La stampa 3D potrebbe presto dare una spinta alle telecomunicazioni con i generatori di fasci compatti

Un team di ricercatori dell’Università Xi’an Jiaotong in Cina ha recentemente presentato prototipi di generatori di fasci vortice a momento angolare orbitale (OAM) stampati in 3D. Questi dispositivi potrebbero migliorare le trasmissioni dati per le reti wireless 5G/6G, la scansione di immagini e molto altro. Ecco cosa c’è da sapere sui generatori di fasci compatti e come hanno il potenziale per potenziare le comunicazioni.

Esigenze 5G/6G

La corsa per ottenere reti 5G/6G affidabili è in corso in tutto il mondo. Paesi come la Cina e gli Stati Uniti continuano a competere per migliorare questi sistemi wireless a onde millimetriche (mm-Wave), poiché entrambi cercano di diventare i principali fornitori di rete in futuro. In particolare, le reti 5G utilizzano onde millimetriche per migliorare la capacità di trasmissione, le prestazioni e ridurre la latenza. Oggi, queste reti offrono comunicazioni chiare, efficienti e resistenti alle interferenze ovunque vengano utilizzate.

Generatori di fasci vortice a Momento Angolare Orbitale (OAM)

Per generare flussi di dati ad alta capacità, i ricercatori hanno esplorato una varietà di metodi. Un metodo particolarmente interessante che continua a dimostrare potenziale è quello dei generatori di fasci vortice a Momento Angolare Orbitale (OAM). Questi dispositivi generano e manipolano fasci vortice ottici che possiedono una fase a spirale.
Per generare fasci di luce torcenti, questi dispositivi incorporano percorsi ottici che variano linearmente e si allungano lungo la circonferenza di un dispositivo ottico. Se costruiti e utilizzati correttamente, questi dispositivi migliorano significativamente l’efficienza spettrale e la capacità di comunicazione.

Problemi con i Metodi Attuali di Produzione dei Generatori di Fasci Vortice OAM

Mentre i generatori di fasci vortice sono considerati da molti il futuro delle comunicazioni 5G/6G, esistono diversi problemi con i dispositivi attuali che devono essere superati per rendere la tecnologia adatta a integrazioni quotidiane. Innanzitutto, i generatori di fasci attuali hanno bassa efficienza. Le unità odierne non forniscono una generazione di fasci massimizzata e presentano limitazioni di larghezza di banda del server.

Costi di Fabbricazione dei Generatori di Fasci

Un altro grande svantaggio dei generatori di fasci odierni sono gli alti costi di fabbricazione. Questi dispositivi richiedono una precisione estrema. Di conseguenza, possono avere un processo di produzione complesso che, se eseguito in modo errato, può rendere il dispositivo vulnerabile a interferenze indesiderate.

Studio sui Generatori di Fasci

Lo studio recente¹ pubblicato nella rivista del Optica Publishing Group Optics Express introduce un nuovo metodo di produzione per questi dispositivi che potrebbe migliorare la precisione e ridurre i costi. Lo studio presenta un metodo innovativo di stampa 3D di un generatore di fasci OAM capace di produrre fasci vortice ad alta capacità.
I ricercatori hanno creato specificamente il dispositivo per funzionare come sistema antenna per un sistema di comunicazione wireless a banda Ka. Il dispositivo integra varie funzionalità, tra cui un filtro di interferenza, un divisore di potenza, uno shift di fase, una linea di trasmissione e dei radiatori, in un’unica unità stampata.

Generatori di Fasci OAM Stampati in 3D

Il generatore di fasci OAM è stato stampato utilizzando un design monolitico e la tecnologia di stampa 3D a fusione laser selettiva (SLM). I ricercatori hanno costruito il dispositivo usando una lega e spazi riempiti d’aria. Questo design ha garantito che il dispositivo avesse perdite dielettriche minime durante l’uso.
Tentativi precedenti di creare generatori di fasci più efficaci hanno integrato più dispositivi di potenza e shift di fase. Queste prove hanno scoperto che tale struttura aumentava le interferenze e le perdite dielettriche. Pertanto, l’unità monoblocco interamente in metallo è stata ritenuta il miglior design per le attività.

