Η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί σύντομα να ενισχύσει τις τηλεπικοινωνίες με συμπαγείς γεννήτριες δεσμών

Ερευνητές του Πανεπιστημίου Xi’an Jiaotong στην Κίνα παρουσίασαν πρόσφατα πρωτότυπες γεννήτριες στροβιλωδών δεσμών με τροχιακή στροφορμή (OAM), κατασκευασμένες με τρισδιάστατη εκτύπωση. Οι συσκευές θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη μετάδοση δεδομένων σε ασύρματα δίκτυα 5G/6G και άλλες εφαρμογές. Ακολουθούν τα βασικά στοιχεία για αυτές τις συμπαγείς γεννήτριες και τις δυνατότητές τους στις επικοινωνίες.

Απαιτήσεις 5G/6G

Η προσπάθεια ανάπτυξης αξιόπιστων δικτύων 5G/6G συνεχίζεται παγκοσμίως. Χώρες όπως η Κίνα και οι ΗΠΑ ανταγωνίζονται στην εξέλιξη ασύρματων συστημάτων χιλιοστομετρικών κυμάτων. Ορισμένα δίκτυα 5G αξιοποιούν αυτές τις συχνότητες για υψηλότερη χωρητικότητα και χαμηλότερη καθυστέρηση. Στόχος είναι η αποδοτική επικοινωνία με περιορισμένες παρεμβολές.

Γεννήτριες στροβιλωδών δεσμών τροχιακής στροφορμής (OAM)

Για τη δημιουργία ροών δεδομένων μεγάλης χωρητικότητας, οι ερευνητές εξετάζουν διάφορες μεθόδους. Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση είναι οι γεννήτριες στροβιλωδών δεσμών OAM, οι οποίες παράγουν και ελέγχουν δέσμες με ελικοειδή κατανομή φάσης.

Η κατάλληλη μεταβολή της φάσης γύρω από τη διάταξη δημιουργεί τη χαρακτηριστική στροβιλώδη δέσμη. Όταν σχεδιάζονται και χρησιμοποιούνται σωστά, τέτοιες συσκευές μπορούν να συμβάλουν στη βελτίωση της φασματικής απόδοσης και της χωρητικότητας επικοινωνίας.

Προβλήματα των σημερινών γεννητριών OAM

Παρότι θεωρούνται πολλά υποσχόμενες για τις επικοινωνίες 5G/6G, οι γεννήτριες στροβιλωδών δεσμών πρέπει να ξεπεράσουν ορισμένους περιορισμούς πριν χρησιμοποιηθούν ευρέως. Μεταξύ αυτών είναι η χαμηλή απόδοση ορισμένων διατάξεων και οι σοβαροί περιορισμοί εύρους ζώνης.

Κόστη Κατασκευής Γεννητριών Δέσμης

Ένα άλλο μειονέκτημα είναι το υψηλό κόστος κατασκευής. Οι συσκευές απαιτούν μεγάλη ακρίβεια και ενδέχεται να έχουν περίπλοκη διαδικασία παραγωγής. Σφάλματα στην κατασκευή μπορούν να τις καταστήσουν ευάλωτες σε ανεπιθύμητες παρεμβολές.

Μελέτη Γεννητριών Δέσμης

Η πρόσφατη μελέτη¹, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Optics Express του Optica Publishing Group, παρουσιάζει μια νέα μέθοδο κατασκευής που θα μπορούσε να αυξήσει την ακρίβεια και να μειώσει το κόστος. Πρόκειται για τρισδιάστατη εκτύπωση γεννήτριας στροβιλωδών δεσμών OAM.

Η συσκευή σχεδιάστηκε ως σύστημα κεραίας για ασύρματες επικοινωνίες στη ζώνη Ka. Ενσωματώνει φίλτρο, διαιρέτη ισχύος, μετατοπιστή φάσης, γραμμή μετάδοσης και στοιχεία ακτινοβολίας σε μία ενιαία εκτυπωμένη μονάδα.

Τρισδιάστατα εκτυπωμένες γεννήτριες δεσμών OAM

Η γεννήτρια κατασκευάστηκε ως μονολιθική διάταξη με επιλεκτική τήξη λέιζερ (SLM). Χρησιμοποιήθηκε μεταλλικό κράμα και διάκενα γεμάτα αέρα, ώστε να περιοριστούν οι διηλεκτρικές απώλειες.

Προηγούμενες προσεγγίσεις συνδύαζαν πολλά εξαρτήματα ισχύος και μετατοπιστές φάσης, αυξάνοντας τις παρεμβολές και τις απώλειες. Η ενιαία, εξ ολοκλήρου μεταλλική κατασκευή επιλέχθηκε για να αντιμετωπίσει αυτά τα προβλήματα.

