3D‑printen kan de telecommunicatie binnenkort een impuls geven met compacte stralengeneratoren

Een team van onderzoekers van de Xi’an Jiaotong University in China heeft onlangs prototypes van 3D‑geprinte orbital angular momentum (OAM) vortexstraalgeneratoren gepresenteerd. Deze apparaten kunnen datatransmissies voor 5G/6G draadloze netwerken, beeldscanning en nog veel meer verbeteren. Hier is wat u moet weten over compacte stralengeneratoren en hoe ze de communicatie kunnen verbeteren.

5G/6G‑eisen

De race om betrouwbare 5G/6G‑netwerken te realiseren loopt wereldwijd. Landen zoals China en de VS blijven strijden om deze millimetergolf (mm‑Wave) draadloze systemen te verbeteren, aangezien beiden de belangrijkste netwerkprovider van de toekomst willen worden. Opmerkelijk is dat 5G‑netwerken millimetergolven gebruiken om de doorvoersnelheid, prestaties te verbeteren en de latentie te verlagen. Tegenwoordig bieden deze netwerken duidelijke, efficiënte en interferentiebestendige communicatie, waar ze ook worden gebruikt.

Orbital Angular Momentum (OAM) Vortexstraalgeneratoren

Om datastromen met hoge capaciteit te genereren, hebben onderzoekers verschillende methoden onderzocht. Een bijzonder interessante methode die voortdurend potentieel toont, is Orbital Angular Momentum (OAM) Vortexstraalgeneratoren. Deze apparaten genereren en manipuleren optische vortexstralen die een spiraalfase bezitten.

Om draaiende lichtstralen te genereren, bevatten deze apparaten lineair variërende optische paden die zich rond de omtrek van een optisch apparaat uitstrekken. Als ze correct worden geconstrueerd en gebruikt, verbeteren deze apparaten de spectrale efficiëntie en de communicatiescapaciteit aanzienlijk.

Problemen met huidige methoden voor het produceren van OAM Vortexstraalgeneratoren

Hoewel vortexstraalgeneratoren door velen worden gezien als de toekomst van 5G/6G‑communicatie, zijn er verschillende problemen met de huidige apparaten die overwonnen moeten worden om de technologie geschikt te maken voor alledaagse integraties. Ten eerste hebben de huidige stralengeneratoren een lage efficiëntie. De huidige eenheden bieden geen gemaximaliseerde stralengeneratie en hebben beperkingen in serverbandbreedte.

Fabricagekosten van stralengeneratoren

Een ander groot nadeel van de huidige stralengeneratoren zijn de hoge fabricagekosten. Deze apparaten vereisen extreme precisie. Daardoor kan het productieproces complex zijn en, als het onjuist wordt uitgevoerd, kan het apparaat kwetsbaar worden voor ongewenste interferentie.

Studie naar stralengeneratoren

De recente studie¹ gepubliceerd in het tijdschrift van de Optica Publishing Group Optics Express introduceert een nieuwe productiemethode voor deze apparaten die de precisie kan verbeteren en de kosten kan verlagen. De studie introduceert een nieuw 3D‑printproces voor een OAM‑stralengenerator die in staat is hoge‑capaciteit vortexstralen te produceren.

De onderzoekers hebben het apparaat specifiek ontworpen om te functioneren als een antennesysteem voor een Ka‑band draadloos communicatiesysteem. Het apparaat integreert verschillende functies, waaronder een interferentiefilter, vermogensverdeler, faseverschuiver, transmissielijn en stralers, in één geprint geheel.

3D‑geprinte OAM‑straalengeneratoren

De OAM‑straalengenerator werd geprint met een monolithisch ontwerp en selectieve laser smelten (SLM) 3D‑printtechnologie. De onderzoekers bouwden het apparaat met een legering en luchtgevulde openingen. Dit ontwerp zorgde ervoor dat het apparaat minimale diëlektrische verliezen had tijdens gebruik.

Eerdere pogingen om effectievere stralengeneratoren te creëren, hebben meerdere vermogensapparaten en faseverschuivers geïntegreerd. Deze proeven toonden aan dat deze structuur interferentie en diëlektrische verliezen vergrootte. Daarom werd de volledig metalen, één‑delige constructie als het beste ontwerp voor de taken beschouwd.

