02.12.2024

Инженеры связали «одеяло», работающее как радиоантенна

Исследователи Колумбийского университета впервые применили традиционную технику плоского вязания для изготовления гибких, легких метаповерхностей — антенн с большой апертурой, которые можно легко сложить в сумку и развернуть для дальней связи.

Представьте, что вместо антенн-тарелок, которые вы видите на крышах домов, можно использовать предмет одежды, например, свитер или одеяло, сверхлегкое, портативное, которое можно сложить и убрать в сумку. Отсутствие необходимости использовать тяжелые и громоздкие спутниковые антенны значительно упростит связь для тех, кто живет или путешествует в отдаленных местах.

Команда инженеров из Колумбийского университета использовала свой опыт в создании метаповерхностей — ультратонких оптических компонентов, которые могут управлять распространением света — и недорогую, хорошо масштабируемую платформу плоского вязания для создания радиочастотных (RF) коммуникационных антенн, которые легко переносить и развертывать.

Исследование, проведенное под руководством Нанфанга Ю опубликовано в журнале Advanced Materials.

Большинство радиочастотных антенн, особенно антенны с высокой направленностью, такие как рефлекторные решетки, представляют собой плоские жесткие устройства. Хотя эти устройства, вероятно, всегда будут оставаться самыми современными с точки зрения чисто технических характеристик, они часто бывают большими, тяжелыми и громоздкими, а их производство может быть дорогостоящим.

Исследователи изучают способы производства более компактных и гибких антенн, включая струйную печать или трафаретную печать непосредственно на текстиле, и даже вышивку. Но при использовании этих методов проводящий материал добавляется к существующему текстилю, а не интегрируется в него в процессе изготовления самой ткани. Это создает такие проблемы, как расслаивание или растрескивание металлической области.

Группа Ю поняла, что им необходимо создать высокопроизводительную и недорогую технологию, позволяющую непосредственно интегрировать плоские антенные решетки в текстиль. Поэтому они решили изучить вязание и плетение, которые, хотя и являются наиболее распространенными методами изготовления текстиля с узором, не были изучены как способ производства сложных антенных решеток со специальным электромагнитным откликом.

Исследователи применили новый подход к изготовлению гибких и легких метаповерхностей с сантиметровой длиной волны. Они использовали старинную технику вязания в стиле флоат-жаккард и применили имеющиеся в продаже металлические и диэлектрические нити и вязальное оборудование для изготовления двух прототипов отражающих устройств — метаповерхностной линзы (metalens) и устройства, генерирующего вихревые лучи. В технике вязания флоат-жаккард для создания узора используются два или более типов пряжи: пряжа свободно уходит под ткань и выходит обратно на лицевую сторону по мере создания нужного узора.

Объединив производство текстиля и нанесение «антенного» рисунка в единый процесс, команда упростила процесс производства и устранила распространенные дефекты антенн на основе ткани.

«Техника вязания флоат-жаккард, использованная для изготовления наших текстильных метаповерхностей, в точности повторяет технику, с помощью которой моя мама вязала для меня свитера. Я до сих пор помню фиолетовый свитер, который я носил в детстве, с белыми кошечками на груди; я помню, что когда я осмотрел внутреннюю сторону свитера, я увидел белые параллельные нити — поплавки», — сказал Ю.

Он отметил, что эти сложные радиочастотные антенны могут быть легко изготовлены с помощью существующих инструментов: «Мы можем использовать очень старую и очень хорошо налаженную трикотажную промышленность для удовлетворения некоторых потребностей современных телекоммуникаций».

Исследователи экспериментально показали, что, когда металлический элемент вязаного одеяла работает как приемная антенна, он фокусирует падающую сантиметровую волну в узкое (дифракционно ограниченное) фокусное пятно, а когда он работает как передающая антенна, он преобразует расходящееся излучение от рупорной антенны (обычного источника радиочастот) в волну с плоским волновым фронтом — направленный луч.

Ученые продемонстрировали возможность решения более сложных задач по формированию волнового фронта: метаповерхность, генерирующая вихревой пучок, создает вихревой пучок — пучок с волновым фронтом в форме штопора. Из-за особенностей волнового фронта вихревой луч может нести независимый канал информации, поэтому вихревой луч и луч с плоским волновым фронтом, используемые вместе, могут сделать канал связи вдвое эффективнее.

Исследователи собираются использовать «вязаные» антенны с высоким коэффициентом усиления и апертурой диаметром в несколько метров, но при этом легкие и удобные для спутников связи.

«Важно подчеркнуть, что эти устройства были изготовлены с использованием коммерчески доступных готовых нитей и с применением известных технологий изготовления», — сказал Ю. — «Я уверен, что мастера вязания придумают гениальные способы интеграции эстетики и функциональности, например, фиолетовый свитер не только с кошечками, но и усилителем сигнала WiFi».

Автор: Advanced Materials.