Divisore di Potenza

Il nuovo design incorpora funzionalità di filtraggio del guadagno progettate per migliorare precisione e sensibilità. Il team ha creato un divisore di potenza filtrante 1‑a‑8 su misura che combina otto linee di ritardo di fase con guide d’onda torcenti per separare i segnali e inviarli attraverso percorsi designati pensati per eliminare le interferenze.

Filtraggio del Guadagno Integrato

L’eliminazione delle interferenze serve a molteplici scopi. Innanzitutto, consente una maggiore larghezza di banda, che può essere utilizzata per trasportare più dati grazie a una maggiore potenza del segnale. Inoltre, permette ai ricercatori di perfezionare i segnali che desiderano ricevere, eliminando i segnali indesiderati alla fonte. Da lì, i segnali vengono inviati a un array di antenne circolari per finalizzare il loro allineamento.

Simulazioni al Computer dei Generatori di Fasci

Il team ha poi integrato simulazioni al computer avanzate per perfezionare ulteriormente il loro generatore di fasci. Le simulazioni hanno permesso al team di eseguire migliaia di test per individuare il design preciso che migliora la trasmissione del segnale in banda e la soppressione efficace fuori banda.

Risultati dello Studio sui Generatori di Fasci

I risultati dello studio mostrano promettenti prospettive. Innanzitutto, il nuovo dispositivo potrebbe aiutare a risolvere i problemi di sovraccarico per i futuri sistemi di comunicazione wireless. Il team ha scoperto che il dispositivo riduce le interferenze, potenzia il segnale principale ed è in grado di generare fasci OAM con numero modello l =+1.

Questi dispositivi possono aiutare a risolvere i problemi di sovraccarico quando integrati nelle torri. Sono piccoli e possono essere installati in modo non permanente o permanente durante grandi raduni di persone per alleviare e prevenire il sovraccarico di dati sulle reti. Questo approccio ridurrebbe le chiamate interrotte e le connessioni lente.

Il team ha anche scoperto che la struttura interamente metallica era vantaggiosa per le operazioni del dispositivo. In particolare, ha dimostrato una maggiore efficienza di radiazione e una più alta capacità di gestione della potenza rispetto ai metodi tradizionali. L’unità ha prodotto una purezza del segnale dell’80%, un notevole miglioramento rispetto ai metodi precedenti. Inoltre, la soppressione fuori banda ha superato i 30 dB nelle direzioni principali.

Applicazioni Potenziali per i Generatori di Fasci Compatti

Ci sono diverse applicazioni per questa tecnologia, inclusa l’infrastruttura per i sistemi di comunicazione wireless 5G/6G. Questi sistemi wireless a onde millimetriche devono eliminare le interferenze per garantire trasmissioni dati massime.

Telerilevamento e Imaging

Un altro utilizzo fondamentale di questo dispositivo è migliorare i sistemi di telerilevamento e imaging. Questi dispositivi potrebbero fornire più dettagli rispetto alle opzioni attuali, consentendo ai ricercatori di effettuare scansioni più approfondite di aree coperte da fitta giungla, sott’acqua o sepolte nei deserti.

Uso Militare

L’uso di sistemi radar a microonde aiuterebbe a migliorare il tracciamento multi‑bersaglio. Le guerre odierne continuano a fare affidamento su piccoli sistemi senza pilota, economici, facili da produrre e adattabili a una varietà di compiti. Il tracciamento di questi dispositivi è diventato una parte cruciale delle operazioni militari. L’uso di generatori di fasci OEM potrebbe migliorare questo compito, potenzialmente salvando vite.

Benefici che i Generatori di Fasci Compatti Portano al Mercato

Questa ricerca offre diversi vantaggi. Innanzitutto, il processo di produzione è meno costoso rispetto ai metodi tradizionali che richiedono la creazione di diversi componenti in sedi differenti per poi spedirli a un impianto di assemblaggio. Il metodo di stampa 3D non richiede passaggi aggiuntivi.

Filtraggio del Guadagno Integrato

Uno dei principali vantaggi è il filtraggio del guadagno integrato. I ricercatori sono stati in grado di eseguire simulazioni della forma esatta del loro dispositivo per amplificare i segnali desiderati riducendo le interferenze nel canale. Poiché non ci sono parti mobili e l’intero dispositivo è un’unica unità, questa capacità rappresenta un notevole miglioramento.

