3D-print kan snart give telekommunikation et løft med kompakte strålegeneratorer

Et forskerteam fra Xi’an Jiaotong University i Kina har for nylig præsenteret prototyper af 3D‑printede orbital angular momentum (OAM) Vortex Beam‑generatorer. Disse enheder kan forbedre datatransmissioner for 5G/6G trådløse netværk, billedscanning og meget mere. Her er, hvad du behøver at vide om kompakte strålegeneratorer, og hvordan de har potentiale til at forbedre kommunikation.

5G/6G‑krav

Kapløbet om at opnå pålidelige 5G/6G‑netværk pågår over hele verden. Lande som Kina og USA fortsætter med at konkurrere om at forbedre disse millimeterbølge (mm‑Wave) trådløse systemer, da begge stræber efter at blive den primære netværksudbyder i fremtiden. Bemærkelsesværdigt bruger 5G‑netværk millimeterbølger til at forbedre gennemstrømning, ydeevne og reducere latenstid. I dag leverer disse netværk klar, effektiv og interferensresistent kommunikation, uanset hvor de anvendes.

Orbital Angular Momentum (OAM) Vortex Beam‑generatorer

For at generere højkapacitets datastrømme har forskere undersøgt en række metoder. En særlig interessant metode, der fortsat viser potentiale, er Orbital Angular Momentum (OAM) Vortex Beam‑generatorer. Disse enheder genererer og manipulerer optiske vortex‑stråler, der har en spiralfase.

For at skabe snoede lysstråler inkorporerer disse enheder lineært varierende optiske baner, der løber rundt om omkredsen af en optisk enhed. Hvis de konstrueres og anvendes korrekt, øger de den spektrale effektivitet og kommunikationskapacitet betydeligt.

Problemer med nuværende metoder til fremstilling af OAM Vortex Beam‑generatorer

Selvom vortex‑strålegeneratorer af mange betragtes som fremtiden for 5G/6G‑kommunikation, er der flere problemer med de nuværende enheder, som skal løses for at gøre teknologien egnet til daglig integration. For det første har de nuværende strålegeneratorer lav effektivitet. Nutidens enheder leverer ikke maksimal strålegenerering og har begrænsninger i serverbåndbredde.

Fremstillingsomkostninger for strålegeneratorer

En anden stor ulempe ved nutidens strålegeneratorer er de høje fremstillingsomkostninger. Disse enheder kræver ekstrem præcision. Som følge heraf kan de have en kompleks fremstillingsproces, som ved fejl kan gøre enheden sårbar over for uønsket interferens.

Studie af strålegeneratorer

Den seneste undersøgelse¹ offentliggjort i Optica Publishing Group‑tidsskriftet Optics Express introducerer en ny fremstillingsmetode for disse enheder, som kan hjælpe med at forbedre præcision og sænke omkostningerne. Undersøgelsen præsenterer en ny metode til 3D‑print af en OAM‑strålegenerator, der er i stand til at producere højkapacitets vortex‑stråler.

Forskerne designede specifikt enheden til at fungere som et antennesystem for et Ka‑bånd trådløst kommunikationssystem. Enheden integrerer forskellige funktioner, herunder et interferensfilter, en effektfordeler, en fase‑skifter, en transmissionslinje og radiatorer, i en enkelt printet enhed.

3D‑printede OAM‑strålegeneratorer

OAM‑strålegeneratoren blev printet ved hjælp af et monolitisk design og selektiv lasersmeltning (SLM) 3D‑printteknologi. Forskerne konstruerede enheden ved hjælp af legering og luftfyldte huller. Dette design sikrede, at enheden havde minimale dielektriske tab under brug.

Tidligere forsøg på at skabe mere effektive strålegeneratorer har integreret flere effekt‑enheder og fase‑skiftere. Disse forsøg viste, at strukturen øgede interferens og dielektriske tab. Derfor blev den fuldt metal‑enhed i ét stykke anset som det bedste design til opgaven.