Vermogensverdeler

Het nieuwe ontwerp bevat gain‑filterfuncties die zijn ontworpen om nauwkeurigheid en gevoeligheid te verbeteren. Het team heeft een speciaal ontworpen 1‑naar‑8 vermogensfilterverdeler gemaakt die acht‑fase vertraginglijnen combineert met gedraaide golfgeleiders om signalen te scheiden en via aangewezen routes te sturen die interferentie wegnemen.

Geïntegreerde gain‑filtering

Het elimineren van interferentie dient meerdere doelen. Ten eerste maakt het meer bandbreedte mogelijk, die vervolgens kan worden gebruikt om meer gegevens te dragen dankzij extra signaalsterkte. Bovendien stelt het onderzoekers in staat de gewenste signalen nauwkeurig af te stemmen, waardoor ongewenste signalen bij de bron worden verwijderd. Vervolgens worden de signalen naar een cirkelvormige antenne‑array gestuurd om hun uitlijning te voltooien.

Computer‑simulaties van stralengeneratoren

Het team integreerde vervolgens geavanceerde computersimulaties om hun stralengenerator verder te verfijnen. De simulaties stelden het team in staat duizenden tests uit te voeren om het precieze ontwerp te ontdekken dat de in‑band signaaltransmissie en effectieve out‑of‑band onderdrukking verbetert.

Resultaten van de studie naar stralengeneratoren

De resultaten van de studie zijn veelbelovend. Ten eerste kan het nieuwe apparaat helpen overbelastingsproblemen voor toekomstige draadloze communicatiesystemen op te lossen. Het team ontdekte dat het apparaat interferentie verminderde, het hoofdsignaal versterkte en in staat was OAM‑stralen te genereren met modelnummer l =+1.

Deze apparaten kunnen helpen overbelastingsproblemen op te lossen wanneer ze in torens worden geïntegreerd. Ze zijn klein en kunnen tijdens grote menigten op een niet‑permanente of permanente manier worden geïnstalleerd om dataverstopping op de netwerken te verlichten en te voorkomen. Deze aanpak zou verbroken oproepen en trage netwerkverbindingen verminderen.

Het team ontdekte ook dat de volledig metalen structuur gunstig was voor de werking van het apparaat. Specifiek toonde het een hogere stralingsefficiëntie en een grotere vermogensafhandelingscapaciteit dan traditionele methoden. Het apparaat leverde 80 % signaalzuiverheid, wat een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van eerdere methoden. Bovendien overschreed de out‑of‑band onderdrukking 30 dB in de belangrijkste richtingen.

Potentiële toepassingen voor compacte stralengeneratoren

Er zijn verschillende toepassingen voor deze technologie, waaronder de infrastructuur voor 5G/6G draadloze communicatiesystemen. Deze millimetergolf‑draadloze systemen moeten interferentie onderdrukken om maximale datatransmissies te garanderen.

Remote sensing en beeldvorming

Een andere belangrijke toepassing van dit apparaat is het verbeteren van remote sensing‑ en beeldvormingssystemen. Deze apparaten kunnen meer detail bieden dan de huidige opties, waardoor onderzoekers grondigere scans kunnen uitvoeren van locaties die onder zware junglebedekking, onder water of begraven in woestijnen liggen.

Militaire toepassingen

Het gebruik van microgolfradarsystemen zou helpen bij het verbeteren van multi‑doel tracking. Hedendaagse oorlogsvoering blijft afhankelijk van kleine onbemande systemen die goedkoop, gemakkelijk te produceren zijn en voor diverse taken kunnen worden aangepast. Het volgen van deze apparaten is een cruciaal onderdeel van militaire operaties geworden. Het gebruik van OEM‑stralengeneratoren kan deze taak verbeteren en mogelijk levens redden.

Voordelen die compacte stralengeneratoren de markt bieden

Dit onderzoek biedt verschillende voordelen. Ten eerste is het productieproces minder duur dan traditionele methoden die verschillende componenten op verschillende locaties laten maken en vervolgens naar een assemblagefabriek verzenden. De 3D‑printmethode vereist geen extra stappen.

Geïntegreerde gain‑filtering

Een van de belangrijkste voordelen is de geïntegreerde gain‑filtering. De onderzoekers konden simulaties uitvoeren van de exacte vorm van hun apparaat om gewenste signalen te versterken terwijl interferentie over het kanaal werd verminderd. Aangezien er geen bewegende delen zijn en het hele apparaat één enkele eenheid is, is deze mogelijkheid een grote verbetering.