Basso Costo

È molto più economico stampare un’unica unità rispetto a raccogliere e assemblare componenti esterni aggiuntivi. L’uso di una struttura monolitica riduce i costi di assemblaggio. Significa anche che questi dispositivi possono essere creati in loco presso strutture di stampa 3D ovunque necessario.

Precisione

Il principale vantaggio del design del generatore di fasci è che fornisce un allineamento preciso dei componenti ogni volta. Sarebbe molto difficile e dispendioso in termini di tempo raggiungere questo livello di allineamento usando più parti da assemblare. Il metodo di produzione additiva in lega tramite stampa 3D ha permesso al team di creare design complessi che migliorano la trasmissione del segnale senza parti mobili.

Ricercatori dei Generatori di Fasci

I principali ricercatori del progetto includono Jianxing Li e Yuanxi Cao dell’Università Xi’an Jiaotong in Cina. Ora, il team cerca di ampliare i test per valutare le capacità della loro invenzione su diverse frequenze e segnali. Il loro obiettivo è trovare un equilibrio diretto tra trasmissione del segnale e normative.

Aziende che Possono Beneficiare dallo Studio sui Generatori di Fasci Stampati in 3D

Diversi aziende potrebbero vedere un notevole potenziamento delle loro offerte integrando la tecnologia di questo studio. Queste aziende spaziano dal settore delle telecomunicazioni a imprese di stampa 3D e forze armate. Ecco due società pronte a sfruttare questi sviluppi nei prossimi mesi.

1. Materialise NV

Materialise NV, con sede in Belgio (MTLS ) è entrata sul mercato nel 1990. I suoi fondatori, Wilfried Vancraen e Hilde Ingelaere, volevano creare un punto unico per le aziende alla ricerca di software per la manifattura additiva e soluzioni di stampa 3D. Oggi, opera come fornitore di produzione di stampa 3D in rapida crescita e sostenibile.

Dalla sua nascita, Materialise si è avventurata in diversi settori della manifattura additiva. L’azienda offre guide chirurgiche e impianti stampati in 3D insieme a prototipi rapidi. Recentemente, la società ha aggiunto una piattaforma rivolta ai consumatori per servizi di stampa 3D, aprendo la porta a ulteriori entrate.
Il titolo di Materialise NV è in costante declino negli ultimi 5 anni mentre l’azienda ha lavorato sui suoi prodotti e prototipi. Tuttavia, questa tendenza al ribasso dovrebbe invertire poiché diversi analisti hanno pubblicato una interessante previsione di prezzo a 3 mesi che mostrava un potenziale aumento del 60,67% con una probabilità del 90%. Pertanto, Materialise continua ad attrarre nuovi investitori.

2. Frontier Communications Parent Inc

Frontier Communications Parent Inc è entrata sul mercato nel 1935. Questo provider di telecomunicazioni con sede in Texas ha rapidamente ampliato le sue operazioni includendo una varietà di opzioni di trasmissione dati, tra cui dati, internet, video, voce, hardware e soluzioni di rete.

L’azienda ha una capitalizzazione di mercato attuale di 8,66 miliardi di dollari e continua a mostrare forti segnali di slancio verso l’alto. Attualmente, il titolo FYBR è presente in diverse liste di raccomandazione grazie al suo potenziale di crescita e al forte posizionamento dell’azienda.

Generatori di Fasci Compatti – Il Futuro delle Telecomunicazioni

Sebbene sia ancora necessario molto testing prima di vedere i generatori di fasci compatti stampati in 3D nel proprio quartiere, la tecnologia si è dimostrata solida. Pertanto, non ci vorrà molto prima che questi dispositivi aiutino a ottimizzare i sistemi wireless, migliorandone la portata e le capacità. Per ora, questi ricercatori meritano credito per il loro approccio unico a un problema di lunga data nel mercato dei sistemi wireless.
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Riferimento allo Studio:

^{1. Li, J., Wu, S., Li, Z., Cao, Y., & Xu, K.-D. (2024). Generatore di fasci OAM stampato in 3D con una caratteristica di filtraggio del guadagno fuori banda migliorata. Optics Express, 32(26), 47285–47295. https://doi.org/10.1364/OE.542046}