Effektfordeler

Det nye design indeholder gain‑filtreringsegenskaber, der er designet til at forbedre nøjagtighed og følsomhed. Teamet skabte en specialbygget 1‑til‑8 effektfilter‑fordeler, der kombinerede otte faseforsinkelseslinjer med snoede bølgeleder for at adskille signaler og sende dem gennem udvalgte ruter, der er designet til at fjerne interferens.

Integreret gain‑filtrering

Eliminering af interferens tjener flere formål. For det første giver det mere båndbredde, som så kan bruges til at overføre mere data fra ekstra signalstyrke. Derudover gør det forskerne i stand til at finjustere de signaler, de ønsker at modtage, og fjerne uønskede signaler ved kilden. Herefter sendes signalerne til en cirkulær antennearray for at færdiggøre deres justering.

Computersimuleringer af strålegeneratorer

Teamet integrerede derefter avancerede computersimuleringer for at finjustere deres strålegenerator yderligere. Simuleringerne gjorde det muligt for teamet at køre tusindvis af tests for at finde det præcise design, der forbedrer on‑band signaltransmission og effektiv ud‑af‑bånd undertrykkelse.

Resultater af studiet af strålegeneratorer

Resultaterne af studiet viser lovende tegn. For det første kan den nye enhed hjælpe med at løse overbelastningsproblemer for fremtidige trådløse kommunikationssystemer. Teamet fandt, at enheden reducerede interferens, forstærkede hovedsignalet og var i stand til at opnå OAM‑stråler med modelnummer l =+1.

Disse enheder kan hjælpe med at løse overbelastningsproblemer, når de integreres i master. De er små og kan installeres på en midlertidig eller permanent måde under store menneskemængder for at hjælpe med at afhjælpe og forhindre dataoverbelastning på netværkene. Denne tilgang vil reducere tabte opkald og langsomme netværksforbindelser.

Teamet opdagede også, at den fuldt metal‑struktur var gavnlig for enhedens funktion. Specifikt viste den højere strålingseffektivitet og større effekt‑håndteringskapacitet end traditionelle metoder. Enheden producerede 80 % signalrenhed, hvilket er en stor forbedring i forhold til tidligere metoder. Derudover oversteg ud‑af‑bånd undertrykkelsen 30 dB i hovedretningerne.

Potentielle anvendelser for kompakte strålegeneratorer

Der er flere anvendelser for denne teknologi, herunder infrastrukturen for 5G/6G trådløse kommunikationssystemer. Disse millimeterbølge‑trådløse systemer skal filtrere interferens for at sikre maksimal dataoverførsel.

Fjernmåling og billeddannelse

En anden vigtig anvendelse af denne enhed er at forbedre fjernmåling og billeddannelsessystemer. Disse enheder kan give mere detaljeret information sammenlignet med de nuværende muligheder, så forskere kan udføre mere grundige scanninger af områder, der er dækket af tæt jungle, under vand eller begravet i ørkener.

Militær anvendelse

Brugen af mikrobølgesradarsystemer vil hjælpe med at forbedre multi‑target sporing. Nutidens krigsførelse fortsætter med at stole på små ubemandede systemer, der er billige, lette at producere og kan tilpasses til en række opgaver. Sporing af disse enheder er blevet en afgørende del af militære operationer. Brug af OEM‑strålegeneratorer kan hjælpe med at forbedre denne opgave og potentielt redde liv.

Fordele som kompakte strålegeneratorer bringer til markedet

Denne forskning bringer flere fordele med sig. For det første er fremstillingsprocessen billigere end traditionelle metoder, som kræver flere komponenter, der skal fremstilles på forskellige steder og derefter sendes til en samlebane. 3D‑printmetoden kræver ingen ekstra trin.

Integreret gain‑filtrering

En af de største fordele er den integrerede gain‑filtrering. Forskerne var i stand til at simulere den præcise form af deres enhed for at forstærke ønskede signaler, mens interferens i kanalen reduceres. Da der ikke er bevægelige dele, og hele enheden er en enkelt enhed, er denne evne et stort løft.

