3D-utskrivna kompakta strålgeneratorer kan bidra till framtidens telekommunikation

Forskare vid Xi’an Jiaotong-universitetet i Kina har visat prototyper av 3D-utskrivna generatorer för virvelstrålar med orbitalt rörelsemängdsmoment (OAM). Enheterna är antennsystem för mikrovågor och kan på sikt få användning inom trådlös kommunikation, fjärranalys och avbildning. Resultaten är lovande, men kommersiell användning kräver fortsatt utveckling och testning.

5G/6G-krav

Utvecklingen av tillförlitliga 5G-nät och framtida 6G-system pågår internationellt. Millimetervågor kan ge hög kapacitet, men 5G använder också lägre frekvensband. Prestanda, räckvidd och störningskänslighet beror på bland annat frekvens, nätutformning och miljö; tekniken garanterar inte störningsfri kommunikation överallt.

Virvelstrålar med orbitalt rörelsemängdsmoment

En möjlig metod för att hantera större informationsmängder är att använda elektromagnetiska vågor med orbitalt rörelsemängdsmoment, OAM. Sådana virvelstrålar har en spiralformad fasstruktur. Den här prototypen arbetar i Ka-bandet och ska inte förväxlas med ett system för synligt laserljus.

Virvelstrålen skapas genom att signalernas fas förskjuts på ett kontrollerat sätt runt antennens omkrets. OAM kan vara användbart i vissa kommunikationssystem, men den möjliga kapacitetsvinsten beror på hela länken och hur olika moder kan separeras.

Utmaningar med befintliga OAM-generatorer

Befintliga metoder kan begränsas av verkningsgrad, tillverkningskostnad och störningar från oönskade frekvensband. Sådana problem måste hanteras för att tekniken ska kunna integreras i praktiska system.

Kostnader för tillverkning av strålgeneratorer

Högfrekventa antennkomponenter kräver noggrann tillverkning och passning. Om många delar måste tillverkas och monteras separat kan kostnaden öka, och fel kan påverka signalöverföringen.

Studie om strålgeneratorer

Studien¹ som publicerades i Optica Publishing Groups tidskrift Optics Express beskriver en metod för att 3D-skriva en OAM-strålgenerator med integrerad filtrering. Målet är att förenkla tillverkningen och förbättra antennsystemets egenskaper.

Forskarna utformade enheten som ett antennsystem för trådlös kommunikation i Ka-bandet. Den kombinerar filtrering, effektdelning, fasförskjutning, transmissionsvägar och strålande antennelement i en enda utskriven struktur.

3D-utskrivna OAM‑strålgeneratorer

Prototypen tillverkades som en sammanhängande struktur med selektiv lasersmältning (SLM). Forskarna använde en aluminiumlegering och luftfyllda vågledare. Konstruktionen begränsar dielektriska förluster jämfört med lösningar där signalen leds genom mer förlustgivande dielektriska material.

Separata effektdelare och fasförskjutare kan kräva fler anslutningar och ge ytterligare förluster. Den integrerade metallstrukturen minskar behovet av sådan montering, men är inte därmed den bästa lösningen för alla tillämpningar.

Effektdelare

Konstruktionen innehåller en filtrerande effektdelare med en ingång och åtta utgångar. Fasfördröjande ledningar och vridna vågledare fördelar signalerna till antennelementen med de fasrelationer som behövs för att skapa OAM-strålen.

Integrerad förstärkningsfiltrering

Filtreringen släpper igenom det avsedda frekvensbandet och dämpar signaler utanför det. Det kan minska störningar, men skapar inte i sig nytt frekvensutrymme. Signalerna går vidare till en cirkulär antennuppsättning som formar virvelstrålen.

Datorbaserade simuleringar av strålgeneratorer

Forskarna använde elektromagnetiska simuleringar för att justera konstruktionen och förbättra överföringen inom det avsedda bandet samt dämpningen utanför bandet.

Resultat från studien om strålgeneratorer

Prototypen genererade en OAM-stråle med modindex l = +1. Tester visade att den önskade strålformen kunde kombineras med filtrering av oönskade frekvenser. Det är ett resultat på komponentnivå, inte ett bevis för att överbelastning i mobilnät har lösts.

Kompakta antennkomponenter skulle kunna ingå i framtida nätlösningar. Att minska tappade samtal eller överbelastning vid stora evenemang kräver dock testning av hela nätet, inklusive radioresurser, anslutningar och trafikhantering. Sådan fältprestanda visades inte i studien.

Metallstrukturen är avsedd att ge god strålningsverkningsgrad och effekttålighet. Prototypens uppmätta modrenhet var cirka 80 %, vilket beskriver hur väl strålen motsvarar den önskade OAM-moden, inte andelen korrekt överförda data. Dämpningen utanför bandet översteg 30 dB i de angivna huvudriktningarna.