Διαιρέτης ισχύος

Ο νέος σχεδιασμός ενσωματώνει φιλτράρισμα του κέρδους για καλύτερο έλεγχο της απόκρισης. Η ομάδα δημιούργησε ειδικό διαιρέτη ισχύος 1 προς 8, συνδυάζοντας οκτώ γραμμές καθυστέρησης φάσης με στρεφόμενους κυματοδηγούς. Έτσι, τα σήματα κατευθύνονται σε προκαθορισμένες διαδρομές που περιορίζουν τις παρεμβολές.

Ενσωματωμένο φιλτράρισμα κέρδους

Ο περιορισμός των παρεμβολών βοηθά στην αποτελεσματικότερη αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Επιτρέπει επίσης την επιλογή των επιθυμητών σημάτων και την καταστολή των ανεπιθύμητων. Τα σήματα οδηγούνται στη συνέχεια σε κυκλική συστοιχία κεραιών για τη διαμόρφωση της δέσμης.

Προσομοιώσεις της γεννήτριας στον υπολογιστή

Η ομάδα χρησιμοποίησε προηγμένες προσομοιώσεις για να βελτιώσει περαιτέρω τη γεννήτρια. Οι πολλές δοκιμές βοήθησαν στον εντοπισμό της κατάλληλης γεωμετρίας για ισχυρή μετάδοση εντός ζώνης και αποτελεσματική καταστολή εκτός ζώνης.

Αποτελέσματα Μελέτης Γεννητριών Δέσμης

Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά. Η διάταξη περιόρισε τις παρεμβολές, ενίσχυσε το κύριο σήμα και παρήγαγε δέσμες OAM με δείκτη τρόπου l = +1. Θα μπορούσε να συμβάλει στην αντιμετώπιση της συμφόρησης σε μελλοντικά ασύρματα συστήματα.

Τέτοιες μικρές συσκευές θα μπορούσαν να εγκαθίστανται μόνιμα ή προσωρινά σε υποδομές επικοινωνίας, για παράδειγμα σε εκδηλώσεις με μεγάλο πλήθος. Η πρόσθετη χωρητικότητα θα μπορούσε να περιορίζει τις διακοπές κλήσεων και τις αργές συνδέσεις.

Η μεταλλική κατασκευή παρουσίασε υψηλή απόδοση ακτινοβολίας και μεγαλύτερη ικανότητα διαχείρισης ισχύος σε σχέση με τις προσεγγίσεις σύγκρισης. Η καθαρότητα του σήματος έφτασε το 80%, ενώ η καταστολή εκτός ζώνης ξεπέρασε τα 30 dB στις κύριες διευθύνσεις.

Πιθανές Εφαρμογές για Συμπαγείς Γεννήτριες Δέσμης

Μια βασική εφαρμογή είναι οι υποδομές ασύρματων επικοινωνιών 5G/6G. Τα συστήματα χιλιοστομετρικών κυμάτων χρειάζονται αποτελεσματικό περιορισμό των παρεμβολών για να αξιοποιούν τη χωρητικότητα μετάδοσης δεδομένων.

Τηλεπισκόπηση και απεικόνιση

Η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να βελτιώσει συστήματα τηλεπισκόπησης και απεικόνισης, παρέχοντας περισσότερες λεπτομέρειες. Το άρθρο προτείνει εφαρμογές σε περιοχές με πυκνή βλάστηση, κάτω από το νερό ή θαμμένες στην άμμο· όμως η δυνατότητα διείσδυσης εξαρτάται από τη συχνότητα και το υλικό και δεν τεκμηριώνεται από αυτό το πρωτότυπο.

Στρατιωτική Χρήση

Τα συστήματα ραντάρ μικροκυμάτων θα μπορούσαν να ωφεληθούν στην ταυτόχρονη παρακολούθηση πολλών στόχων. Τα μικρά μη επανδρωμένα συστήματα είναι πλέον σημαντικά στις στρατιωτικές επιχειρήσεις και η ανίχνευσή τους αποτελεί πρόκληση. Οι γεννήτριες δεσμών OAM ενδέχεται να βελτιώσουν αυτή την ικανότητα.

Οφέλη που Οι Συμπαγείς Γεννήτριες Δέσμης Φέρνουν στην Αγορά

Η έρευνα προσφέρει αρκετά πιθανά οφέλη. Η ενιαία κατασκευή μπορεί να είναι φθηνότερη από την παραγωγή πολλών εξαρτημάτων σε διαφορετικές εγκαταστάσεις και τη μεταφορά τους για συναρμολόγηση. Η τρισδιάστατη εκτύπωση περιορίζει αυτά τα πρόσθετα στάδια.

Ενσωματωμένο φιλτράρισμα κέρδους

Ένα από τα κύρια οφέλη είναι το ενσωματωμένο φιλτράρισμα κέρδους. Οι προσομοιώσεις βοήθησαν στη διαμόρφωση της συσκευής ώστε να ενισχύει τα επιθυμητά σήματα και να μειώνει τις παρεμβολές. Η λειτουργία αυτή ενσωματώνεται σε μία μονάδα χωρίς κινούμενα μέρη.

