruiert, dass sie sich wiederholt in eine bestimmte Richtung biegen und rauen Umgebungen standhalten.“
Wenn sie auf eine rekonfigurierbare Antenne angewendet werden, biegen sich ihre durch den Beschwerdemechanismus aktivierten Arme auf vorhersehbare Weise, was wiederum ihre Betriebsfrequenzen ändert – ohne die Verwendung von Scharnieren oder Lagern.
„So wie ein Chamäleon die winzigen Erhebungen auf seiner Haut dazu bringt, sich zu bewegen, was seine Farbe ändert, kann eine rekonfigurierbare Antenne ihre Frequenz von niedrig zu hoch und zurück ändern, indem sie einfach ihre mechanischen Eigenschaften konfiguriert, die durch den nachgiebigen Mechanismus ermöglicht werden“, sagte co -Autor Sawyer Campbell, Associate Research Professor in EECS.
Die nachgiebigen, mechanismusfähigen Designs ersetzen bestehende Origami-Designtechnologien, die nach der japanischen Kunst des Papierfaltens benannt sind und rekonfigurierbar sind, aber nicht die gleichen Vorteile in Bezug auf Robustheit, langfristige Zuverlässigkeit und hohe Belastbarkeit aufweisen.
„Origami-Antennendesigns sind bekannt für ihre kompakten Falt- und Aufbewahrungsmöglichkeiten, die später in der Anwendung eingesetzt werden können“, sagte Mackertich-Sengerdy. „Aber sobald diese gefalteten Origami-Strukturen eingesetzt sind, benötigen sie normalerweise eine komplexe Versteifungsstruktur, damit sie sich nicht verziehen oder verbiegen. Wenn diese Art von Geräten nicht sorgfältig entworfen wird, würden diese Arten von Geräten im Feld Umwelt- und Betriebslebensdauerbeschränkungen erleiden.“
Das Team illustrierte und entwarf einen kreisförmigen, irisförmigen Patch-Antennen-Prototyp unter Verwendung kommerzieller elektromagnetischer Simulationssoftware. Anschließend druckten sie es in 3D und testeten es auf Ermüdungsfehler sowie Frequenz- und Strahlungsmustertreue in der schalltoten Kammer von Penn State, einem Raum, der mit elektromagnetische Wellen absorbierendem Material isoliert ist, das verhindert, dass Signale Antennentests stören.
Obwohl der Prototyp – der zur Demonstration auf eine bestimmte Frequenz ausgelegt ist – nur geringfügig größer als eine menschliche Handfläche ist, kann die Technologie laut Forschern für höhere Frequenzen auf die Ebene integrierter Schaltkreise skaliert oder für Anwendungen mit niedrigeren Frequenzen vergrößert werden.
Die Forschung nach konformen Mechanismen hat laut den Forschern aufgrund des Aufkommens des 3D-Drucks an Popularität gewonnen, der endlose Designvariationen ermöglicht. Es war Mackertich-Sengerdys Hintergrund im Maschinenbau, der ihn auf die Idee brachte, diese spezifische Klasse von nachgiebigen Mechanismen auf die Elektromagnetik anzuwenden.
„Das Papier führt nachgiebige Mechanismen als neues Designparadigma für die gesamte Elektromagnetik-Community ein, und wir gehen davon aus, dass es weiter wachsen wird“, sagten Co-Autor Douglas Werner, John L. und Genevieve H. McCain, Lehrstuhlprofessorin der EECS. „Es könnte der Abzweigungspunkt für ein völlig neues Designfeld mit spannenden Anwendungen sein, von denen wir noch nicht geträumt haben.“