Беспроводные технологии связи - это потребность современного мира. Но, по мере того, как растет наш спрос на более быстрые и надежные соединения, растет и потребность в инновационных конструкциях антенн. Исследователи из Университета Дрексела и Университета Британской Колумбии нашли новый подход к созданию универсальных и адаптируемых антенн.
Вдохновленная древним японским искусством киригами, команда ученых разработала метод преобразования простого листа материала в сложную 3D-антенну.
Считается, что этот метод является быстрым и экономичным способом изготовления перестраиваемых радиоантенн. “Чтобы беспроводные технологии могли поддерживать достижения в таких областях, как мягкая робототехника и аэрокосмическая промышленность, антенны должны быть рассчитаны на настраиваемую производительность и простоту изготовления”, - сказал Юрий Гогоци, соавтор исследования и профессор в инженерном Дрексельском университете — частном некоммерческое высшем учебном заведении в городе Филадельфия, Пенсильвания, США. “Киригами - это естественная модель для производственного процесса благодаря простоте, с которой сложные 3D-формы могут быть созданы из одного 2D-куска материала”, - добавил Гогоци.
Киригами, японский вид искусства, относящийся к IV и V векам нашей эры, включает в себя вырезание и складывание бумаги для создания сложных трехмерных структур. Исследователи решили использовать эту модель для создания антенны. Они начали с нанесения токопроводящих чернил из карбида титана MXene на один лист ацетата.
Как указывают исследователи, MXene - это тип двумерных наноматериалов. Высокая адгезия чернил MXene и регулируемые свойства пропускания делают их подходящими для применения в антеннах.
Исследователи использовали технологию киригами для создания параллельных разрезов на поверхности, покрытой MXene. “Натяжение за края листа привело к тому, что массив резонаторных антенн квадратной формы оторвался от его двумерной поверхности. Изменение натяжения привело к смещению угла наклона массива — возможность, которая может быть использована для быстрой настройки конфигурации связи антенн”, - поясняется в пресс-релизе Дрексельского университета.
Исследователями была продемонстрирована возможность регулировки характеристик ВЧ/СВЧ на основе деформации антенны путем нанесения частотно-селективных структур проводящих покрытий из титана Ti3C2Tx на недорогие ацетатные подложки. Специально подобранные характеристики были достигнуты за счет нанесения частотно-селективных узоров из тонких полимерных покрытий Ti3C2Tx с высокой электропроводностью в качестве замены металла на недорогие гибкие ацетатные подложки. При квазиосевом напряжении конструкция киригами позволяет перемещать отдельные резонансные ячейки, изменяя общие электромагнитные характеристики поверхности (т.е. матрицы) в моделируемом беспроводном канале.
Таким образом из листа была изготовлена гибкая трехмерная микроволновая антенна, которую можно было настраивать, физически изменяя ее форму. Такие антенны-прототипы успешно передавали сигналы в трех распространенных диапазонах микроволновых частот: 2-4 ГГц, 4-8 ГГц и 8-12 ГГц. Более того, команда исследователей обнаружила, что изменение формы и ориентации подложки может изменить направление волн, излучаемых каждым резонатором. Это означает, что антенны могут быть настроены для передачи сигналов в разных направлениях, что может быть полезно для различных применений, таких как беспроводная связь и дистанционное зондирование.
Как подчеркивают исследователи, эти результаты закладывают основу для внедрения таких компонентов в беспроводные устройства. Исследовательская группа планирует повысить производительность этих недавно разработанных антенн, изучив различные формы, материалы и возможности изменения конфигурации антенны.
“Нашей целью было одновременно улучшить возможности настройки характеристик антенны и упростить процесс производства новых микроволновых компонентов, используя универсальный наноматериал MXene с дизайном, вдохновленным киригами”, - сказал Омид Никсан из Университета Британской Колумбии. “На следующем этапе этого исследования будут изучены новые материалы и геометрия антенн”, - добавил Никсан в пресс-релизе Дрексельского университета. По их убеждению, эти гибкие, легкие и долговечные антенны могут найти применение в таких областях, как робототехника или аэрокосмическая промышленность.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.