Χαμηλό Κόστος

Η εκτύπωση μίας ενιαίας μονάδας μπορεί να κοστίζει λιγότερο από την προμήθεια και συναρμολόγηση πολλών εξαρτημάτων. Η μονολιθική κατασκευή μειώνει το κόστος συναρμολόγησης και επιτρέπει παραγωγή κοντά στο σημείο χρήσης, όπου υπάρχουν κατάλληλες εγκαταστάσεις τρισδιάστατης εκτύπωσης.

Ακρίβεια

Ο σχεδιασμός εξασφαλίζει ακριβή ευθυγράμμιση των επιμέρους στοιχείων. Η επίτευξη της ίδιας ακρίβειας με πολλά συναρμολογούμενα εξαρτήματα θα ήταν δυσκολότερη και χρονοβόρα. Η προσθετική κατασκευή από κράμα επέτρεψε σύνθετες γεωμετρίες που βελτιώνουν τη μετάδοση χωρίς κινούμενα μέρη.

Ερευνητές Γεννητριών Δέσμης

Στους βασικούς ερευνητές περιλαμβάνονται οι Jianxing Li και Yuanxi Cao του Πανεπιστημίου Xi’an Jiaotong. Η ομάδα επιδιώκει να διευρύνει τις δοκιμές σε διαφορετικές συχνότητες και σήματα, συνδυάζοντας τις επιδόσεις μετάδοσης με την τήρηση των κανονιστικών προτύπων.

Εταιρείες που Μπορούν να Επωφεληθούν από τη Μελέτη 3D Τυπωμένων Γεννητριών Δέσμης

Εταιρείες τηλεπικοινωνιών και τρισδιάστατης εκτύπωσης, καθώς και αμυντικοί οργανισμοί, θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν αυτή την τεχνολογία. Ακολουθούν δύο εταιρείες με δραστηριότητες σε συναφείς τομείς.

1. Materialise NV

Η βελγική Materialise NV (MTLS ) ιδρύθηκε το 1990. Οι Wilfried Vancraen και Hilde Ingelaere ήθελαν να προσφέρουν ολοκληρωμένες λύσεις λογισμικού προσθετικής κατασκευής και τρισδιάστατης εκτύπωσης. Σήμερα η εταιρεία παρέχει υπηρεσίες και τεχνολογίες σε αυτούς τους τομείς.

Η Materialise έχει επεκταθεί σε πολλούς κλάδους προσθετικής κατασκευής. Προσφέρει τρισδιάστατα εκτυπωμένους χειρουργικούς οδηγούς και εμφυτεύματα, καθώς και ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων. Το άρθρο αναφέρει επίσης πλατφόρμα υπηρεσιών εκτύπωσης για καταναλωτές ως πρόσθετη πηγή εσόδων.

Το άρθρο περιγράφει πτωτική πορεία της μετοχής της Materialise κατά την προηγούμενη πενταετία. Παραθέτει επίσης πρόβλεψη αναλυτών για πιθανή άνοδο 60,67% σε τρεις μήνες, με αναφερόμενη πιθανότητα 90%. Πρόκειται για πρόβλεψη της εποχής και όχι για εγγυημένη απόδοση.

2. Frontier Communications Parent Inc

Η Frontier Communications Parent Inc έχει ιστορικές ρίζες στο 1935. Ο πάροχος τηλεπικοινωνιών με έδρα το Τέξας ανέπτυξε υπηρεσίες δεδομένων, διαδικτύου, βίντεο, φωνής, εξοπλισμού και δικτυακών λύσεων.

Κατά τη συγγραφή του άρθρου, η κεφαλαιοποίηση αναφερόταν στα 8,66 δισ. δολάρια. Το άρθρο σημειώνει ότι η μετοχή FYBR περιλαμβανόταν σε επενδυτικές προτάσεις λόγω των εκτιμώμενων προοπτικών της εταιρείας.

Συμπαγείς Γεννήτριες Δέσμης – Το Μέλλον των Τηλεπικοινωνιών

Απαιτούνται ακόμη πολλές δοκιμές πριν οι συμπαγείς γεννήτριες δεσμών που κατασκευάζονται με τρισδιάστατη εκτύπωση χρησιμοποιηθούν ευρέως. Ωστόσο, το πρωτότυπο δείχνει δυνατότητες βελτίωσης των ασύρματων συστημάτων. Η προσέγγιση των ερευνητών προσφέρει έναν νέο τρόπο αντιμετώπισης περιορισμών στις επιδόσεις και την κατασκευή τους.

Μάθετε για άλλες εξελίξεις στην προσθετική κατασκευή τώρα.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Li, J., Wu, S., Li, Z., Cao, Y., & Xu, K.-D. (2024). 3D-printed OAM beam generator with an enhanced out-of-band gain filtering characteristic. Optics Express, 32(26), 47285–47295. https://doi.org/10.1364/OE.542046}