Форма антенны определяет, с какими сигналами она может работать. Таким образом, ключевые аспекты её работы фактически уже заложены на этапе производства. Однако новая изменяющая форму антенна может динамически адаптироваться к различным требованиям к связи, позволяя ей выполнять работу нескольких стационарных антенн.
Разработка сделана силами междисциплинарной команды из Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса (APL) в Лореле, США, и стала возможной благодаря передовым технологиям 3-D печати. Антенна представляет собой двойную спираль из «сплава с памятью формы», которая меняет форму при нагревании или охлаждении и может эффективно работать на частотах от 4 до 11 гигагерц.
В статье, опубликованной в журнале ACS Applied Engineering Materials, исследователи показали, что полученная в результате антенна может за считанные секунды трансформироваться из плоской спирали в конус. Переключаясь между этими двумя формами, антенна может обеспечить мощность сигнала примерно в 5 децибел в диапазоне от 4 до 11 ГГц, при этом плоская конфигурация лучше работает на более низких частотах, а конусная — на более высоких.
Прототип антенны, сконфигурированный для тестирования, содержит элемент, который преобразуется для работы на разных частотах. Изображение: APL
Форма антенны определяет важнейшие характеристики, такие как диапазон частот, на которых она может работать, ширина луча, который она может передавать, и поляризация этого луча (то есть ориентация электромагнитных волн). Таким образом, антенна, предназначенная для передачи сигналов на мобильные телефоны, может сильно отличаться от антенны, предназначенной для связи со спутником. По словам Дженнифер Холленбек, инженера-электрика из APL, возможность изменять форму антенны может значительно повысить её функциональность. «Вы можете полностью изменить принцип её работы и по-настоящему расширить возможности использования этой антенны», — добавляет она.
Команда решила использовать сплав с памятью формы под названием нитинол, состоящий из никеля и титана, который можно деформировать при низких температурах, но который возвращается в исходное состояние при нагревании. Нитиноловые материалы часто имеют простую форму, например, в виде проволоки или трубок, что не даёт возможности для создания более сложных форм антенн. Однако возможности нитинола в APL расширились, когда исследователи придумали способ 3D-печати этим материалом.
С помощью напечатанного нитинола инженеры теперь могут напрямую печатать сложные конфигурации двойных спиралей за один раз. Что ещё более важно, они смогли напечатать канал в спирали для размещения медного провода, который может нагревать антенну и переключать её между разными формами. Обычно сложно подключать нитинол, потому что из-за больших изменений формы детали могут трескаться и отслаиваться, но Леннон говорит, что 3D-печать позволила им встроить разъёмы, которые можно надёжно прикрепить к нагревательному элементу.
По мнению исследователей, многообещающим применением такого рода реконфигурируемых антенн является связь 6G. Устройства должны работать в нескольких частотных диапазонах, для чего обычно требуется несколько разных антенн. «Наличие антенны, которая может менять форму для работы на разных частотах с оптимальным коэффициентом усиления, — это здорово» -сказал инженер по радиочастотам и микроволнам Майкл Шерберн.