3D‑utskrift kan snart gi telekommunikasjon et løft med kompakte strålegeneratorer

Et team av forskere fra Xi’an Jiaotong University i Kina viste nylig frem prototyper av 3D‑printede orbital‑vinkelmoment (OAM) Vortex‑strålegeneratorer. Disse enhetene kan forbedre datatransmisjoner for 5G/6G trådløse nettverk, bildeskanning og mye mer. Her er det du trenger å vite om kompakte strålegeneratorer og hvordan de har potensial til å forbedre kommunikasjon.

5G/6G‑krav

Kampen for å oppnå pålitelige 5G/6G‑nettverk pågår over hele verden. Land som Kina og USA fortsetter å konkurrere om å forbedre disse millimeter‑bølge (mm‑Wave) trådløse systemene, ettersom begge søker å bli den viktigste nettverksleverandøren i fremtiden. Merk at 5G‑nettverk bruker millimeterbølger for å forbedre gjennomstrømning, ytelse og redusere latens. I dag gir disse nettverkene klar, effektiv og interferensbestandig kommunikasjon uansett hvor de brukes.

Orbitalt vinkelmoment (OAM) Vortex‑strålegeneratorer

For å generere datastrømmer med høy kapasitet har forskere undersøkt en rekke metoder. En spesielt interessant metode som fortsatt viser potensial er Orbital Angular Momentum (OAM) Vortex‑strålegeneratorer. Disse enhetene genererer og manipulerer optiske vortex‑stråler som har en spiralfase.

For å generere vridd lysstråle inkorporerer disse enhetene lineært varierende optiske baner som går rundt omkretsen av en optisk enhet. Hvis de konstrueres og brukes korrekt, forbedrer disse enhetene spektral effektivitet og kommunikasjonskapasitet betydelig.

Problemer med nåværende metoder for å produsere OAM‑vortex‑strålegeneratorer

Selv om vortex‑strålegeneratorer av mange blir sett på som fremtiden for 5G/6G‑kommunikasjon, er det flere problemer med de nåværende enhetene som må løses for å gjøre teknologien egnet for daglig integrasjon. For det første har de nåværende strålegeneratorene lav effektivitet. Dagens enheter gir ikke maksimal strålegenerering og har begrensninger i serverbåndbredde.

Fremstillingskostnader for strålegeneratorer

En annen stor ulempe med dagens strålegeneratorer er de høye fremstillingskostnadene. Disse enhetene krever ekstrem presisjon. Derfor kan de ha en kompleks produksjonsprosess som, dersom den utføres feil, kan gjøre enheten sårbar for uønsket interferens.

Studie av strålegeneratorer

Den nylige studien¹ publisert i Optica Publishing Group‑tidsskriftet Optics Express introduserer en ny produksjonsmetode for disse enhetene som kan bidra til å forbedre presisjon og redusere kostnader. Studien presenterer en ny metode for 3D‑printing av en OAM‑strålegenerator som er i stand til å produsere vortex‑stråler med høy kapasitet.

Forskerne laget spesielt enheten for å fungere som et antennesystem for et Ka‑bånd trådløst kommunikasjonsystem. Enheten integrerer ulike funksjoner, inkludert et interferensfilter, en kraftfordeler, en faseforskyver, en transmisjonslinje og radiatorer, i en enkelt printet enhet.

3D‑printede OAM‑strålegeneratorer

OAM‑strålegeneratoren ble printet ved hjelp av et monolittisk design og selektiv laser‑smelting (SLM) 3D‑printteknologi. Forskerne konstruerte enheten med en legering og luftfylte hulrom. Dette designet sikret at enheten hadde minimale dielektriske tap under bruk.

Tidligere forsøk på å lage mer effektive strålegeneratorer har integrert flere kraftenheter og faseforskyvere. Disse forsøkene viste at denne strukturen økte interferens og dielektriske tap. Derfor ble den helmetall‑en‑del‑konstruksjonen ansett som det beste designet for oppgaven.

Kraftfordeler

Det nye designet inkluderer forsterkningsfiltreringsegenskaper som er laget for å forbedre nøyaktighet og følsomhet. Teamet utviklet en spesialbygd 1‑til‑8 kraftfilterfordeler som kombinerte åtte faseforsinkelseslinjer med vridde bølgeledere for å separere signaler og sende dem gjennom bestemte ruter designet for å fjerne interferens.

Integrert forsterkningsfiltrering

Fjerning av interferens tjener flere formål. For det første gir det mer båndbredde, som deretter kan brukes til å overføre mer data fra ekstra signalstyrke. I tillegg gjør det det mulig for forskere å finjustere signalene de ønsker å motta, og fjerne uønskede signaler ved kilden. Deretter sendes signalene til en sirkulær antennearray for å fullføre justeringen.

Datamaskinsimuleringer av strålegeneratorer

Teamet integrerte deretter avanserte datamaskinsimuleringer for å finjustere strålegeneratoren ytterligere. Simuleringene gjorde det mulig for teamet å kjøre tusenvis av tester for å finne det presise designet som forbedrer signaloverføring innen båndet og effektiv undertrykkelse utenfor båndet.