Potentiella tillämpningar för kompakta strålgeneratorer

Möjliga tillämpningar omfattar komponenter i framtida 5G- och 6G-system. Sådana system behöver hantera störningar och säkerställa att antennens egenskaper fungerar tillsammans med övrig nätutrustning.

Fjärravkänning och bildbehandling

OAM-baserade antenner kan också undersökas för fjärranalys och avbildning. Studien visar däremot inte att denna Ka-bandsprototyp kan se genom tät djungel, vatten eller ökensand. Sådan genomträngning beror starkt på frekvens och material.

Militär användning

En möjlig framtida tillämpning är radar och spårning av flera mål, till exempel små obemannade system. Här avses OAM, inte OEM. Den aktuella studien demonstrerade dock inte ett färdigt militärt radarsystem eller dess prestanda.

Möjliga fördelar med den integrerade konstruktionen

Tillverkning i ett stycke kan minska antalet delar och monteringsmoment. Det kan sänka kostnaderna jämfört med vissa konventionella konstruktioner. 3D-utskrift kan ändå kräva efterbearbetning, kontroll och provning; metoden är inte automatiskt fri från ytterligare arbetssteg.

Integrerad förstärkningsfiltrering

Den integrerade filtreringen formar antennsystemets frekvensberoende förstärkning och dämpar oönskade frekvenser. Antennförstärkning beskriver här riktverkan och ska inte förväxlas med att en passiv komponent tillför elektrisk effekt. Konstruktionen saknar rörliga delar.

Lågt pris

En sammanhängande struktur kan minska monteringskostnaden och antalet separata komponenter. Tillverkningen kräver dock lämplig metallutrustning, material, processkontroll och kvalitetssäkring. Det är därför inte visat att enheten kan produceras billigt på vilken lokal 3D-skrivare som helst.

Precision

Additiv tillverkning gör det möjligt att skapa komplexa interna former och hålla delarna i ett bestämt inbördes läge. Det kan underlätta noggrann passning jämfört med montering av många separata delar. Måttnoggrannhet och ytjämnhet måste fortfarande kontrolleras.

Forskare bakom strålgeneratorerna

Jianxing Li och Yuanxi Cao vid Xi’an Jiaotong-universitetet var centrala forskare i projektet. Fortsatt arbete ska förbättra förstärkning, verkningsgrad och filtrering samt undersöka fler OAM-moder och bredare frekvensområden. Skalbar tillverkning, systemintegration, regelkrav och tester i verkliga miljöer återstår inför kommersialisering.

Företag som kan dra nytta av studien om 3D‑utskrivna strålgeneratorer

Företag inom telekommunikation och additiv tillverkning kan på sikt ha nytta av sådana konstruktioner. De två företagen nedan illustrerar närliggande verksamheter, men studien visar inte att de har infört tekniken eller kommer att få ökade intäkter från den.

1. Materialise NV

Belgiska Materialise NV (MTLS ) grundades 1990 av Wilfried Vancraen och Hilde Ingelaere. Företaget erbjuder programvara och tjänster för additiv tillverkning och 3D-utskrift inom flera branscher.

Materialise arbetar bland annat med kirurgiska guider, implantat och prototyptillverkning. Konsumenttjänsten i.materialise lanserades redan 2009 och var alltså inte en ny lansering 2024.

En tidigare angiven tremånadersprognos om en kursuppgång på 60,67 % med 90 % sannolikhet är inte en verifierad garanti för framtida avkastning. En kursnedgång innebär inte i sig att en vändning är nära. Materialise måste bedömas utifrån bland annat resultat, efterfrågan, konkurrens och värdering.

2. Frontier Communications Parent Inc

Frontier Communications Parent Inc. har rötter i en telekomverksamhet från 1935. Företaget tillhandahåller bland annat internet, data- och rösttjänster samt nätverkslösningar. Den historiken ska skiljas från när den senare juridiska koncernen bildades.

Det här angivna börsvärdet på 8,66 miljarder dollar är en historisk uppgift som varierar med aktiekursen. Under 2024 hade Verizon också offentliggjort ett avtal om att förvärva Frontier för 38,50 dollar per aktie, med villkor som återstod att uppfylla. Sådana händelser påverkar värderingen; en plats på en rekommendationslista garanterar inte avkastning.

Kompakta strålgeneratorer kräver fortsatt utveckling

Studien demonstrerade en fungerande prototyp, men utbredd användning i trådlösa nät kräver mer arbete. Tillverkningsskalning, integration med befintlig utrustning, regelkrav och prestanda i verkliga miljöer behöver utvärderas. Det finns därför ingen fastställd tidpunkt för när sådana enheter kommer att finnas i lokala mobilnät.

Läs mer om andra framsteg inom additiv tillverkning här.

Studiereferens:

^{1. Li, J., Wu, S., Li, Z., Cao, Y., & Xu, K.-D. (2024). 3D-utskriven OAM-strålgenerator med förbättrad filtrering av förstärkningen utanför bandet. Optics Express, 32(26), 47285–47295. https://doi.org/10.1364/OE.542046}