Lav pris

Det er meget billigere at printe en enkelt enhed end at indsamle og samle ekstra eksterne komponenter. Brug af en monolitisk struktur reducerer samlingsomkostningerne. Det betyder også, at disse enheder kan fremstilles på stedet i 3D‑printfaciliteter, hvor de er nødvendige.

Præcision

Den største fordel ved strålegeneratorens design er, at den hver gang giver præcis justering af komponenterne. Det ville være meget svært og tidskrævende at opnå dette niveau af justering ved brug af flere dele, der skulle samles. 3D‑print legerings‑additiv fremstilling gjorde det muligt for teamet at skabe komplekse designs, der forbedrer signaltransmission uden nogen bevægelige dele.

Forskerne bag strålegeneratorerne

De primære forskere på projektet var Jianxing Li og Yuanxi Cao fra Xi’an Jiaotong University i Kina. Nu søger teamet at udvide deres test for at se opfindelsens kapaciteter på tværs af forskellige frekvenser og signaler. Deres mål er at finde en direkte balance mellem signaltransmission og regulatoriske standarder.

Virksomheder der kan drage fordel af 3D‑printet strålegenerator‑studie

Flere virksomheder kan opleve store fordele ved at integrere teknologien fra dette studie. Disse virksomheder spænder fra telekommunikationssektoren til 3D‑print‑firmaer og militære organisationer. Her er to virksomheder, der er klar til at udnytte disse fremskridt i de kommende måneder.

1. Materialise NV

Den belgiske Materialise NV (MTLS ) kom ind på markedet i 1990. Dens grundlæggere, Wilfried Vancraen og Hilde Ingelaere, ønskede at skabe en one‑stop‑shop for virksomheder, der søger additiv fremstillingssoftware og 3D‑print‑løsninger. I dag fungerer den som en hurtigt voksende, bæredygtig 3D‑print‑produktionsleverandør.

Siden lanceringen har Materialise udvidet sig til flere additiv fremstillingssektorer. Virksomheden tilbyder 3D‑printede kirurgiske guider og implantater samt hurtig prototyping. Firmaet har for nylig også tilføjet en forbruger‑orienteret platform for 3D‑print‑tjenester, hvilket åbner døren for yderligere indtægter.

Materialise NV‑aktiens kurs har været i en stabil nedadgående tendens de sidste 5 år, mens virksomheden har arbejdet på sine produkter og prototyper. Denne nedadgående trend forventes dog at vende, da flere analytikere har fremlagt en spændende 3‑måneders prisprognose, der viser en potentiel stigning på 60,67 % med 90 % sandsynlighed. Derfor fortsætter Materialise med at tiltrække nye investorer.

2. Frontier Communications Parent Inc

Frontier Communications Parent Inc kom ind på markedet i 1935. Denne Texas‑baserede telekommunikationsudbyder udvidede hurtigt sine aktiviteter til at omfatte en række data‑overførselsmuligheder, herunder data, internet, video, tale, hardware og netværksløsninger.

Virksomheden har en nuværende markedsværdi på 8,66 mia. $ og viser fortsat stærke tegn på opadgående momentum. I øjeblikket er FYBR‑aktien opført på flere anbefalingslister på grund af dens opside‑potentiale og virksomhedens stærke positionering.

Kompakte strålegeneratorer – Fremtiden for telekommunikation

Selvom der stadig skal udføres mange tests, før du ser 3D‑printede kompakte strålegeneratorer i dit nabolag, er teknologien bevist holdbar. Derfor vil det ikke tage lang tid, før disse enheder hjælper med at finjustere dine trådløse systemer, forbedre deres rækkevidde og kapaciteter. Indtil da fortjener disse forskere anerkendelse for deres unikke tilgang til et langvarigt problem inden for trådløse systemers marked.

Lær om andre seje fremskridt inden for additiv fremstilling nu.

Studiehenvisning:

^{1. Li, J., Wu, S., Li, Z., Cao, Y., & Xu, K.-D. (2024). 3D‑printet OAM‑beamgenerator med en forbedret ud‑af‑bånd gain‑filtrering karakteristik. Optics Express, 32(26), 47285–47295. https://doi.org/10.1364/OE.542046}