Resultater fra studien av strålegeneratorer

Resultatene fra studien viser lovende tegn. For det første kan den nye enheten bidra til å løse overbelastningsproblemer for fremtidige trådløse kommunikasjonsystemer. Teamet fant at enheten reduserte interferens, forsterket hovedsignalet, og var i stand til å oppnå OAM‑stråler med modellnummer l =+1.

Disse enhetene kan bidra til å løse overbelastningsproblemer når de integreres i tårn. De er små og kan installeres på en midlertidig eller permanent måte under store folkemengder for å hjelpe med å avlaste og forhindre dataoverbelastning i nettverkene. Denne tilnærmingen vil redusere tapte samtaler og trege nettverkstilkoblinger.

Teamet oppdaget også at den helmetall‑strukturen var fordelaktig for enhetens drift. Spesielt viste den høyere strålingseffektivitet og større kraftkapasitet enn tradisjonelle metoder. Enheten produserte 80 % signalrenhet, noe som er en betydelig forbedring sammenlignet med tidligere metoder. I tillegg oversteg undertrykkelsen utenfor båndet 30 dB i hovedretningene.

Potensielle anvendelser for kompakte strålegeneratorer

Det finnes flere anvendelser for denne teknologien, inkludert infrastrukturen for 5G/6G‑trådløse kommunikasjonsystemer. Disse millimeter‑bølge trådløse systemene må filtrere bort interferens for å sikre maksimal datatransmisjon.

Fjernmåling og bildeskanning

En annen viktig bruk av denne enheten er å forbedre fjernmålings‑ og bildeskanningssystemer. Disse enhetene kan gi mer detaljert informasjon sammenlignet med dagens alternativer, og gjør det mulig for forskere å utføre grundigere skanninger av områder som er tungt dekket av jungel, under vann eller begravd i ørkener.

Militær bruk

Bruken av mikrobølgesradarsystemer vil bidra til å forbedre sporing av flere mål. Dagens krigføring fortsetter å være avhengig av små ubemannede systemer som er rimelige, enkle å produsere og kan tilpasses ulike oppgaver. Sporing av disse enhetene har blitt en kritisk del av militære operasjoner. Bruk av OEM‑strålegeneratorer kan hjelpe med å forbedre denne oppgaven, og potensielt redde liv.

Fordeler som kompakte strålegeneratorer gir markedet

Denne forskningen gir flere fordeler. For det første er produksjonsprosessen mindre kostbar enn tradisjonelle metoder som krever at flere komponenter produseres på ulike steder og deretter fraktes til et monteringsanlegg. 3D‑printmetoden krever ingen ekstra trinn.

Integrert forsterkningsfiltrering

En av hovedfordelene er den integrerte forsterkningsfiltreringen. Forskerne kunne gjennomføre simuleringer av den eksakte formen på enheten for å forsterke ønskede signaler samtidig som interferens i kanalen reduseres. Siden det ikke er noen bevegelige deler og hele enheten er en enkelt enhet, er denne evnen et betydelig løft.

Lav kostnad

Det er mye billigere å printe en enkelt enhet enn å samle og montere ekstra eksterne komponenter. Bruken av en monolittisk struktur reduserer samlebelseskostnader. Det betyr også at disse enhetene kan produseres på stedet i 3D‑printfasiliteter der de trengs.

Presisjon

Hovedfordelen med strålegeneratorens design er at den gir presis justering av komponenter hver gang. Det ville vært svært vanskelig og tidkrevende å oppnå dette nivået av justering ved bruk av flere deler som måtte settes sammen. 3D‑printmetoden med legerings‑additiv produksjon gjorde det mulig for teamet å lage komplekse design som forbedrer signaloverføring uten bevegelige deler.

Forskere bak strålegeneratorene

De viktigste forskerne i prosjektet var Jianxing Li og Yuanxi Cao fra Xi’an Jiaotong University i Kina. Nå ønsker teamet å utvide testingen for å se mulighetene til oppfinnelsen på tvers av ulike frekvenser og signaler. Målet deres er å finne en direkte balanse mellom signaloverføring og regulatoriske standarder.

Selskaper som kan ha nytte av studien av 3D‑printede strålegeneratorer

Flere selskaper kan oppleve betydelige forbedringer i sine tilbud ved å integrere teknologien fra denne studien. Disse selskapene spenner fra telekommunikasjonssektoren til 3D‑print‑firmaer og militære. Her er to firmaer som er klare til å dra nytte av disse utviklingene i de kommende månedene.

1. Materialise NV

Det belgiske selskapet Materialise NV (MTLS ) kom inn på markedet i 1990. Grunnleggerne, Wilfried Vancraen og Hilde Ingelaere, ønsket å skape en totalleverandør for bedrifter som søker programvare for additiv produksjon og 3D‑print‑løsninger. I dag opererer de som en raskt voksende, bærekraftig leverandør av 3D‑printproduksjon.