Lage kosten

Het is veel goedkoper om één eenheid te printen dan extra externe componenten te verzamelen en te monteren. Het gebruik van een monolithische structuur verlaagt de assemblagekosten. Het betekent ook dat deze apparaten ter plaatse kunnen worden vervaardigd in 3D‑printfaciliteiten waar ze nodig zijn.

Precisie

Het belangrijkste voordeel van het ontwerp van de stralengenerator is dat het elke keer een precieze uitlijning van componenten biedt. Het zou zeer moeilijk en tijdrovend zijn om dit niveau van uitlijning te bereiken met meerdere onderdelen die in elkaar moeten worden gezet. De 3D‑printlegering additieve productiemethode stelde het team in staat complexe ontwerpen te maken die de signaaltransmissie verbeteren zonder bewegende delen.

Onderzoekers van stralengeneratoren

De belangrijkste onderzoekers van het project waren Jianxing Li en Yuanxi Cao van de Xi’an Jiaotong University in China. Nu wil het team hun tests uitbreiden om de mogelijkheden van hun uitvinding over verschillende frequenties en signalen te onderzoeken. Hun doel is een directe balans te vinden tussen signaaltransmissie en regelgeving.

Bedrijven die kunnen profiteren van de studie naar 3D‑geprinte stralengeneratoren

Verschillende bedrijven zouden een grote impuls kunnen krijgen voor hun aanbod door de technologie uit deze studie te integreren. Deze bedrijven variëren van de telecommunicatiesector tot 3D‑printbedrijven en militaire organisaties. Hier zijn twee bedrijven die klaarstaan om van deze ontwikkelingen in de komende maanden te profiteren.

1. Materialise NV

Het in België gevestigde Materialise NV (MTLS ) betrad de markt in 1990. De oprichters, Wilfried Vancraen en Hilde Ingelaere, wilden een one‑stop shop creëren voor bedrijven die op zoek zijn naar additieve productiesoftware en 3D‑printoplossingen. Tegenwoordig opereert het als een snelgroeiende, duurzame 3D‑printproductieprovider.

Sinds de lancering heeft Materialise zich uitgebreid naar meerdere additieve productiesectoren. Het bedrijf biedt 3D‑geprinte chirurgische gidsen en implantaten aan naast snelle prototyping. Het bedrijf heeft recentelijk ook een consumentenplatform voor 3D‑printdiensten toegevoegd, waardoor extra inkomsten mogelijk worden.

Het aandeel van Materialise NV is de afgelopen 5 jaar gestaag gedaald terwijl het bedrijf zijn producten en prototypes ontwikkelde. Deze neerwaartse trend zal echter omkeren, aangezien verschillende analisten een veelbelovende 3‑maanden prijsvoorspelling hebben gepubliceerd die een potentiële stijging van 60,67 % met een kans van 90 % aangeeft. Daarom blijft Materialise nieuwe investeerders aantrekken.

2. Frontier Communications Parent Inc

Frontier Communications Parent Inc betrad de markt in 1935. Deze in Texas gevestigde telecommunicatieprovider breidde snel zijn activiteiten uit om een verscheidenheid aan datatransmissieopties te omvatten, waaronder data, internet, video, spraak, hardware en netwerklösingen.

Het bedrijf heeft momenteel een marktkapitalisatie van $8,66 mrd en vertoont nog steeds sterke tekenen van opwaartse dynamiek. Momenteel staat het FYBR‑aandeel op verschillende aanbevelingslijsten vanwege het opwaartse potentieel en de sterke positionering van het bedrijf.

Compacte stralengeneratoren – de toekomst van telecommunicatie

Hoewel er nog veel testen moeten worden uitgevoerd voordat u 3D‑geprinte compacte stralengeneratoren in uw buurt ziet, is de technologie bewezen solide. Het zal dus niet lang duren voordat deze apparaten uw draadloze systemen afstemmen, waardoor hun bereik en mogelijkheden verbeteren. Voor nu verdienen deze onderzoekers erkenning voor hun unieke aanpak van een langdurig probleem binnen de markt voor draadloze systemen.

Leer nu meer over andere coole additieve productietechnologieën nu.

Studieverwijzing:

^{1. Li, J., Wu, S., Li, Z., Cao, Y., & Xu, K.-D. (2024). 3D‑geprinte OAM‑stralengenerator met een verbeterde out‑of‑band gain‑filtering eigenschap. Optics Express, 32(26), 47285–47295. https://doi.org/10.1364/OE.542046}