Ученые Московского физико-технического института создали компактную направленную антенную решетку с высоким коэффициентом усиления и широкой областью применения в сфере технологий 5G. Производственный процесс включает изготовление каркаса на фотополимерном 3D-принтере с последующей металлизацией поверхностей.

Антенна показала усиление более чем на 11,3 дБ в диапазоне частот от 2,5 до 4,5 ГГц, сообщает пресс-служба вуза. В первую очередь миниатюрные антенные решетки могут использоваться в беспроводной связи, где стоит задача управления лучом с высоким коэффициентом усиления и при этом выделяемое место под излучатель крайне ограничено.

Для успешной эксплуатации антенн необходимо знать, куда направлен сигнал, его мощность, а также коэффициент полезного действия самой антенны. Несколько антенн, расположенных рядом, называют антенной решеткой. Чем больше антенн, тем уже луч и тем выше энергия. Ключ к эффективности антенных решеток МФТИ — трехмерная геометрия каждого излучателя. Как правило, антенные решетки стараются делать плоскими, тем самым усложняя поиск идеальной геометрии.

«Перед нами стояла задача создать небольшую относительно длины волны антенную решетку, которая могла бы излучать энергию в заданном направлении с высокой эффективностью. Данных характеристик мы смогли добиться при помощи использования специальных алгоритмов оптимизации в ходе решения электродинамической задачи», — рассказал сотрудник лаборатории радиофотоники МФТИ Владимир Бурцев.

Ученые задали начальные параметры и требования, а оптимизационные алгоритмы построили геометрию, наиболее соответствующую поставленным задачам. Для качественной работы антенной решетки все ее размеры необходимо было соблюсти до сотых долей миллиметра. В лаборатории применяют оптимальный и бюджетный способ изготовления — фотополимерную 3D-печать каркаса с последующим электрохимическим покрытием формы металлом.

«Мы проанализировали работу получившейся антенной решетки и пришли к выводу, что ее высокие энергетические показатели обусловлены конструктивной интерференцией многих элементарных колебаний внутри структуры. В каждом элементе антенны заложена определенная энергия, и такие вклады могут складываться либо деструктивно, что чаще всего и бывает, либо конструктивно, как в данном случае, что и обеспечивает высокую энергоэффективность нашей антенной решетки. По общим показателям она примерно в два раза лучше аналогов. Нетривиальная форма дает высокий КПД. Знания электродинамики позволят с легкостью перестроить рабочие частоты, слабо меняя саму геометрию и сохраняя принцип сложения колебаний. Настроив решетку на другие диапазоны, мы можем работать в зоне Wi-Fi или радиочастотных меток (RFID), осуществляя мониторинг или считывая маркировку в магазине, или уйти в более высокие частоты 5G и отслеживать работу «умных» устройств», — рассказал руководитель лаборатории радиофотоники Центра фотоники и двумерных материалов, ведущий научный сотрудник научно-исследовательского центра телекоммуникаций МФТИ Дмитрий Филонов.

Исследование поддержано федеральной программой академического лидерства «Приоритет 2030», результаты опубликованы в журнале Physica Status Solidi.

В мае прошлого года Министерство науки и высшего образования РФ сообщило о проекте МФТИ по созданию антенн с помощью FDM 3D-печати выжигаемых каркасов. Изготовлением антенн методами 3D-печати и металлизации уже занимаются некоторые отраслевые предприятия, например тайваньская компания BWant.

На фото: Процесс создания компактной антенной решетки на 2,5–4,5 ГГц из четырех элементов, спроектированных с использованием алгоритмов оптимизации и изготовленных с применением 3D-печати и металлизации поверхностей

Источник